摘 要：遙感影像變化檢測任務(wù)是遙感領(lǐng)域的研究重心之一，目前大多為深度學(xué)習(xí)方法，主要采用單通道或?qū)\生網(wǎng)絡(luò)提取特征，能夠較為有效地提取變化特征。但是隨著遙感影像分辨率的不斷升高，單一化的特征提取方式易受無關(guān)細(xì)節(jié)信息的影響，從而導(dǎo)致檢測結(jié)果中變化和未變化區(qū)域分割能力不足。為此，提出一種全新的三通道區(qū)域增強變化檢測網(wǎng)絡(luò)，從多個角度增強特征提取能力。首先構(gòu)建了三通道區(qū)域增強編碼器，利用三個特征提取通道定向提取相似性信息、全面性信息和差異性信息，并且在編碼器每個層級使用區(qū)域分離增強模塊，能夠?qū)⑼ǖ?和3增強通道2，有利于取得更好的變化區(qū)域分割效果；其次設(shè)計了層級交互指導(dǎo)融合解碼器，通過高層級特征和低層級特征之間的交互指導(dǎo)，實現(xiàn)不同層級特征間的有效融合；最后使用基于信息熵的自適應(yīng)權(quán)重來優(yōu)化損失函數(shù)，通過給高熵區(qū)域更多的關(guān)注，來改善網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練過程。在常用數(shù)據(jù)集上的實驗結(jié)果表明，與對比網(wǎng)絡(luò)相比，所提網(wǎng)絡(luò)能夠取得更優(yōu)的檢測精度。

關(guān)鍵詞：遙感； 變化檢測； 深度學(xué)習(xí)； 區(qū)域增強； 層級交互

中圖分類號：TP751.1 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695（2024）11-041-3484-06

doi： 10.19734/j.issn.1001-3695.2024.01.0067

TRNet： triple-channel region-enhancement network for change detection based on remote sensing image

Shi Weichao^{a， b}， Song Baogui^{a， b}， Guan Zongsheng^{a， b}， Qin Daolong^{a， b} ， Shao Pan^{a， b?}

（a. Hubei Key Laboratory of Intelligent Vision Based Monitoring for Hydroelectric Engineering， b. College of Computer amp; Information Technology， China Three Gorges University， Yichang Hubei 443002， China）

Abstract：Remote sensing image change detection is one of the research focuses in the field of remote sensing. At present， most of them are deep learning methods， which mainly use single channel or siamese network to extract features， which can effectively extract change features. However， with the increasing resolution of remote sensing images， the single feature extraction method is susceptible to the influence of irrelevant details， which leads to the insufficient segmentation ability of the changed and unchanged regions in the detection results. Therefore， this paper proposed a fire-new triple-channel region-enhancement change detection network to enhance feature extraction capability from multiple perspectives. Firstly， the method constructed a triple-channel region-enhancement encoder， and used three feature extraction channels to extract similarity information， comprehensiveness information and difference information in a directional manner. At every scales of the encoder， region-separation enhancement modules were able to augment channel 2 with channels 1 and 3， which was beneficial to obtain better effect of changing region segmentation. Secondly， it designed a layer interaction-guidance fusion decoder， and used the interactive guidance between higher-level and lower-level features. So the decoder fused effectively the different-level features by the mutual guidance between high-level features and low-level features. Finally， it used an adaptive weight based on information entropy， which gave more attention to high entropy regions， to optimize loss function. Then， the new loss function improved the training process of the network model. The results of experiment on common datasets show that this network achieves better detection accuracy than the contrast networks.

