基于概率转移卷积神经网络的含噪标记SAR图像分类

赵娟萍 郭炜炜 柳彬 崔世勇 张增辉 郁文贤

赵娟萍, 郭炜炜, 柳彬, 崔世勇, 张增辉, 郁文贤. 基于概率转移卷积神经网络的含噪标记SAR图像分类[J]. 雷达学报, 2017, 6(5): 514-523. doi: 10.12000/JR16140
引用本文: 赵娟萍, 郭炜炜, 柳彬, 崔世勇, 张增辉, 郁文贤. 基于概率转移卷积神经网络的含噪标记SAR图像分类[J]. 雷达学报, 2017, 6(5): 514-523. doi: 10.12000/JR16140
Zhao Juanping, Guo Weiwei, Liu Bin, Cui Shiyong, Zhang Zenghui, Yu Wenxian. Convolutional Neural Network-based SAR Image Classification with Noisy Labels[J]. Journal of Radars, 2017, 6(5): 514-523. doi: 10.12000/JR16140
Citation: Zhao Juanping, Guo Weiwei, Liu Bin, Cui Shiyong, Zhang Zenghui, Yu Wenxian. Convolutional Neural Network-based SAR Image Classification with Noisy Labels[J]. Journal of Radars, 2017, 6(5): 514-523. doi: 10.12000/JR16140

基于概率转移卷积神经网络的含噪标记SAR图像分类

DOI: 10.12000/JR16140
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(61331015),中国博士后基金项目(2015M581618)
详细信息
    作者简介:

    郭炜炜(1983–),男,江苏南通人,博士,分别于2005年、2007年和2011年获国防科技大学信息与通信工程专业学士、硕士和博士学位。2014年至今,在上海交通大学电子信息与电气工程学院做博士后。主要从事图像理解、模式识别与机器学习等方面的研究。E-mail: gwnudt@163.com

    柳 彬(1985–),男,湖南衡阳人,博士,助理研究员,分别于2007年、2009年和2015年获上海交通大学信息工程、信号与信息处理和信号与信息处理学士、硕士和博士学位。2012年10月至2013年4月在法国巴黎高科电信学院访问研究。2015年12月,任上海交通大学电信学院信息技术与电气工程研究院助理研究员。主要从事雷达图像的分割分类、目标检测识别、多时相分析等方面的研究。E-mail: bliu.rsti@sjtu.edu.cn

    通讯作者:

    张增辉   zenghui.zhang@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TN957.52

Convolutional Neural Network-based SAR Image Classification with Noisy Labels

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61331015), The China Postdoctoral Science Foundation (2015M581618)
  • 摘要: 合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)图像分类是SAR图像解译的重要任务。以卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)为代表的监督学习方法需要大量已标注的训练样本。然而对于SAR图像真值标注而言,由于SAR特殊的成像机理,图像受相干斑噪声、几何畸变和结构缺失等因素影响较为严重,非直观性较强,使得SAR图像人工标注非常困难,极易出错,从而导致CNN等模型学习和泛化性能急剧降低。针对这种含噪标记条件下的SAR图像分类问题,该文提出了一种基于概率转移模型的卷积神经网络(Probability Transition CNN, PTCNN)方法,该方法在传统CNN模型基础上,基于含噪标记与正确标记之间的概率转移模型,建立噪声标记转移层,这种新的卷积网络模型可潜在地校正错误标记,增强了含噪标记下分类模型的鲁棒性。与经典CNN等模型相比,在构建的16类SAR图像地物数据集和MSTAR数据集上的实验结果表明该文方法相比于经典CNN等模型,在保持SAR图像分类性能的同时具有较好的抗噪性,能够有效校正训练样本中的标注错误,从而降低了SAR图像有监督分类任务对样本标注质量的要求,具有一定的研究价值与应用前景。

     

  • 图  1  概率转移卷积神经网络

    Figure  1.  Probability transition convolutional neural network

    图  2  SAR图像含噪标记模型

    Figure  2.  Model of SAR image noisy labels

    图  3  深度特征提取网络结构

    Figure  3.  Deep feature extraction structure

    图  4  分类准确率随噪声比例变化曲线

    Figure  4.  Classification accuracy varies with noise fraction

    图  5  类别噪声比例为30%时3种方法的测试混淆矩阵

    Figure  5.  Confusion matrix of three method with 30% noise fraction

    图  6  不同标记噪声比例下3种方法的特征分布

    Figure  6.  Feature distribution of three method with different noise label fractions

    表  1  TerraSAR-X卫星成像参数

    Table  1.   TerraSAR-X satellite imaging parameters

    参数 武汉地区 上海交大闵行校区
    产品类型 MGD Level 1b SSC Level 1b
    成像模式 Spotlight Staring spotlight
    图像尺寸/地距向(pixel)×方位向(pixel) 7500×8000 18299×7880
    像元大小/地距向(m)×方位向(m) 1.60×1.27 0.71×0.17
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    表  2  SAR图像地物分类训练与测试数据集

    Table  2.   Training and testing set for SAR image land cover classification

    地物分类数据集 训练集 测试集
    港口 112 76
    稀疏建筑区 247 169
    池塘 168 112
    桥梁 180 120
    湿地 233 155
    舰船 146 98
    小溪 264 176
    公路 91 61
    运动场 127 85
    沙滩 247 165
    密集建筑区 274 182
    河流 101 67
    森林 62 42
    道路 192 128
    绿化带 461 307
    水体 293 195
    总计 3198 2138
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    表  3  用于训练和测试的MSTAR数据集

    Table  3.   Training and testing set of MSTAR database

    MSTAR数据集 训练集 测试集
    2S1 299 274
    BMP2_C21 233 196
    BRDM_2 298 274
    BTR_60 256 195
    BTR_70 233 196
    D7 299 274
    T62 299 273
    T72_132 232 196
    ZIL131 299 274
    ZSU_23_4 299 274
    总计 2747 2426
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    表  4  不同标记噪声比例下的地物分类准确率(%)

    Table  4.   Land cover classification accuracies of different label noise fraction (%)

    噪声比例 PTCNN CNN Gabor+SVM
    0 98.94 96.62 94.05
    10 98.61 93.14 84.35
    20 98.80 86.23 78.07
    30 98.79 85.22 71.93
    40 98.89 76.99 62.93
    50 98.61 69.85 52.86
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    表  5  不同标记噪声比例下MSTAR车辆目标分类准确率(%)

    Table  5.   Classification accuracies of MSTAR vehicle target with different noise fractions (%)

    噪声比例 PTCNN CNN PCA+SVM
    0 97.76 96.92 84.67
    10 97.00 93.48 71.39
    20 96.76 89.48 63.07
    30 96.00 84.40 56.80
    40 95.43 80.36 51.90
    50 95.30 68.68 41.92
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-06
  • 修回日期:  2017-04-07
  • 网络出版日期:  2017-10-28

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