地球信息科学学报 ›› 2022, Vol. 24 ›› Issue (8): 1631-1644.doi: 10.12082/dqxxkx.2022.210766
• 遥感科学与应用技术 • 上一篇
收稿日期:
2021-11-30
修回日期:
2022-03-07
出版日期:
2022-08-25
发布日期:
2022-10-25
通讯作者:
*于 英(1985— ),男,辽宁本溪人,博士,主要从事遥感影像智能处理。E-mail: yuying5559104@163.com作者简介:
闵 杰(1997— ),男,陕西西安人,硕士生,主要从事智能遥感处理与应用研究。E-mail: v478194583@163.com
基金资助:
MIN Jie(), ZHANG Yongsheng, YU Ying(
), LV Kefeng, WANG Ziquan, ZHANG Lei
Received:
2021-11-30
Revised:
2022-03-07
Online:
2022-08-25
Published:
2022-10-25
Contact:
YU Ying
Supported by:
摘要:
遥感影像是地形测绘、三维重建等任务的主要数据源之一,分辨率影响着被测目标在影像上的表示能力,对后期三维模型的定位精度及重建效果起着重要作用。针对遥感影像像幅较大且目标特征表现复杂、细节丰富的特点,结合实景三维模型重建的需求,提出了一种增强型遥感影像SRGAN算法。克服了传统方法进行超分重建时易出现边缘效应、产生模糊重建的情况,改进了简单卷积网络仅能提取影像中较为浅层的特征信息,无法在提高分辨率的同时保留影像丰富细节的局限。本文所提算法在生成模型中使用密集剩余残差块进行深层特征提取,在判别模型中引入多尺度判别思想,从而保证遥感影像重建时特征纹理、细节信息、高频目标的完整与精确。实验构建不同时间、不同类型区域的遥感影像数据集,在此基础上将本文算法与Bicubic、SRGAN、ESRGAN算法进行对比分析,在超分重建中PSNR较对比算法提升约3个单位,渗透指数PI更趋向且稳定于1,SSIM与清晰度指标Q同样得到较好改善;在三维重建中影像密集匹配点数量得到提升,同时误差减少,模型精细程度和定位精度得到提高。结果表明,本文算法适用于遥感影像超分辨率重建问题,并在实景三维模型重建中对精度的提升表现较好。
闵杰, 张永生, 于英, 吕可枫, 王自全, 张磊. 增强型遥感影像SRGAN算法及其在三维重建精度提升中的应用[J]. 地球信息科学学报, 2022, 24(8): 1631-1644.DOI:10.12082/dqxxkx.2022.210766
MIN Jie, ZHANG Yongsheng, YU Ying, LV Kefeng, WANG Ziquan, ZHANG Lei. Enhanced Remote Sensing Image SRGAN Algorithm and Its Application in Improving the Accuracy of 3D Reconstruction[J]. Journal of Geo-information Science, 2022, 24(8): 1631-1644.DOI:10.12082/dqxxkx.2022.210766
表2
SR重建训练与验证实验数据集
数据集 | 指标 | 内容 | 展示图 |
---|---|---|---|
数据集1 | 时间 | 2014年夏季5月 | ![]() |
覆盖区域 | 登封嵩山遥感卫星定标场 | ||
影像数量/幅 | 176 | ||
飞行航高/m | 200 | ||
镜头焦距/mm | 15 | ||
传感器大小/mm | 23.52×15.68 | ||
影像分辨率(尺寸)/像素 | 6000×4000 | ||
影像像素大小/um | 3.92 | ||
数据集2 | 时间 | 2017年夏季9月 | ![]() |
覆盖区域 | 登封雪沟及其周边地区 | ||
影像数量/幅 | 191 | ||
飞行航高/m | 1220 | ||
镜头焦距/mm | 35 | ||
传感器大小/mm | 35.00×23.35 | ||
影像分辨率(尺寸)/像素 | 7952×5304 | ||
影像像素大小/um | 4.40 | ||
数据集3 | 时间 | 2017年冬季12月 | ![]() |
覆盖区域 | 登封雪沟及其周边地区 | ||
影像数量/幅 | 206 | ||
飞行航高/m | 1255 | ||
镜头焦距/mm | 35 | ||
传感器大小/mm | 35.00×23.35 | ||
影像分辨率(尺寸)/像素 | 7952×5304 | ||
影像像素大小/um | 4.40 | ||
数据集4 | 时间 | 2018年夏季5月 | ![]() |
覆盖区域 | 郑州市某校区 | ||
影像数量/幅 | 55 | ||
飞行航高/m | 90 | ||
镜头焦距/mm | 35 | ||
传感器大小/mm | 36×24 | ||
影像分辨率(尺寸)/像素 | 6000×4000 | ||
影像像素大小/um | 6.00 | ||
数据集5 | 时间 | 2016年夏季9月 | ![]() |
覆盖区域 | 郑州市某独立建筑 | ||
影像数量/幅 | 496 | ||
飞行航高/m | 90 | ||
镜头焦距/mm | 3.5 | ||
传感器大小/mm | 6.32×4.74 | ||
影像分辨率(尺寸)/像素 | 4000×3000 | ||
影像像素大小/um | 1.58 | ||
数据集6 | 时间 | 2021年秋季10月 | ![]() |
覆盖区域 | 沈阳市某校区 | ||