Key words：remote sensing; change detection; deep learning; region enhancement; layer interaction

0 引言

遙感變化檢測任務(wù)通過分析同一空間維度不同時間維度的遙感影像，來獲取地表變化信息，常被應(yīng)用于土地規(guī)劃、國防安全、資源檢測、森林監(jiān)測等^[1～4]領(lǐng)域。遙感變化檢測是遙感領(lǐng)域的研究重心之一，在過去的幾十年中，已有許多變化檢測技術(shù)和方法被提出^[5]。傳統(tǒng)變化檢測一般是基于手工設(shè)計特征實施變化檢測。然而，由于手工設(shè)計特征對遙感影像的表征能力較弱，且泛化能力不強，導(dǎo)致傳統(tǒng)變化檢測的檢測效果有時不夠理想。隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的變化檢測已成為遙感變化檢測研究的主流方法。

目前依據(jù)兩期影像結(jié)合階段的不同，基于深度學(xué)習(xí)的變化檢測方法大致可分為基于前期結(jié)合的方法^[6～9]和基于后期結(jié)合的方法^{[4，10～16]}兩類?；谇捌诮Y(jié)合的方法首先對兩期影像進行通道維度的級聯(lián)，而后再輸入至網(wǎng)絡(luò)中進行變化檢測。比如Daudt等人^[6]以U-Net^[17]為基礎(chǔ)提出了FC-EF網(wǎng)絡(luò)，通過跳躍鏈接集成高級特征和低級特征來提升變化檢測精度；Peng等人^[18]改進UNet++^[19]結(jié)構(gòu)，搭建了DDCNN，利用具有豐富類別信息的深層特征指導(dǎo)淺層特征的選擇；Song等人^[9]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural network， CNN）和Transformer兩個并行網(wǎng)絡(luò)對級聯(lián)后的兩期影像提取特征，集成了CNN和Transformer各自的優(yōu)勢?；诤笃诮Y(jié)合的方法首先通過孿生網(wǎng)絡(luò)提取兩期影像特征，再進行特征融合和變化檢測。比如Fang等人^[20]和朱節(jié)中等人^[15]將孿生網(wǎng)絡(luò)和UNet++結(jié)構(gòu)進行結(jié)合；Zhang等人^[21]利用深度監(jiān)督策略改進孿生編碼器-解碼器，提出變化檢測網(wǎng)絡(luò)IFN。鄭劍等人^[12]提出了LGC-BGNet網(wǎng)絡(luò)，其孿生編碼器每個層級均存在CNN和Transformer兩個分支，然后分支提取特征后對局部特征和全局特征進行耦合，從而生成兼顧局部細(xì)節(jié)和全局空間信息的多層級特征。Feng等人^[16]使用結(jié)合自注意力和交叉注意力兩種機制的模塊，將孿生網(wǎng)絡(luò)提取的多層級特征進行有效融合。韋春桃等人^[14]提出了一種聯(lián)合空間約束與差異特征聚合的變化檢測網(wǎng)絡(luò)，利用孿生網(wǎng)絡(luò)生成多層級特征，然后使用改進的坐標(biāo)注意力模塊和CBAM^[22]進行增強。

然而隨著航空航天和遙感技術(shù)的進步，遙感影像分辨率越來越高，細(xì)節(jié)信息更為豐富，比如復(fù)雜紋理信息、地物陰影和季節(jié)變化等。但是這些細(xì)節(jié)信息并不一定與變化檢測任務(wù)相關(guān)，無關(guān)細(xì)節(jié)對檢測結(jié)果將產(chǎn)生不利影響。基于前期結(jié)合和后期結(jié)合的方法受限于單一的特征提取模式，無法有效排除無關(guān)信息的干擾，導(dǎo)致像素級變化檢測的能力受限，尤其是所檢測地物的邊緣區(qū)域。另一方面，隨著分辨率增長，信息處理和利用的難度也隨之升高，變化檢測任務(wù)對研究者提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的編解碼過程對于高層級特征和低層級特征未能充分利用，缺少對于空間分辨率信息和高級語義信息的互補性融合，難以解決高分辨率影像和高判別性檢測結(jié)果之間的矛盾。

