基于多特征融合与对象边界联合约束网络的建筑物提取

高贤君; 冉树浩; 张广斌; 杨元维

doi:10.13203/j.whugis20210520

基于多特征融合与对象边界联合约束网络的建筑物提取

doi: 10.13203/j.whugis20210520

1 长江大学地球科学学院, 湖北武汉, 430100;
2 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京, 100045;
3 湖南科技大学测绘遥感信息工程湖南省重点实验室, 湖南湘潭, 411201

基金项目:

城市空间信息工程北京重点实验室开放基金（20210205）；城市轨道交通数字化建设与评价技术国家工程实验室开放基金（2021ZH02）；湖南科技大学测绘与遥感地理信息工程湖南省重点实验室开放基金（E22133）；海南省地球观测重点实验室开放研究基金（2020LDE001）；国家自然科学基金（41872129）。

详细信息

作者简介:
高贤君，博士，副教授，主要从事高分辨率图像目标自动识别的理论和方法研究。电子邮件：junxgao@yangtzeu.edu.cn

中图分类号: TP751.1

Building Extraction Based on Multi-feature Fusion and Object-boundary Joint Constraint Network

1 School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China;
2 Beijing Key Laboratory of Urban Spatial Information Engineering, Beijing Institute of Surveying and Mapping, Beijing 100045, China;
3 Hunan Provincial Key Laboratory of Geo-Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China

Funds:

The Open Fund of Beijing Key Laboratory of Urban Spatial Information Engineering (No.20210205)

摘要: 针对现有全卷积神经网络因光谱混杂，造成建筑物漏检和误检，以及边界缺失的问题，设计了一种基于多特征融合与对象边界联合约束网络的高分辨率遥感影像建筑物提取方法。该方法基于编解码结构，并在编码阶段末端融入连续空洞空间金字塔模块，以在不损失过多有效信息的前提下进行多尺度特征提取和融合；在解码阶段，通过实现基于对象和边界的多输出融合约束结构，为网络融入更多准确的建筑物特征并细化边界；在编码与解码阶段间的横向跳级连接中引入卷积块注意力机制，以增强有效特征。此外，解码阶段的多层级输出结果还被用于构建分段多尺度加权损失函数，实现对网络参数的精细化更新。在WHU和Massachusetts建筑物数据集上进行对比试验分析，其中IoU和F₁分数分别达到了90.44%、94.98%和72.57%、84.10%，且模型的复杂度与效率均优于MFCNN与BRRNet。
- 建筑物提取 /
- 全卷积神经网络 /
- 多尺度特征 /
- 注意力机制 /
- 联合约束
Abstract: Objectives: Accurately and automatically extracting buildings from high-resolution remote sensing images is of great significance in many aspects, such as urban planning, map data updating, emergency response, etc.The problems of missing and wrong detection of buildings and missing boundaries caused by spectrum confusion still exist in the existing full convolution neural networks (FCN). Methods: In order to overcome the limitations, a multi-feature fusion and object-boundary joint constraint network was presented in this paper. The method is based on an encoding and decoding structure. In the encoding stage, the continuous-atrous spatial pyramid module (CSPM) is positioned at the end to extract and combine multi-scale features without sacrificing too much useful information. In the decoding stage, more accurate building features are integrated into the network and the boundary is refined, by implementing the multi-output fusion constraint structure (MFCS) based on object and boundary. In the skip connection between the encoding and decoding stages, the convolutional block attention module (CBAM) is introduced to enhance the effective features. Furthermore, the multi-level output results from the decoding stage are used to build a piecewise multi-scale weighted loss function for fine network parameter updating. Results: Comparative experimental analysis was performed on the WHU and Massachusetts building datasets. The results show that:(1) The buildings extraction results proposed by the proposed method are closer to the ground truth. (2) The quantitative evaluation result is higher than the other five state-of-the-art approaches. Specifically, IoU and F₁-Score on Massachusetts and WHU building datasets reached 90.44%, 94.98%, and 72.57%, 84.10%, respectively. (3) The proposed model outperforms the MFCNN and BRRNet in both complexity and efficiency. Conclusions: The proposed method not only improves the accuracy and integrity of extraction results in spectral obfuscation buildings, but also maintains a good boundary. It has strong scale robustness.
- building extraction /
- fully convolutional neural network /
- multi-scale features /
- attention mechanism /
- joint constraint

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基于多特征融合与对象边界联合约束网络的建筑物提取

doi: 10.13203/j.whugis20210520

作者简介:
高贤君，博士，副教授，主要从事高分辨率图像目标自动识别的理论和方法研究。电子邮件：junxgao@yangtzeu.edu.cn

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1 长江大学地球科学学院, 湖北武汉, 430100;

2 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京, 100045;

3 湖南科技大学测绘遥感信息工程湖南省重点实验室, 湖南湘潭, 411201

作者简介:
高贤君，博士，副教授，主要从事高分辨率图像目标自动识别的理论和方法研究。电子邮件：junxgao@yangtzeu.edu.cn

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基于多特征融合与对象边界联合约束网络的建筑物提取

doi: 10.13203/j.whugis20210520

1 长江大学 地球科学学院, 湖北 武汉, 430100; 2 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京, 100045; 3 湖南科技大学测绘遥感信息工程湖南省重点实验室, 湖南 湘潭, 411201

作者简介: 高贤君，博士，副教授，主要从事高分辨率图像目标自动识别的理论和方法研究。电子邮件：junxgao@yangtzeu.edu.cn

English Abstract

Building Extraction Based on Multi-feature Fusion and Object-boundary Joint Constraint Network

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作者简介:
高贤君，博士，副教授，主要从事高分辨率图像目标自动识别的理论和方法研究。电子邮件：junxgao@yangtzeu.edu.cn

1 长江大学地球科学学院, 湖北武汉, 430100;

2 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京, 100045;

3 湖南科技大学测绘遥感信息工程湖南省重点实验室, 湖南湘潭, 411201

作者简介:
高贤君，博士，副教授，主要从事高分辨率图像目标自动识别的理论和方法研究。电子邮件：junxgao@yangtzeu.edu.cn