影像数量/幅 | 390×5 | ||
飞行航高/m | 153 | ||
镜头焦距/mm | 下视25,前后左右侧视35 | ||
传感器大小/mm | 下视30.78×20.52,前后左右侧视42.81×28.54 | ||
影像分辨率(尺寸)/像素 | 6000×4000 | ||
影像像素大小/um | 下视5.13,前后左右侧视7.14 |
表3
4种SR算法评价指标数值(均值)对比
算法 | Bicubic[ | SRGAN[ | ESRGAN[ | 增强型SRGAN | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
评价指标 | 放大因子 | DF1000 | DB_x | DB_q | DF1000 | DB_x | DB_q | DF1000 | DB_x | DB_q | DF1000 | DB_x | DB_q |
PSNR | ×2 | 20.32 | 21.07 | 20.97 | 25.47 | 29.17 | 26.64 | 25.39 | 28.01 | 28.13 | 25.43 | 28.14 | 29.43 |
×4 | 23.14 | 26.21 | 24.32 | 31.02 | 29.95 | 28.46 | 30.34 | 34.96 | 34.11 | 30.78 | 35.07 | 34.11 | |
SSIM | ×2 | 0.53 | 0.48 | 0.43 | 0.51 | 0.63 | 0.52 | 0.62 | 0.69 | 0.70 | 0.69 | 0.72 | 0.71 |
×4 | 0.56 | 0.66 | 0.70 | 0.90 | 0.78 | 0.78 | 0.86 | 0.87 | 0.84 | 0.89 | 0.90 | 0.89 | |
PI | ×2 | 23.87 | 22.67 | 23.71 | 1.48 | 0.67 | 0.55 | 1.36 | 1.14 | 1.09 | 1.31 | 1.07 | 1.11 |
×4 | 25.56 | 23.47 | 27.32 | 1.66 | 0.48 | 0.61 | 1.23 | 1.27 | 1.10 | 1.19 | 1.21 | 1.09 | |
Q | ×2 | 4.13 | 4.07 | 4.00 | 5.44 | 5.37 | 5.80 | 5.89 | 6.12 | 5.88 | 5.91 | 6.18 | 5.92 |
×4 | 4.34 | 3.98 | 4.03 | 5.69 | 5.72 | 5.75 | 6.00 | 6.03 | 6.11 | 6.12 | 6.29 | 6.22 |
表5
各SR算法三维模型重建点位精度对比
HR | Bicubic | SRGAN | ESRGAN | 增强型SRGAN | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
P1 | (391.44, 437.50, 54.74) | (387.41, 429.37, 51.09) | (388.37, 435.42, 50.97) | (392.49, 435.55, 51.92) | (390.47, 436.01, 55.91) | ||||||||||
P2 | (414.69, 681.50, 61.82) | (416.78, 688.79, 58.79) | (419.03, 678.69, 57.64) | (413.04, 683.93, 63.87) | (415.81, 682.47, 60.01) | ||||||||||
P3 | (267.69, 381.00, 57.34) | (263.14, 377.35, 60.19) | (264.83, 385.01, 60.03) | (265.97, 383.71, 55.46) | (266.03, 382.64, 59.43) | ||||||||||
P4 | (293.63, 541.52, 54.28) | (296.19, 537.99, 47.39) | (297.97, 543.979, 50.97) | (291.68, 539.98, 51.49) | (294.84, 543.87, 51.86) | ||||||||||
P5 | (352.19, 466.13, 118.53) | (353.46, 469.37, 108.42) | (350.29, 462.18, 112.49) | (354.40, 464.71, 115.51) | (350.97, 467.71, 120.03) | ||||||||||
△X | △Y | △Z | △X | △Y | △Z | △X | △Y | △Z | △X | △Y | △Z | ||||
平均误差 | 2.90 | 5.17 | 5.31 | 3.30 | 3.06 | 4.00 | 1.72 | 2.01 | 2.51 | 1.24 | 1.61 | 1.80 | |||
最大误差 | 4.03 | 8.13 | 10.11 | 4.34 | 4.01 | 6.04 | 2.21 | 2.71 | 3.02 | 1.67 | 2.35 | 2.42 |
[1] | 张春森, 张卫龙, 郭丙轩, 等. 倾斜影像的三维纹理快速重建[J]. 测绘学报, 2015, 44(7):782-790. |