基于對上述問題的分析，本文提出了三通道區(qū)域增強網(wǎng)絡(luò)（triple-channel region-enhancement network， TRNet），主要包括以下方面：a）構(gòu)建了三通道區(qū)域增強編碼器（triple-channel region-enhancement encoder，TRE），顯式構(gòu)建出融合通道、級聯(lián)通道和差值通道，從多個角度提取特征，通過兩期影像的融合特征及差值特征來增強級聯(lián)特征；同時創(chuàng)新性地提出區(qū)域分離增強模塊（region-separation enhancement module， REM），通過增強變化信息和抑制相似信息，來促進變化和未變化區(qū)域的分割；b）設(shè)計一種層級交互指導(dǎo)融合解碼器 （layer interaction-guidance fusion decoder， LIFD），通過高層級特征和低層級特征之間的相互指導(dǎo)，促進解碼過程中語義信息的重建和空間分辨率的恢復(fù)，實現(xiàn)不同層級特征之間的有效融合；c）利用基于信息熵的自適應(yīng)權(quán)重優(yōu)化損失函數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)更加關(guān)注信息熵值更高、預(yù)測不太準(zhǔn)確的區(qū)域，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練過程。

1 三通道區(qū)域增強網(wǎng)絡(luò)TRNet

如圖1所示， 所提出的三通道區(qū)域增強檢測網(wǎng)絡(luò)TRNet采用編碼器-解碼器架構(gòu)，主要包含三部分：

a）三通道區(qū)域增強編碼器TRE：構(gòu)建了融合通道（通道1）、級聯(lián)通道（通道2）、差值通道（通道3）三個特征提取通道，從相似性、全面性和差異性三個角度提取兩期影像的四個層級特征。在每個層級提取特征后，三個通道均輸入?yún)^(qū)域分離增強模塊REM，使得通道1和3輔助增強通道2，促進通道2特征中變化和未變化區(qū)域更好地分離。

b）層級交互指導(dǎo)融合解碼器LIFD：從TRE得到四個層級的級聯(lián)特征和差值特征，通過三個層級交互指導(dǎo)融合模塊（layer interaction-guidance fusion module）LIFM1、LIFM2和LIFM3，由高到低逐層進行層級間的相互指導(dǎo)和融合，生成融合特征后經(jīng)過分類處理，得到最終變化概率預(yù)測圖。

c）基于信息熵的自適應(yīng)加權(quán)損失函數(shù)EWLoss：利用基于信息熵的自適應(yīng)權(quán)重優(yōu)化損失函數(shù)，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程。

1.1 三通道區(qū)域增強編碼器

傳統(tǒng)變化檢測網(wǎng)絡(luò)基本上采用前期結(jié)合或后期結(jié)合的方法，使用單一通道或?qū)\生網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致特征提取方式單一化。隨著遙感影像分辨率的提升，繁雜的無關(guān)細(xì)節(jié)干擾到檢測結(jié)果，所以遙感研究領(lǐng)域迫切需要能夠更加專注于變化目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)。由于傳統(tǒng)方法只考慮遙感影像自身，無法定向提取任務(wù)相關(guān)信息，容易忽略兩期影像的時空先驗知識，缺少差異性和相似性建模，從而使得變化區(qū)域和未變化區(qū)域的分割受限。因此，本文提出了三通道區(qū)域增強編碼器TRE（圖1），從多個角度促進變化檢測的提取結(jié)果。TRE對三個通道進行顯式建模，從而捕獲相似性信息、全面性信息和差異性信息。然后利用提出的區(qū)域分離增強模塊REM，通過通道1和3對通道2進行增強，過濾相似性信息并增強差異性信息，進而提升變化和未變化區(qū)域的分割效果。

首先將兩期遙感影像記作X₁∈R^3×H×W和X₂∈R^3×H×W，將X₁和X₂分別進行融合、級聯(lián)和做差操作，得到兩期融合影像FI∈R^3×H×W、兩期級聯(lián)影像CI∈R^6×H×W和兩期差值影像DI∈R^3×H×W，具體公式如下：

CI=Concat（X₁，X₂）DI=|X₁－X₂|FI=X₁+X₂－DI（1）

其中：Concat表示級聯(lián)操作。兩期影像相加后減去差值，能夠突出影像之間的差異性，而差異性與變化區(qū)域更加相關(guān)；兩期影像相加后減去差值會突出影像之間的相似性，而相似性與未變化區(qū)域更加相關(guān)。編碼階段通過抑制兩期影像的相似性，來過濾變化無關(guān)的噪聲干擾，降低未變化區(qū)域的影響；突出兩期影像的差異性，來凸顯變化區(qū)域。TRE對變化和未變化區(qū)域的雙向推動，能夠促進變化和未變化區(qū)域在特征空間中分離，達到更優(yōu)的檢測效果。

