基于样本迭代优化策略的密集连接多尺度土地覆盖语义分割
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郑宗生(1979-),男,博士,副教授,主要研究方向为遥感图像处理。Email:zszheng@shou.edu.cn。 |
Copy editor: 李瑜
收稿日期: 2023-10-16
修回日期: 2024-04-06
网络出版日期: 2026-06-03
基金资助
国家自然科学基金项目“一种面向多模态遥感信息的质量抽样检验方案研究”(41671431)
上海市科委地方能力建设项目“复杂潮汐环境下海岛(礁)地物信息提取与精度验证方法及其示范应用”(19050502100)
广州气象卫星地面站项目“基于气象卫星遥感的台风中心定位AI模型引进”(D-8006-23-0157)
Densely connected multiscale semantic segmentation for land cover based on the iterative optimization strategy for samples
Received date: 2023-10-16
Revised date: 2024-04-06
Online published: 2026-06-03
针对分割结果小尺度地物遗漏、连续地物缺乏完整性问题,提出密集连接多尺度语义分割模型(densely connected multi-scale semantic segmentation network,DMS-Net),实现土地覆盖分割。通过多尺度密集连接空洞空间卷积金字塔池化(multi-scale dense connected atrous spatial convolution pyramid pooling module,MDCA)和条形池化(spatial pyramid pooling,SP)提取多尺度和空间连续性地物; 利用特征增强双注意力并联模块(position paralleling channel attention module,PPCA)衡量特征权重,实现高效表达; 采用浅层特征级联模块(cascade low-level feature fusion,CLFF)捕捉被忽略的浅层特征,进一步补充细节。实验结果表明: DMS-Net模型在迭代扩充数据集上的总体精度(overall accuracy,OA)达到89.97%,平均交并比(mean intersection over union,mIoU)达到75.59%,高于传统机器学习方法及U-Net,PSPNet,Deeplabv3+等深度学习模型。分割结果显示,地物结构完整且边缘分割明晰,在实现多尺度的土地覆盖遥感信息提取分析中具有较好的实用价值。
郑宗生 , 高萌 , 周文睆 , 王政翰 , 霍志俊 , 张月维 . 基于样本迭代优化策略的密集连接多尺度土地覆盖语义分割[J]. 自然资源遥感, 2025 , 37(2) : 11 -18 . DOI: 10.6046/zrzyyg.2023302
To address the issues of missing small-scale surface features and incomplete continuous features in segmentation results, this study proposed a densely connected multiscale semantic segmentation network (DMS-Net) model for land cover segmentation. The model integrates a multiscale densely connected atrous spatial convolution pyramid pooling module and strip pooling to extract multiscale and spatially continuous features. A position paralleling Channel attention module (PPCA) is employed to assess feature weights for high-efficiency expression. A cascade low-level feature fusion (CLFF) module is applied to capture neglected low-level features, further complementing details. Experimental results demonstrate that the DMS-Net model achieved an overall accuracy (OA) of 89.97 % and a mean intersection over union (mIoU) of 75.59 % on an iteratively extended dataset, outperforming traditional machine learning methods and deep learning models like U-Net, PSPNet, and Deeplabv3+. The segmentation results of the DMS-Net model reveal structurally complete surface features with clear boundaries, underscoring its practical value in multiscale extraction and analysis of remote sensing information for land cover.
表1 不同卷积率组合实验精度比较Tab.1 Comparison of experimental accuracy of different convolution rate combinations (%) |
| 空洞率组合 | 连接方式 | F1-score | 总体精度 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 绿地 | 耕地 | 水体 | 主干道 | 建筑 | 其他 | OA | mIoU | ||
| [3,6,12,18,24] | 密集连接 | 91.14 | 89.03 | 92.25 | 76.69 | 80.05 | 82.03 | 85.57 | 73.59 |
| 传统连接 | 88.57 | 89.33 | 92.60 | 72.50 | 78.40 | 83.13 | 85.16 | 72.31 | |
| [6,12,18,24] | 密集连接 | 89.80 | 89.90 | 93.07 | 79.10 | 78.62 | 83.95 | 86.10 | 74.16 |
| 传统连接 | 90.80 | 88.38 | 91.36 | 76.80 | 74.65 | 83.35 | 84.26 | 73.04 | |
| [3,12,24] | 密集连接 | 89.47 | 90.02 | 93.04 | 78.99 | 73.76 | 84.14 | 86.16 | 73.85 |
| 传统连接 | 90.70 | 89.12 | 92.58 | 75.58 | 73.53 | 85.99 | 85.43 | 72.71 | |
| [3,6,12,18] | 密集连接 | 90.71 | 90.28 | 93.05 | 78.85 | 87.05 | 87.19 | 89.97 | 75.59 |
| 传统连接 | 89.56 | 89.94 | 92.79 | 78.77 | 83.19 | 83.85 | 86.02 | 74.04 | |
表2 消融实验结果Tab.2 Results of ablation experiment |
| 分组 | DMS-Net | a组 | b组 | c组 |
|---|---|---|---|---|
| MDCA_SP | √ | × | √ | √ |
| PPCA | √ | √ | × | √ |
| CLFF | √ | √ | √ | × |
| OA/% | 89.97 | 87.71 | 86.22 | 86.76 |
| mIoU/% | 75.59 | 73.92 | 72.25 | 73.70 |
| Mean F1-score/% | 88.02 | 85.26 | 85.16 | 85.13 |
表3 信息提取方法效果比较Tab.3 Comparison of the effects of two sample augmentation methods (%) |
| 方法 | F1-score | 总体精度 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 绿地 | 耕地 | 水体 | 主干道 | 建筑 | 其他 | OA | mIoU | |
| SVM | 79.13 | 78.88 | 85.36 | 51.56 | 69.47 | 69.33 | 71.72 | 60.58 |
| U-Net | 89.72 | 87.23 | 92.70 | 76.28 | 82.22 | 84.39 | 85.22 | 72.19 |
| PSPNet | 88.20 | 88.82 | 90.24 | 76.09 | 85.98 | 83.68 | 84.53 | 70.89 |
| Deeplabv3+ | 87.18 | 88.25 | 91.77 | 75.11 | 85.17 | 86.49 | 85.57 | 71.01 |
| DMS-Net | 90.71 | 90.28 | 93.05 | 78.85 | 87.05 | 87.19 | 89.97 | 75.59 |
表4 区域细节分割结果可视化结果Tab.4 Visualization of area detail segmentation results |
| 图像类型 | 区域a | 区域b | 区域c | 区域d | 区域e |
|---|---|---|---|---|---|
| NIR,R,G | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
| 真实标签 | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
| SVM | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
| DMS-Net | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
| Deeplabv3+ | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
| PSPNet | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
| U-Net | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() | ![]() |
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