[ Zhang C S, Zhang W L, Guo B X, et al. Rapidly 3D texture reconstruction based on oblique photography[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(7):782-790. ] DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20140341
doi: 10.11947/j.AGCS.2015.20140341 |
|
[2] | 王冬, 丁奥, 施银迪, 等. 基于倾斜摄影测量的油库精细三维建模方法研究[J]. 测绘与空间地理信息, 2021, 44(5):8-11,16. |
[ Wang D, Ding A, Shi Y D, et al. Research on precise three-dimensional modeling method of oil depot based on tilt photogrammetry[J]. Geomatics & Spatial Information Technology, 2021, 44(5):8-11,16. ] DOI: 10.3969/j.issn.1672-5867.2021.05.003
doi: 10.3969/j.issn.1672-5867.2021.05.003 |
|
[3] |
Leonardo G, Olga R P B and Luciano S. 3D reconstruction methods for digital preservation of cultural heritage: A survey[J]. Pattern Recognition Letters, 2014, 50:3-14. DOI: 10.1016/j.patrec.2014.03.023
doi: 10.1016/j.patrec.2014.03.023 |
[4] | 李德仁, 肖雄武, 郭丙轩, 等. 倾斜影像自动空三及其在城市真三维模型重建中的应用[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2016, 41(6):711-721. |
[ Li D R, Xiao X W, Guo B X, et al. Oblique image based automatic aerotriangulation and its application in 3D city model reconstruction[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(6):711-721. ] DOI: 10.13203/j.whugis20160099
doi: 10.13203/j.whugis20160099 |
|
[5] |
Hu H, Zhu Q, Du Z, et al. Reliable Spatial Relationship Constrained Feature Point Matching of Oblique Aerial Images[J]. Photogrammetric Engineering&Remote Sensing, 2015, 81(1):49-58. DOI: 10.14358/PERS.81.1.49
doi: 10.14358/PERS.81.1.49 |
[6] |
Hartley R, Zisserman A. Multiple view geometry in computer vision: Two-view geometry[J]. 2004,(PART II):237-238. DOI: 10.1017/CBO9780511811685.013
doi: 10.1017/CBO9780511811685.013 |
[7] | 肖雄武, 李德仁, 郭丙轩, 等. 一种具有视点不变性的倾斜影像快速匹配方法[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2016, 41(9):1151-1159. |
[ Xiao X W, Li D R, Guo B X, et al. A robust and rapid viewpoint-invariant matching method for oblique images[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2016, 41(9):1151-1159. ] DOI: 10.13203/j.whugis20140405
doi: 10.13203/j.whugis20140405 |
|
[8] | 李德仁, 袁修孝. 误差处理与可靠性理论:第2版[M]武汉大学出版社, 2012:44-62. |
[ Li D R, Yuan X X. Error Processing and Reliability Theory: Second Edition[M]. Wuhan University Press, 2012:44-62. ] | |
[9] | Tsai R Y, Huang T S. Multi-frame image restoration and registration[J]. Advances in Computer Vision and Image Processing, 1984, 1:317-339. |
[10] |
Harris J L. Diffraction and resolving Powerp[J]. Journal of the Optical Society of America, 1964, 54(7):931-933. DOI: 10.1364/josa.54.000931