隨后FI、CI和DI被送入編碼器TRE，TRE骨干網(wǎng)絡(luò)由ResNet50^[23]改進而來，構(gòu)建了三個通道：通道1（融合通道）、通道2（級聯(lián)通道）和通道3（差值通道），三個通道均由一個初始卷積模塊和四個層級的殘差塊ResBlock1、ResBlock2、ResBlock3和ResBlock4堆疊而成，并且在每個層級的殘差塊后面插入了REM模塊，參照圖1。其中初始卷積模塊依次包括步長為2的7×7卷積、批量標(biāo)準(zhǔn)化（batch normalization，BN）、ReLU函數(shù)和步長為2的最大池化操作。

對于通道1，先將融合影像FI輸入初始卷積模塊進行初步處理，而后依次經(jīng)過ResBlock1、ResBlock2、ResBlock3和ResBlock4，提取每個殘差塊的輸出，得到四個層級的特征F={F^l|l=1，2，3，4}，其中F^l表示第l層級的融合特征；對于通道3，先將差值影像DI輸入初始卷積模塊進行初步處理，而后依次經(jīng)過ResBlock1、ResBlock2、ResBlock3和ResBlock4，提取每個殘差塊的輸出得到四個層級的特征D={D^l|l=1，2，3，4}，其中D^l表示第l層級的差值特征；對于通道2，先將級聯(lián)影像CI輸入初始卷積模塊進行初步處理，而后依次經(jīng)過ResBlock1、REM1、ResBlock2、REM2、ResBlock3、REM3、ResBlock4和REM4。具體地，在第l（l=1，2，3，4）層級的殘差塊ResBlockl提取特征后，得到初步級聯(lián)特征C^l。將初步級聯(lián)特征C^l和通道1提取的融合特征F^l、通道2提取的差值特征D^l一起輸入到REMl中，利用特征F^l和特征D^l輔助增強特征C^l，得到增強后級聯(lián)特征C^l。當(dāng)l等于1、2或3時，C^l繼續(xù)沿通道2輸入下一層級殘差塊ResBlockl+1進行編碼。 最終通道2得到四個層級增強后的特征C={C^l|l=1，2，3，4}，其中C^l表示第l層級的級聯(lián)特征。四個層級特征的大小分別是64像素×64像素×256通道、32像素×32像素×512通道、16像素×16像素×1 024通道和8像素×8像素×2048通道。

REM具體過程如圖2所示，輸入為特征F^l、C^l和D^l，通過空間注意力機制實現(xiàn)對于級聯(lián)特征中變化信息的增強和相似信息的抑制，生成變化和未變化區(qū)域分離效果更佳的級聯(lián)特征C。

REM首先將融合特征F∈R^c×h×w和差值特征D∈R^c×h×w分別經(jīng)過1×1卷積進行降維，并特征維度重塑成一維向量f∈R^hw和d∈R^hw。再將向量f和d分別經(jīng)過softmax函數(shù)生成注意力向量f^′和d^′，而后將f^′和d^′又重塑為二維空間注意力圖S_d∈R^h×w和S_f∈R^h×w。對于注意力圖S_f，因為經(jīng)過softmax函數(shù)，所以圖中每個數(shù)值取值為0～1，使用1減去S_f生成新空間注意力圖S^′_f。最后S_d和S_f同時對特征C進行加權(quán)，經(jīng)過ReLU激活函數(shù)，得到增強后的級聯(lián)特征C，具體公式如下：

C=ReLU（（1－S_f）×C-+S_d×C-+C-）（2）

其中：ReLU表示ReLU激活函數(shù)，×表示矩陣逐像素相乘操作。通過特征維度重塑方式對整個二維圖像進行softmax計算，使得注意力圖的生成經(jīng)過了全局計算，綜合考慮了不同像素概率之間的關(guān)聯(lián)性，從而使得關(guān)注區(qū)域與其他區(qū)域的區(qū)分更為明顯。同時S_d含有大量差異信息，能夠突出變化區(qū)域；S_f含有大量相似性信息，使用1減去S_f而生成的注意力圖能夠更好地過濾無關(guān)噪聲干擾，從而抑制未變化區(qū)域。

