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山东大学学报 (工学版) ›› 2022, Vol. 52 ›› Issue (2): 89-98.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.300

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深度语义分割MRF模型的海洋筏式养殖信息提取

王心哲1,邓棋文1,王际潮2,范剑超3*   

  1. 1.大连工业大学信息科学与工程学院, 辽宁 大连 116034;2.香港城市大学数据科学学院, 香港 999077;3. 国家海洋环境监测中心海洋遥感技术室, 辽宁 大连 116023
  • 发布日期:2022-04-20
  • 作者简介:王心哲(1982— ),男,辽宁盘锦人,讲师,博士,主要研究方向为人工智能. E-mail:wxzagm@dlpu.edu.cn. *通信作者简介:范剑超(1985— ),男,内蒙古巴彦淖尔人,研究员,博士,主要研究方向为遥感图像智能解译. E-mail:jcfan@nmemc.org.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(42076184,41876109,41706195);高分重大科研专项(41-Y30F07-9001-20/22);国家重点研发计划(2017YFC1404902,2016YFC1401007)

Deep semantic segmentation MRF model for information extraction of marine floating raft aquaculture

WANG Xinzhe1, DENG Qiwen1, WANG Jichao2, FAN Jianchao3*   

  1. 1. School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, Liaoning, China;
    2. School of Data Science, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China;
    3. Department of Marine Remote Sensing Technology, National Marine Environment Monitoring Center, Dalian 116023, Liaoning, China
  • Published:2022-04-20

摘要: 采用无监督方法与深度学习模型结合,解决筏式养殖边缘信息精确提取问题,提出深度语义分割(semantic segmentation, SegNet)-马尔科夫随机场(Markov random field, MRF)模型,该模型提取目标空间细节信息和深度判别特征信息。通过SegNet编码器的卷积和最大池化提取筏式养殖的特征信息和扩大感受野,抑制噪声、误判等现象的产生,模型后端接入MRF模型,计算像素空间领域内的特征信息进行聚类分析来获取目标低水平的空间细节信息,在深度特征信息的基础上较大程度的保留空间特征信息,完善边缘信息并抑制连通区域的产生。试验结果表明,该模型极大减少了特征信息丢失和因海水背景而产生的误判,其分类精度高于95%,明显优于经典无监督算法和单一的深度学习模型。

关键词: 筏式养殖, 卷积神经网络, 深度学习, 马尔科夫随机场, 遥感影像

中图分类号: 