doi: 10.1364/josa.54.000931 |
[11] |
Goodman J W, Gustafson S C, Reviewer. Introduction to fourier optics, second edition[J]. Optical Engineering, 1996, 35(5):1513-1515. DOI: 10.1117/1.601121
doi: 10.1117/1.601121 |
[12] | 李欣, 韦宏卫, 张洪群. 结合深度学习的单幅遥感图像超分辨率重建[J]. 中国图象图形学报, 2018, 23(2):209-218. |
[ Li X, Wei H W, Zhang H Q. Super-resolution reconstruction of single remote sensing image combined with deep learning[J]. Journal of Image and Graphics, 2018, 23(2):209-218. ] DOI: 10.11834/jig.170194
doi: 10.11834/jig.170194 |
|
[13] |
Dong C, Loy C C, He K, et al. Learning a deep convolutional network for image super-resolution[A].European Conference on Computer Vision[C]. Springer, Cham, 2014:184-199. DOI: 10.1007/978-3-319-10593-2_13
doi: 10.1007/978-3-319-10593-2_13 |
[14] |
唐艳秋, 潘泓, 朱亚平, 等. 图像超分辨率重建研究综述[J]. 电子学报, 2020, 48(7):1407-1420.
doi: 10.3969/j.issn.0372-2112.2020.07.022 |
[ Tang Y Q, Pan H, Zhu Y P, et al. A survey of image super-resolution reconstruction[J]. Acta Electronica Sinica, 2020, 48(7):1407-1420. ] DOI: 10.3969/j.issn.0372-2112.2020.07.022
doi: 10.3969/j.issn.0372-2112.2020.07.022 |
|
[15] |
Ledig C, Theis L, F Huszar, et al. Photo- realistic single image super-resolution using a generative adversarial Network[C]. 2017 IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). New York:IEEE, 2017:105-114. DOI: 10.1109/CVPR.2017.19
doi: 10.1109/CVPR.2017.19 |
[16] |
Wang X, Yu K, Wu S, et al. ESRGAN: Enhanced super-resolution generative adversarial networks[C]. Computer Vision -- ECCV 2018 Workshops. Cham: Springer International Publishing, 2018:63-79. DOI: 10.1007/978-3-030-11021-5_5
doi: 10.1007/978-3-030-11021-5_5 |
[17] | 毕晓君, 潘梦迪. 基于生成对抗网络的机载遥感图像超分辨率重建[J]. 智能系统学报, 2020, 15(1):74-83. |
[ Bi X J, Pan M D. Super-resolution reconstruction of airborne remote sensing images based on the generative adversarial networks[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2020, 15(1):74-83. ] DOI: CNKI:SUN:ZNXT.0.2020-01-014
doi: CNKI:SUN:ZNXT.0.2020-01-014 |
|
[18] |
Radford A, Metz L, Chintala S. Unsupervised representation learning with deep convolutional generative adversarial networks[J]. Computer ence, 2015. DOI: 10.48550/arXiv.1511.06434
doi: 10.48550/arXiv.1511.06434 |
[19] |
Wang Z, Bovik A C, Sheikh H R, et al. Image quality assessment: from error visibility to structural similarity[J]. IEEE Transactions on Image Processing, 2004, 13(4):600-612. DOI: 10.1016/j.jvcir.2019.102655