1.2 層級交互指導(dǎo)融合解碼器LIFD

高層級特征包含更多的語義信息，但缺少空間細(xì)節(jié)信息；低層級特征具有豐富的空間細(xì)節(jié)信息，但缺少語義信息。然而在以U-Net^[17]和FPN^[24]為代表的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)的解碼過程中采用的特征融合方式較為簡單，使得高層級特征的空間分辨率恢復(fù)和低層級特征的語義重構(gòu)效果不夠理想。因此，本文提出一種層級交互指導(dǎo)融合解碼器LIFD，通過高層級特征語義信息對低層級特征進行指導(dǎo)，低層級特征空間細(xì)節(jié)信息對高層級特征進行指導(dǎo)，從而促進解碼過程中語義信息的重建和空間分辨率的恢復(fù)，實現(xiàn)不同層級間特征的有效融合。與此同時，LIFD保留了差值特征和級聯(lián)特征的數(shù)據(jù)流（圖1），通過綜合考慮兩種數(shù)據(jù)流信息來充分提取變化信息，從而提升變化檢測性能。LIFD的具體細(xì)節(jié)如下：

首先將編碼器TRE生成的四個層級特征的級聯(lián)特征C={C^l|l=1，2，3，4}和差值特征D={D^l|l=1，2，3，4}輸入到LIFD，通過LIFD的三個層級交互指導(dǎo)融合模塊LIFM1、LIFM2和LIFM3從高到低逐步進行層級交互指導(dǎo)和融合，得到層級融合特征C）^l和D）^l。然后將融合后的特征C）^l和D）^l相加，得到融合特征F_f。最后對融合特征F_f進行3×3卷積操作和1×1卷積操作，將維度壓縮到兩通道。然后進行雙線性插值上采樣至原始影像尺寸，并通過softmax層，得到解碼器LIFD最終輸出的變化概率預(yù)測圖p（圖1）。

其中三個層級交互指導(dǎo)融合模塊LIFM1、LIFM2和LIFM3具有相同的操作，只是輸入輸出不同，參見圖1。LIFM3包含四個輸入，即第4層級的級聯(lián)特征C⁴和差值特征D⁴，第3層級的級聯(lián)特征C³和差值特征D³；LIFM3包含兩個輸出，即融合后的第3層級的級聯(lián)特征C）³和差值特征D）³；LIFMl，l=1或2，包含四個輸入，即融合后的第l+1層級的級聯(lián)特征C）^l+1和差值特征D）^l+1，第l層級的級聯(lián)特征C^l和差值特征D^l；LIFMl，l=1或2，包含兩個輸出，即融合后的第l層級的級聯(lián)特征C）^l和差值特征D）^l。

三個層級交互指導(dǎo)融合模塊均包括層間交互指導(dǎo)和層間融合兩個階段。接下來以LIFM3模塊為例說明層級交互指導(dǎo)融合的具體過程：如圖3所示，層間交互指導(dǎo)包括低層級指導(dǎo)高層級和高層級指導(dǎo)低層級兩個過程。

低層級指導(dǎo)高層級：首先對第3層級的差值特征D³進行3×3卷積，并進行下采樣至特征D⁴尺寸大??；然后與D⁴相加，并使用ReLU激活函數(shù)，得到指導(dǎo)后的高層級差值特征D^H_LG；最后，將D^H_LG與C⁴進行對應(yīng)元素相乘，得到指導(dǎo)后的高層級級聯(lián)特征C^H_LG，具體公式如下：

D^H_LG=ReLU（Down（Conv（D³））+D⁴）C^H_LG=D^H_LG×C⁴（3）

其中：Conv表示卷積層；Down表示下采樣操作；ReLU表示ReLU激活函數(shù)；×表示矩陣對應(yīng)元素相乘。

高層級指導(dǎo)低層級：首先對第4層級的差值特征D⁴進行3×3卷積，并進行上采樣至特征D³尺寸大小；然后與D³相加，并使用ReLU激活函數(shù)，得到指導(dǎo)后的低層級差值特征D^L_HG；最后將D^L_HG與 C³相乘，得到指導(dǎo)后的低層級級聯(lián)特征C^L_HG，公式如下：