  • TP751.1
[1] 王蒙蒙,李国庆,刘逸洁,等. 近20年来山东半岛东部海水养殖水面的动态变化[J]. 应用海洋学学报, 2017, 36(3): 319-326. WANG Mengmeng, LI Guoqing, LIU Yijie, et al. Dynamic changes of mariculture areas in eastern Shandong Peninsula in recent 20 years[J]. Journal of Applied Oceanography, 2017, 36(3): 319-326.
[2] 吕兑安,程杰,莫微,等. 海水养殖污染与生态修复对策[J]. 海洋开发与管理, 2019, 36(11): 43-48. LÜ Duian, CHENG Jie, MO Wei, et al. Pollution and ecological restoration of mariculture[J]. Ocean Develo-pment and Management, 2019, 36(11): 43-48.
[3] OTTINGER Marco, CLAUSS Kersten, KUENZER Claudia. Aquaculture: relevance, distribution, impacts and spatial assessments: a review[J]. Ocean & Coastal Management, 2016, 119(6): 244-266.
[4] 刘丛力,刘世禄. 我国海水养殖业发展现状与可持续发展问题[J]. 黄渤海海洋, 2001, 19(3): 100-105. LIU Congli, LIU Shilu. Maricultural development situ-ations and sustainable development problems in China[J]. Journal of Oceanography of Huanghai & Bohai Seas, 2001, 19(3): 100-105.
[5] 胡园园,范剑超,王钧. 广义统计区域合并的SAR图像浮筏养殖信息提取[J]. 中国图象图形学报, 2017, 22(5): 610-621. HU Yuanyuan, FAN Jianchao, WANG Jun. Modifying generalized statistical region merging for unsupervised extraction of floating raft aquaculture in SAR images[J]. Journal of Image and Graphics, 2017, 22(5): 610-621.
[6] 武易天. 基于遥感影像的近海岸水产提取方法研究[D]. 北京: 中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所), 2017. WU Yitian. Research on coastal aquaculture detection using remote sensing images[D]. Beijing: University of the Chinese Academy of Sciences(Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences), 2017.
[7] 李俊杰,何隆华,戴锦芳,等. 基于遥感影像纹理信息的湖泊围网养殖区提取[J]. 湖泊科学, 2006, 18(4): 337-342. LI Junjie, HE Longhua, DAI Jinfang, et al. Extract enclosure culture in lakes based on remote sensing image texture information[J]. Journal of Lake Sciences, 2006, 18(4): 337-342.
[8] 周小成,汪小钦,向天梁. 基于ASTER影像的近海海水产养殖信息自动提取方法[J]. 湿地科学, 2006, 4(1): 64-68. ZHOU Xiaocheng, WANG Xiaoqin, XIANG Tianliang. Method of automatic extracting seaside aquaculture land based on ASTER remote sensing image[J]. Wetland Science, 2006, 4(1): 64-68.
[9] 徐珊,夏立华,彭海波,等. 基于面向对象的海水养殖模式遥感提取研究[J]. 测绘与空间地理信息, 2018, 41(5): 110-112. XU Shan, XIA Lihua, PENG Haibo, et al. Remote sensing extraction of mariculture models based on object[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2018, 41(5): 110-112.
[10] 徐桃. 基于光谱数据空间结构特征分析的遥感蚀变信息提取研究[D]. 长沙: 中南大学, 2011. XU Tao. Remote sensing alteration information extraction based on spatial structure analysis of spectral data[D]. Changsha: Central South University, 2011.
[11] 徐雯佳. 基于高分卫星影像的秦皇岛近海浮筏养殖分布遥感监测[J]. 河北渔业, 2020(4): 32-34. XU Wenjia. Remote sensing monitoring of the distribution of offshore floating raft culture in Qinhuangdao based on high-score satellite imagery[J]. Hebei Fisheries, 2020(4): 32-34.
[12] 刘岳明,杨晓梅,王志华,等. 基于深度学习RCF模型的三都澳筏式养殖区提取研究[J]. 海洋学报, 2019, 41(4): 119-130. LIU Yueming, YANG Xiaomei, WANG Zhihua, et al. Extracting raft aquaculture areas in Sanduao from high-resolution remote sensing images using RCF[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2019, 41(4): 119-130.
[13] 耿杰,范剑超,初佳兰,等. 基于深度协同稀疏编码网络的海洋筏式SAR图像目标识别[J]. 自动化学报, 2016, 42(4): 593-604. GENG Jie, FAN Jianchao, CHU Jialan, et al. Research on marine floating raft aquaculture SAR image target recognition based on deep collaborative sparse coding network[J]. Acta Automatica Sinica, 2016, 42(4): 593-604.
[14] 郑智腾,范海生,王洁,等. 改进型双支网络模型的遥感海水网箱养殖区智能提取方法[J]. 国土资源遥感, 2020, 32(4): 120-129. ZHENG Zhiteng, FAN Haisheng, WANG Jie, et al. An improved double-branch network method for intelligently extracting marine cage culture area[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2020, 32(4): 120-129.
[15] BADRINARAYANAN Vijay, KENDALL Alex, CIPOLLA Roberto. SegNet: a deep convolutional encoder-decoder architecture for image segmentation[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2017, 39(12): 2481-2495.
[16] LONG J, SHELHAMER E, DARRELL T. Fully convolutional networks for semantic segmentation[C] //Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. Massachusetts, USA: CVPR Press, 2015: 3431-3440.
[17] SIMONYAN K, ZISSERMAN A. Very deep convolutional networks for large-scale image recognition[C] //Proceedings of International Conference on Learning Representations. California, USA: ICLR Press, 2014: 1-14.
