TensorFlow实现Unet遥感图像分割

本文介绍了如何使用TensorFlow构建Unet模型,用于遥感图像中的道路分割任务。通过左半部分的下采样提取高维特征,右半部分的上采样融合实现精确道路与背景区分,展示了从数据预处理到模型训练及推理的完整流程。

Unet是一种U型网络,分为左右两部分卷积,左边为下采样提取高维特征,右边为上采样并与左侧融合实现图像分割。这里使用TensorFlow实现Unet网络,实现对遥感影像的道路分割。

训练数据:

标签图像:

 

Unet实现:

import tensorflow as tf
import numpy as np
import cv2
import glob
import itertools

class UNet:
    def __init__(
            self,
            input_width,
            input_height,
            num_classes,
            train_images,
            train_instances,
            val_images,
            val_instances,
            epochs,
            lr,
            lr_decay,
            batch_size,
            save_path
    ):
        self.input_width = input_width
        self.input_height = input_height
        self.num_classes = num_classes
        self.train_images = train_images
        self.train_instances = train_instances
        self.val_images = val_images
        self.val_instances = val_instances
        self.epochs = epochs
        self.lr = lr
        self.lr_decay = lr_decay
        self.batch_size = batch_size
        self.save_path = save_path

    def leftNetwork(self, inputs):
        x = tf.keras.layers.Conv2D(64, (3, 3), padding='valid', activation='relu')(inputs)
        o_1 = tf.keras.layers.Conv2D(64, (3, 3), padding='valid', activation='relu')(x)
        x = tf.keras.layers.MaxPooling2D(pool_size=(2,2), strides=(2, 2))(o_1)

        x = tf
### TensorFlow实现UNet遥感图像分割 #### UNet架构概述 UNet 是一种经典的 U 形卷积神经网络结构,广泛应用于医学图像处理和遥感图像分割等领域。其核心设计由两个主要部分组成:编码器(Encoder)用于逐步降低空间分辨率并提取高层次特征;解码器(Decoder)则通过上采样恢复原始输入的空间维度,并与编码器对应的低层特征图融合以增强细节信息[^1]。 #### 使用TensorFlow构建UNet模型 以下是基于 TensorFlow 和 Keras 的 UNet 架构实现代码: ```python import tensorflow as tf from tensorflow.keras import layers, models def unet_model(input_size=(256, 256, 3)): inputs = layers.Input(input_size) # Encoder (Downsampling Path) conv1 = layers.Conv2D(64, 3, activation='relu', padding='same')(inputs) conv1 = layers.Conv2D(64, 3, activation='relu', padding='same')(conv1) pool1 = layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))(conv1) conv2 = layers.Conv2D(128, 3, activation='relu', padding='same')(pool1) conv2 = layers.Conv2D(128, 3, activation='relu', padding='same')(conv2) pool2 = layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))(conv2) conv3 = layers.Conv2D(256, 3, activation='relu', padding='same')(pool2) conv3 = layers.Conv2D(256, 3, activation='relu', padding='same')(conv3) pool3 = layers.MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))(conv3) # Bottleneck Layer conv4 = layers.Conv2D(512, 3, activation='relu', padding='same')(pool3) conv4 = layers.Conv2D(512, 3, activation='relu', padding='same')(conv4) # Decoder (Upsampling Path) up5 = layers.UpSampling2D(size=(2, 2))(conv4) merge5 = layers.Concatenate()([conv3, up5]) conv5 = layers.Conv2D(256, 3, activation='relu', padding='same')(merge5) conv5 = layers.Conv2D(256, 3, activation='relu', padding='same')(conv5) up6 = layers.UpSampling2D(size=(2, 2))(conv5) merge6 = layers.Concatenate()([conv2, up6]) conv6 = layers.Conv2D(128, 3, activation='relu', padding='same')(merge6) conv6 = layers.Conv2D(128, 3, activation='relu', padding='same')(conv6) up7 = layers.UpSampling2D(size=(2, 2))(conv6) merge7 = layers.Concatenate()([conv1, up7]) conv7 = layers.Conv2D(64, 3, activation='relu', padding='same')(merge7) conv7 = layers.Conv2D(64, 3, activation='relu', padding='same')(conv7) outputs = layers.Conv2D(1, 1, activation='sigmoid')(conv7) model = models.Model(inputs=inputs, outputs=outputs) return model ``` 此代码定义了一个标准的 UNet 结构,其中 `input_size` 参数可以根据实际需求调整遥感图像的尺寸和通道数。 #### 数据预处理与训练流程 为了有效利用 UNet 进行遥感图像分割,通常需要完成以下步骤: 1. **数据准备**:收集标注好的遥感图像及其对应的目标掩膜(Mask),并将它们划分为训练集、验证集和测试集。 2. **标准化/归一化**:对像素值进行缩放操作以便更好地收敛,例如将 RGB 图像范围从 `[0, 255]` 转换到 `[0, 1]` 或者 `[-1, 1]`。 3. **损失函数选择**:对于二分类任务可选用 Binary Cross Entropy Loss,而对于多类别分割可以考虑 Categorical Cross Entropy 或 Dice Coefficient 损失函数[^2]。 4. **优化器配置**:推荐 Adam Optimizer 来加速梯度下降过程。 #### 改进版UNet的应用实例 针对城市区域内的复杂背景干扰问题,有研究提出了改进型 UNet 方法,在传统框架基础上引入注意力机制或者 Transformer 技术提升性能表现[^3]。这些创新能够帮助捕捉更精细的地物边界以及减少误判率。
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