D^L_HG=ReLU（Up（Conv（D⁴））+D³）C^L_HG=D^L_HG×C³（4）

其中：Conv表示卷積層；Up表示上采樣操作；ReLU表示ReLU激活函數(shù)；×表示矩陣逐像素相乘。

經(jīng)過層間交互指導(dǎo)后，得到被指導(dǎo)后的高層級差值特征D^H_LG和級聯(lián)特征C^H_LG，以及被指導(dǎo)后的低層級差值特征D^L_HG和級聯(lián)特征C^L_HG。隨后分別對不同層級的差值特征（D^H_LG和D^L_HG）與級聯(lián)特征（C^H_LG和C^L_HG）進行層間融合，生成第3層級的層級指導(dǎo)融合后的差值特征D⌒³和級聯(lián)特征C⌒³。生成D⌒³和C⌒³的層間融合過程完全相同，以差值特征D⌒³的生成過程為例進行說明（圖3）：首先對交互指導(dǎo)后的第4層級差值特征D^H_LG進行反卷積、BN和ReLU激活函數(shù)計算；而后將其與低層級特征D^L_HG進行級聯(lián)，并依次對級聯(lián)后的特征進行1×1卷積、BN和ReLU激活函數(shù)計算，最終得到融合后的第3層級特征D⌒³。

1.3 基于信息熵的自適應(yīng)加權(quán)損失函數(shù)

為優(yōu)化訓(xùn)練過程，使得網(wǎng)絡(luò)更加關(guān)注預(yù)測容易出錯的區(qū)域，本文提出一種基于信息熵的自適應(yīng)加權(quán)損失函數(shù)EWLoss。具體如下：

首先通過下式計算每個像素的信息熵值e_i：

e_i=-1log2（p_iclog p_ic+p_iulog p_iu）

0≤i≤N（5）

其中：N表示影像的像素總數(shù)；p_ic表示像素i被預(yù)測為變化類c的概率；p_iu表示像素i被預(yù)測為未變化類u的概率；log表示自然對數(shù)運算。

若像素i被預(yù)測為未變化類u的概率p_iu和變化類c的概率p_ic越接近，則對像素i的預(yù)測不確定性越高，預(yù)測結(jié)果越容易出錯^[25]。通過式（5）計算的信息熵值e_i，能夠很好地反映這種趨勢，即像素i的信息熵值e_i越大，其預(yù)測結(jié)果越容易出錯。因此，通過將信息熵值更高的區(qū)域設(shè)置更大的權(quán)重，可使得網(wǎng)絡(luò)更加關(guān)注信息熵值更高、預(yù)測更容易出錯的區(qū)域，從而能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練過程，得到更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

基于上述分析，本文基于信息熵計算像素i的權(quán)重w_i，并利用權(quán)重w_i優(yōu)化交叉熵?fù)p失函數(shù)，得到本文所定義的損失函數(shù)EWLoss：

EWLoss=－1N∑^S_i=1w_i（y_ilog（p_ic）+（1－y_i）log（p_iu））（6）

其中：log、N、p_ic和p_iu與上式的含義相同；y_i是一個布爾變量，由像素i的類別決定，若像素i屬于變化類c，則y_i=1，否則y_i=0；w_i表示像素i的權(quán)重，通過式（7）確定。