[18] 郦苏丹,张翠,王正志. 基于马尔可夫随机场的SAR图象目标分割[J]. 中国图象图形学报, 2002, 7(8): 794-799. LI Sudan, ZHANG Cui, WANG Zhengzhi. SAR target segmentation based on Markov random field[J]. Journal of Image and Graphics, 2002, 7(8): 794-799.
[19] 柴震海,秦琴,王汝笠. 马尔可夫随机场在可见光图像分割中的应用[J]. 科学技术与工程, 2006, 6(6): 768-770. CHAI Zhenhai, QIN Qin, WANG Ruli. Markov's application in visible image segmentation with the airport[J]. Science Technology and Engineering, 2006, 6(6): 768-770.
[20] 曹兰英,夏良正,张昆辉. 基于小波域MRF模型的SAR图像分割[J].东南大学(自然科学版), 2004, 34(6): 847-850. CAO Lanying, XIA Liangzheng, ZHANG Kunhui. SAR image segmentation using MRF model in wavelet domain[J]. Journal of Southeast University(Natural Sciences Edition), 2004, 34(6): 847-850.
[21] 王蕊,王常颖,李劲华. 基于数据挖掘的GF-1遥感影像绿潮自适应阈值份去智能检测方法研究[J]. 海洋学报, 2019, 41(4): 131-144. WANG Rui, WANG Changying, LI Jinhua. Study of green tide adaptive thresholds for remote sensing images based on data mining[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2019, 41(4): 131-144.
[22] 张涛,杨晓梅,童立强,等. 基于多尺度图像库的遥感影像分割参数优选方法[J] , 国土资源遥感, 2016, 28(4): 59-63. ZHANG Tao, YANG Xiaomei, TONG Liqiang, et al. Selection of best-fitting scale parameters in image segmentation based on multiscale segmentation image database[J]. Remote Sensing for Land & Resources, 2016, 28(4): 59-63.
[23] CHEN L C, PAPANDREOU G, KOKKINOS I, et al. DeepLab: semantic image segmentation with deep convolutional nets, atrous convolution, and fully connected CRFs[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2018, 40(4): 834-848.
[1] 李常刚,李宝亮,曹永吉,王佳颖. 人工智能在电力系统潮流计算中的应用综述及展望[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(5): 1-17.
[2] 周群颖,隋家成,张继,王洪元. 基于自监督卷积和无参数注意力机制的工业品表面缺陷检测[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(4): 40-47.
[3] 薛冰冰,王勇,杨维浩,王川,于迪,王旭. 基于ETC收费数据的高速公路交通流数据修复及实时预测[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(3): 58-71.
[4] 董明书,陈俐企,马川义,张珠皓,孙仁娟,管延华,庄培芝. 沥青路面内部裂缝雷达图像智能判识算法研究[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(3): 72-79.
[5] 李伟豪,王苹苹,许万博,魏本征. 结构先验引导的多模态腰椎MRI图像分割算法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2025, 55(1): 66-76.
[6] 常新功,苏敏惠,周志刚. 基于进化集成的图神经网络解释方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(4): 1-12.
[7] 索大翔,李波. 基于Gromov-Wasserstein最优传输的输电线路小目标检测方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(3): 22-29.
[8] 宋辉,张轶哲,张功萱,孟元. 基于类权重和最小化预测熵的测试时集成方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(3): 36-43.
[9] 马翔悦,徐金东,倪梦莹. 基于多尺度特征模糊卷积神经网络的遥感图像分割[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(3): 44-54.
[10] 刘新,刘冬兰,付婷,王勇,常英贤,姚洪磊,罗昕,王睿,张昊. 基于联邦学习的时间序列预测算法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(3): 55-63.
[11] 聂秀山,巩蕊,董飞,郭杰,马玉玲. 短视频场景分类方法综述[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(3): 1-11.
[12] 李璐,张志军,范钰敏,王星,袁卫华. 面向冷启动用户的元学习与图转移学习序列推荐[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(2): 69-79.
[13] 高泽文,王建,魏本征. 基于混合偏移轴向自注意力机制的脑胶质瘤分割算法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(2): 80-89.
[14] 陈成,董永权,贾瑞,刘源. 基于交互序列特征相关性的可解释知识追踪[J]. 山东大学学报 (工学版), 2024, 54(1): 100-108.
[15] 李家春,李博文,常建波. 一种高效且轻量的RGB单帧人脸反欺诈模型[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(6): 1-7.
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[1] 王素玉,艾兴,赵军,李作丽,刘增文 . 高速立铣3Cr2Mo模具钢切削力建模及预测[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 1 -5 .
[2] 李 侃 . 嵌入式相贯线焊接控制系统开发与实现[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 37 -41 .
[3] 孔祥臻,刘延俊,王勇,赵秀华 . 气动比例阀的死区补偿与仿真[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 99 -102 .
[4] 来翔 . 用胞映射方法讨论一类MKdV方程[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 87 -92 .
[5] 余嘉元1 , 田金亭1 , 朱强忠2 . 计算智能在心理学中的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 1 -5 .
[6] 陈瑞,李红伟,田靖. 磁极数对径向磁轴承承载力的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(2): 81 -85 .
[7] 王波,王宁生 . 机电装配体拆卸序列的自动生成及组合优化[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 52 -57 .
[8] 李可,刘常春,李同磊 . 一种改进的最大互信息医学图像配准算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 107 -110 .
[9] 季涛,高旭,孙同景,薛永端,徐丙垠 . 铁路10 kV自闭/贯通线路故障行波特征分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 111 -116 .
[10] 浦剑1 ,张军平1 ,黄华2 . 超分辨率算法研究综述[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 27 -32 .