doi: 10.1016/j.jvcir.2019.102655 |
[20] | 范冲, 龚健雅, 朱建军, 等. ALOS-PRISM遥感影像超分辨率重建[J]. 遥感学报, 2009, 13(1):75-82. |
[ Fan C, Gong J Y, Zhu J J, et al. Super-resolution reconstruction of ALOS-PRISM remote sensing images[J]. National Remote Sensing Bulletin, 2009, 13(1):75-82. ] DOI: 10.3321/j.issn:1007-4619.2009.01.010
doi: 10.3321/j.issn:1007-4619.2009.01.010 |
|
[21] |
Keys R G. Cubic convolution interpolation for digital image processing[J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 2003, 29(6):1153-1160. DOI: 10.1109/TASSP.1981.1163711
doi: 10.1109/TASSP.1981.1163711 |
[1] | 张文元, 陈江媛, 谈国新. 基于3D基元拟合的复杂屋顶点云三维重建[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(8): 1531-1545. |
[2] | 左溪冰, 刘智, 金飞, 林雨准, 王淑香, 刘潇, 李美霖. 面向高光谱影像小样本分类的全局-局部特征自适应融合方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(8): 1699-1716. |
[3] | 林娜, 何静, 王斌, 唐菲菲, 周俊宇, 郭江. 结合植被光谱特征与Sep-UNet的城市植被信息智能提取方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(8): 1717-1729. |
[4] | 张春菊, 刘文聪, 张雪英, 叶鹏, 汪陈, 朱少楠, 张达玉. 基于本体的金矿知识图谱构建方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(7): 1269-1281. |
[5] | 张彤, 刘仁宇, 王培晓, 高楚林, 刘杰, 王望舒. 感知物理先验的机器学习及其在地理空间智能中的研究前景[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(7): 1297-1311. |
[6] | 曹兴文, 吴孟泉, 郑雪婷, 郑宏伟, 李映祥, 张安安. 室内空间布局约束下的在线跟踪注册学习方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(7): 1418-1431. |
[7] | 赵丹, 杜萍, 刘涛, 令振飞. 融合图自编码器与GRU的城市盗窃犯罪时空分布预测模型[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(7): 1448-1463. |
[8] | 金广垠, 沙恒宇, 张金雷, 黄金才. 基于路段-路口联合建模的对偶图卷积网络的行程时间估计方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(7): 1500-1513. |
[9] | 刘潇, 刘智, 林雨准, 王淑香, 左溪冰. 面向遥感影像场景分类的类中心知识蒸馏方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(5): 1050-1063. |
[10] | 侯慧太, 蓝朝桢, 徐青. 基于卫星影像全局和局部深度学习特征检索的无人机绝对定位方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(5): 1064-1074. |
[11] | 张金雷, 陈奕洁, Panchamy Krishnakumari, 金广垠, 王骋程, 杨立兴. 基于注意力机制的城市轨道交通网络级多步短时客流时空综合预测模型[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(4): 698-713. |
[12] | 衡雪彪, 许捍卫, 唐璐, 汤恒, 许怡蕾. 基于改进全卷积神经网络模型的土地覆盖分类方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(3): 495-509. |
[13] | 于方圆, 曹家玮, 李发源, 李思进. 顾及对象特征的地面式光伏电站提取及减碳效益评估[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(3): 529-545. |
[14] | 高建文, 管海燕, 彭代锋, 许正森, 康健, 季雅婷, 翟若雪. 基于局部-全局语义特征增强的遥感影像变化检测网络模型[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(3): 625-637. |
[15] | 陈凯, 雷少华, 代文, 王春, 刘爱利, 李敏. 基于开源数据和条件生成对抗网络的地形重建方法[J]. 地球信息科学学报, 2023, 25(2): 252-264. |
|