其中：T是需要人工設(shè)置的超參數(shù)，本文將其設(shè)置為0.8。

2 實驗與分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)與實驗設(shè)計

為測試本文方法的變化檢測性能，采用WHU-CD數(shù)據(jù)^[26]和谷歌數(shù)據(jù)^[27]兩組常用公開變化檢測數(shù)據(jù)集進行實驗。WHU-CD數(shù)據(jù)集包括一對32 507 像素×15 354像素的遙感影像，分辨率為0.2米/像素。將遙感影像無重疊地裁剪成256像素×256像素大小，隨機劃分出6 096對訓(xùn)練集影像、762對驗證集影像和762對測試集影像。谷歌數(shù)據(jù)集包含19對大小從1 006像素×1 168像素到4 936像素×5 224像素不等的遙感影像，分辨率為0.5米/像素。將19對遙感影像無重疊地裁剪成256像素×256像素大小，隨機劃分出2 504對訓(xùn)練集影像、313對驗證集影像和313對測試集影像。對于兩個數(shù)據(jù)集，本文均進行隨機旋轉(zhuǎn)、隨機翻轉(zhuǎn)和隨機縮放等操作，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)增強。

實驗初始學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.000 1，訓(xùn)練輪數(shù)設(shè)置為200，前100輪學(xué)習(xí)率保持不變，后100輪每20輪減少一半，訓(xùn)練批次設(shè)置為4。實驗使用Adam優(yōu)化器調(diào)整學(xué)習(xí)率。本文設(shè)置了五個對比網(wǎng)絡(luò)來驗證所提出網(wǎng)絡(luò)的有效性，分別是 FC-EF^[6]、FC-Conc^[6]、FC-Diff^[6]、 SNUNet^[20]、BIT^[28]、JDNet^[14]和ACABFNet^[9]，其中FC-EF和ACABFNet為前期結(jié)合方法，其余網(wǎng)絡(luò)均為后期結(jié)合方法。為了定量評價變化檢測結(jié)果，實驗采用準(zhǔn)確度 （precision，Pre）、召回率 （recall，Rec）、總體精度（overall accuracy，OA）、F₁值 （F₁-score） 和交并比 （intersection over union，IoU）五個常用的精度指標(biāo)^[28]。

2.2 實驗結(jié)果與分析

為了能夠直觀展現(xiàn)本文所提網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，圖4和5分別給出了不同變化檢測方法在WHU-CD數(shù)據(jù)集和谷歌數(shù)據(jù)集上的三組典型變化檢測圖：（a）和（b）分別為第一時期和第二時期的遙感影像；（c）為兩期影像的變化參考圖；（d）～（k）分別為FC-EF、FC-Conc、FC-Diff、SNUNet、BIT、JDNet、ACABFNet和TRNet的變化檢測圖。圖中黑色表示未變化區(qū)域，白色表示變化區(qū)域，紅色表示虛檢錯誤區(qū)域，綠色表示漏檢錯誤區(qū)域（參見電子版）。目視分析圖4和5可知，在WHU-CD和谷歌兩組數(shù)據(jù)集上，本文方法的變化檢測結(jié)果均優(yōu)于7種對比方法，無論是在變化對象的內(nèi)部致密性還是邊界精確性上，TRNet都得到更優(yōu)的結(jié)果。對于WHU-CD數(shù)據(jù)集，比如圖4第一行前6個對比網(wǎng)絡(luò)變化區(qū)域內(nèi)部均出現(xiàn)漏檢區(qū)域，而BIT還存在大面積虛檢區(qū)域，ACABFNet邊界也存在明顯虛檢。對于谷歌數(shù)據(jù)集，比如圖5第三行FC-EF、FC-Conc和FC-Diff的變化檢測圖中均出現(xiàn)大面積的漏檢，而SNUNet和BIT 的變化檢測圖中的建筑物之間出現(xiàn)明顯的虛檢，JDNet和ACABFNet邊界區(qū)域的虛檢相對于本文網(wǎng)絡(luò)也更為明顯。

為更加客觀地展示本文TRNet的有效性，表1給出不同方法在兩組數(shù)據(jù)集上變化檢測結(jié)果的百分比定量指標(biāo)。從表1可知，在兩組數(shù)據(jù)集上，本文方法的變化檢測結(jié)果取得最優(yōu)的定量指標(biāo)，各個指標(biāo)的最優(yōu)值均用加粗字體表示。

