改进Mask R-CNN模型的海洋锋检测

作者：徐慧芳; 黄冬梅^*; 贺琪; 杜艳玲; 覃学标

来源：中国图象图形学报, 2021, 26(12): 2981-2990.

• 深度学习
• Mask R-CNN
• 弱边缘性
• 图像增强
• 海洋锋检测

目的海洋锋的高效检测对海洋生态环境变化、渔业资源评估、渔情预报及台风路径预测等具有重要意义。海洋锋具有边界信息不明显且多变的弱边缘性,传统基于梯度阈值法及边缘检测的海洋锋检测方法,存在阈值选择不固定、判定指标不一致导致检测精度较低的问题。针对上述问题,基于Mask R-CNN(region convolutional neural network)提出一种改进的海洋锋自动检测方法。方法兼顾考虑海洋锋的小数据量及弱边缘性,首先对数据扩增,并基于不同算法对海表温度(sea surface temperatures,SST)遥感影像进行增强;其次,基于迁移学习的思想采用COCO(common objects in context)数据集对网络模型进行初始化;同时,对Mask R-CNN中残差神经网络(residual neural network,ResNet)和特征金字塔模型(feature pyramid network,FPN)分别进行改进,在充分利用低层特征高分辨率和高层特征的高语义信息的基础上,对多个尺度的融合特征图分别进行目标预测,提升海洋锋的检测精度。结果为验证本文方法的有效性,从训练数据和实验模型上分别设计多组对比实验。实验结果表明,相比常用的Mask R-CNN和YOLOv3(you only look once)神经网络,本文方法对SST梯度影像数据集上的海洋锋检测效果最好,海洋锋的定位准确率(intersection over union,IoU)及检测平均精度均值(mean average precision,mAP)达0.85以上。此外,通过对比分析实验结果发现,本文方法对强海洋锋的检测效果明显优于弱海洋锋。结论本文根据专家经验设立合理的海洋锋检测标准,更好地考虑了海洋锋的弱边缘性。通过设计多组对比实验,验证了本文方法对海洋锋的高精度检测效果。

• 出版日期2021
• 单位上海电力大学; 上海建桥学院; 上海海洋大学