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基于深度卷积神经网络的遥感图像飞机目标检测方法

郭智 宋萍 张义 闫梦龙 孙显 孙皓

郭智, 宋萍, 张义, 闫梦龙, 孙显, 孙皓. 基于深度卷积神经网络的遥感图像飞机目标检测方法[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(11): 2684-2690. doi: 10.11999/JEIT180117
引用本文: 郭智, 宋萍, 张义, 闫梦龙, 孙显, 孙皓. 基于深度卷积神经网络的遥感图像飞机目标检测方法[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(11): 2684-2690. doi: 10.11999/JEIT180117
Zhi GUO, Ping SONG, Yi ZHANG, Menglong YAN, Xian SUN, Hao SUN. Aircraft Detection Method Based on Deep Convolutional Neural Network for Remote Sensing Images[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(11): 2684-2690. doi: 10.11999/JEIT180117
Citation: Zhi GUO, Ping SONG, Yi ZHANG, Menglong YAN, Xian SUN, Hao SUN. Aircraft Detection Method Based on Deep Convolutional Neural Network for Remote Sensing Images[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(11): 2684-2690. doi: 10.11999/JEIT180117

基于深度卷积神经网络的遥感图像飞机目标检测方法

doi: 10.11999/JEIT180117
基金项目: 国家自然科学基金(41501485)
详细信息
    作者简介:

    郭智:男,1975年生,研究员,研究方向为地理空间信息综合处理与应用

    宋萍:女,1991年生,硕士生,研究方向为机器学习与遥感图像智能解译

    张义:男,1987年生,助理研究员,研究方向为阵列信号处理

    闫梦龙:男,1985年生,副研究员,研究方向为机器学习与遥感图像智能解译

    孙显:男,1981年生,副研究员,研究方向为机器学习与遥感图像智能解译

    孙皓:男,1984年生,副研究员,研究方向为机器学习与遥感图像智能解译

    通讯作者:

    宋萍  pingsong2014@163.com

  • 中图分类号: TP753

Aircraft Detection Method Based on Deep Convolutional Neural Network for Remote Sensing Images

Funds: The National Natural Science Foundation of China (41501485)
  • 摘要: 飞机检测是遥感图像分析领域的研究热点,现有检测方法的检测流程分为多步,难以进行整体优化,并且对于飞机密集区域或背景复杂区域的检测精度较低。针对以上问题,该文提出一种端到端的检测方法MDSSD来提高检测精度。该方法基于单一网络目标多尺度检测框架(SSD),以一个密集连接卷积网络(DenseNet)作为基础网络提取特征,后面连接一个由多个卷积层构成的子网络对目标进行检测和定位。该方法融合了多层次特征信息,同时设计了一系列不同长宽比的候选框,以实现不同尺度飞机的检测。该文的检测方法完全摒弃了候选框提取阶段,将所有检测流程整合在一个网络中,更加简洁有效。实验结果表明,在多种复杂场景的遥感图像中,该方法能够达到较高的检测精度。
  • 图  1  MDSSD检测模型的网络结构示意图

    图  2  飞机目标多尺度检测示例

    图  3  原始图像示例

    图  4  五种检测模型的ROC曲线图

    图  5  不同模型检测结果对比图

    图  6  本文检测模型的检测结果示例

    表  1  MDSSD检测模型网络参数列表

    网络层 网络层参数 输出特征图大小
    卷积层 $7 \times 7\;{\rm{conv}}$,步长2 $256 \times 256$
    密集连接1 $\left[ {1 \times 1\;{\rm{conv}},3 \times 3\;{\rm{conv}}} \right] \times 9$ $256 \times 256$
    转换层1 $1 \times 1\;{\rm{conv}}$ $256 \times 256$
    $2 \times 2$\ 平均池化,步长2 $128 \times 128$
    密集连接2 $\left[ {1 \times 1\;{\rm{conv}},3 \times 3\;{\rm{conv}}} \right] \times 9$ $128 \times 128$
    转换层2 $1 \times 1\;{\rm{conv}}$ $128 \times 128$
    $2 \times 2\ $平均池化,步长2 $64 \times 64$
    密集连接3 $\left[ {1 \times 1\;{\rm{conv}},3 \times 3\;{\rm{conv}}} \right] \times 9$ $64 \times 64$
    卷积层Conv1_1 $1 \times 1\;{\rm{conv}}$ $64 \times 64$
    卷积层Conv1_2 $3 \times 3\;{\rm{conv}}$,步长2 $32 \times 32$
    卷积层Conv2_1 $1 \times 1\;{\rm{conv}}$ $32 \times 32$
    卷积层Conv2_2 $3 \times 3\;{\rm{conv}}$,步长2 $16 \times 16$
    卷积层Conv3_1 $1 \times 1\;{\rm{conv}}$ $16 \times 16$
    卷积层Conv3_2 $3 \times 3\;{\rm{conv}}$,步长2 $8 \times 8$
    卷积层Conv4_1 $1 \times 1\;{\rm{conv}}$ $8 \times 8$
    卷积层Conv4_2 $3 \times 3\;{\rm{conv}}$,步长2 $4 \times 4$
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    表  2  常见飞机型号参数列表

    飞机型号 飞机长度(m) 飞机翼展(m) 飞机长度/翼展
    范围(m)
    F-16 15.09 9.45 10~20
    MV-22 17.50 14.00
    AH-64 17.76 14.63
    F-22 18.90 13.56
    C-130H 21.00 30.00 20~40
    P-3C 35.57 30.36
    KC-135 41.51 39.87 40~60
    B-1B 44.50 24.00
    B-52H 49.05 56.40
    C-17 53.29 50.29
    C-5 75.54 67.88 60~80
    BOEING747-8 76.40 68.50
    Antonov An 225 84.00 88.40 80~100
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    表  3  融合的特征层大小对检测性能的影响

    融合的特征层大小 AP (%)
    $64 \times 64$ $32 \times 32$ $16 \times 16$ $8 \times 8$ $4 \times 4$ $2 \times 2$
    92.07
    92.07
    87.42
    80.71
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    表  4  候选框长宽比对检测性能的影响

    候选框的长宽比 AP (%)
    $\left\{ 1 \right\}$ $\left\{ {\displaystyle\frac{1}{2},2} \right\}$ $\left\{ {\displaystyle\frac{2}{3},\frac{3}{2}} \right\}$ $\left\{ {\displaystyle\frac{1}{3},3} \right\}$
    92.07
    92.07
    90.47
    86.53
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    表  5  MDSSD与遥感领域检测模型性能对比

    目标检测模型 虚警率(%) 检测率(%)
    Bag-of-Words模型[3] 12.3 84.2
    Rotation Invariant Parts-Based模型[4] 11.7 86.2
    Saliency-Based DBN模型[5] 9.8 90.1
    ACF+Adaboost模型[6] 9.6 92.0
    MDSSD 3.2 96.3
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    表  6  3种目标检测模型性能对比

    检测模型 SSD Faster R-CNN MDSSD
    AP(%) 87.64 89.73 92.07
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-26
  • 修回日期:  2018-06-06
  • 网络出版日期:  2018-08-30
  • 刊出日期:  2018-11-01

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