對于WHU-CD數(shù)據(jù)集，本文方法除了在指標(biāo)Rec上取得第二優(yōu)，在其他指標(biāo)上均取得最優(yōu)值。比如本文方法F₁和IoU的取值分別為88.97%和80.13%，比其他方法至少提高1.58和2.52百分點。對于谷歌數(shù)據(jù)集，本文方法同樣除了在指標(biāo)Rec上取得第二優(yōu)，在其他指標(biāo)上均取得最優(yōu)值。比如對于指標(biāo)F₁和IoU，本文方法的取值分別為85.42%和74.55%，比其他方法至少提高1.12和1.69百分點。

2.3 消融實驗

本文TRNet的創(chuàng)新主要包括三通道區(qū)域增強編碼器TRE、層級交互指導(dǎo)融合解碼器LIFD和基于信息熵的自適應(yīng)加權(quán)損失函數(shù)EWLoss三部分。為驗證上述三部分創(chuàng)新的有效性，本文以谷歌數(shù)據(jù)集為例進行消融實驗。給出以下三種本文方法的變種網(wǎng)絡(luò)：a）TRNet-noREM，其他結(jié)構(gòu)保持不變，去掉所提出編碼器TRE中的區(qū)域分離增強模塊REM，如去掉REM，則通道1將失去作用，所以此變種網(wǎng)絡(luò)也可視為去掉通道1；b）TRNet-noLIFM，其他結(jié)構(gòu)保持不變，去掉所提出解碼器LIFD中的層級交互指導(dǎo)融合模塊，僅采用簡單的特征融合方法；c）TRNet-noW：其他結(jié)構(gòu)保持不變，去掉所提出損失函數(shù)EWLoss中基于信息熵的權(quán)重。通過對比以上三種網(wǎng)絡(luò)和本文方法的變化檢測結(jié)果，分析本文三部分創(chuàng)新的有效性。表2給出上述三種網(wǎng)絡(luò)和本文方法檢測結(jié)果的百分比定量指標(biāo)。

對比表2前三行和最后一行結(jié)果可知，本文方法的三部分創(chuàng)新均能有效提升變化檢測性能。比如，對比第二行和最后一行中結(jié)果可知，去掉解碼器LIFD中的層級交互指導(dǎo)融合模塊后，本文方法的F₁和IoU值分別降低2.13和3.19百分點。因此，本文提出的TRE、LIFD和EWLoss均對變化檢測結(jié)果具有重要作用。

為更加直觀地展示EWLoss的效果，圖6給出谷歌數(shù)據(jù)集中兩組典型區(qū)域的變化檢測結(jié)果：（a） ～ （e） 分別表示第一時期影像X₁、第二時期影像X₂、兩期影像的變化參考圖、TRNet-noW和TRNet的變化檢測圖。對比圖 （d） 和 （e） 可知，基于信息熵的自適應(yīng)加權(quán)損失函數(shù)EWLoss能夠有效提升對檢測結(jié)果中高熵區(qū)域和預(yù)測易出錯區(qū)域的檢測精度。

3 結(jié)束語

針對高分辨率遙感影像帶來的挑戰(zhàn)，本文提出一種全新的三通道區(qū)域增強變化檢測網(wǎng)絡(luò)TRNet。首先利用三通道區(qū)域增強編碼器TRE，從兩期影像相似性和差異性的角度增強特征提取過程，進而有效分割變化和未變化區(qū)域；其次給出一種層級交互指導(dǎo)融合解碼器，使得解碼過程中能夠保留更豐富的語義信息和更精準(zhǔn)的空間信息；最后通過基于信息熵的自適應(yīng)權(quán)重優(yōu)化損失函數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)更加關(guān)注預(yù)測容易出錯的區(qū)域，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程。在WHU-CD數(shù)據(jù)集和谷歌數(shù)據(jù)集上的定性和定量實驗結(jié)果表明，本文所創(chuàng)新構(gòu)建的三通道區(qū)域增強變化檢測網(wǎng)絡(luò)TRNet取得了更優(yōu)的變化檢測結(jié)果。今后將進一步利用遙感變化檢測任務(wù)的時空先驗知識，創(chuàng)造更貼合任務(wù)目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

致謝 本文受到三峽大學(xué)先進計算中心（Advanced Computing Center，China Three Gorges University）資助支持。

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