Сравнительный анализ нейросетевых моделей для картографирования лесных рубок по летним космическим снимкам

Мельников А.В., Полищук Ю.М., Русанов М.А., Аббазов В.Р., Кочергин Г.А., Куприянов М.А., Байсалямова О.А., Соколков О.И. Сравнительный анализ нейросетевых моделей для картографирования лесных рубок по летним космическим снимкам // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24, № 5. С. 806–814. doi: 10.17586/2226-1494-2024-24-5-806-814

Введение. Исследована задача повышения оперативности обнаружения и картографирования лесных рубок по космическим снимкам с целью выявления нарушений экологического законодательства. Традиционные методы дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли требуют больших трудозатрат и высокой квалификации исполнителей. Для автоматизации процессов дешифрирования космических снимков разработано большое количество разнообразных методов, в том числе основанных на применении современных технологий глубокого машинного обучения. В работе проведен сравнительный анализ сверточных и трансформерных моделей нейронных сетей, перспективных для решения задач сегментации лесных рубок по летним космическим снимкам со спутника Sentinel-2. Метод. В проведенном исследовании для сегментации лесных рубок применялись сверточные модели U-Net++, MA-Net, 3D U-Net, FPN-ConvLSTM и трансформерные модели SegFormer, Swin-UperNet. Особенностью компьютерного эксперимента является адаптация различных моделей нейронных сетей для анализа пары разновременных многоканальных спутниковых изображений. Представлено описание исходных данных, процедура их предобработки с учетом специфики и методика формирования обучающей выборки на основе имеющегося архива космических снимков. Предложены процедуры обучения и оценки точности рассматриваемых нейросетевых моделей с использованием метрики F1. Для оценки точности выполнено сравнение результатов моделирования с традиционным методом визуального дешифрирования с применением средств геоинформационных систем. Основные результаты. Получены результаты компьютерного эксперимента на примере территории Ханты-Мансийского автономного округа. Сравнение моделей сегментации лесных рубок по летним космическим снимкам показало, что точность F1 для разных моделей находится в пределах от 0,409 до 0,767. Наибольшую точность показала трансформерная модель SegFormer, которая позволила обнаруживать лесные рубки, неучтенные человеком. Время обработки одной пары полноразмерных космических снимков площади размером 100 × 100 км² составило 15 мин, что в 16 раз меньше времени, требуемого специалисту для выполнения той же задачи традиционным способом. Такая скорость обработки снимков является важным показателем для мониторинга обширных лесохозяйственных территорий. Обсуждение. Предлагаемый метод сегментации лесных рубок, основанный на трансформерной нейронной сети SegFormer, может быть использован для решения задачи оперативного выявления и картографирования незаконных лесных рубок. Для повышения качества работы модели необходима балансировка обучающей выборки с целью выравнивания количества снимков с полигонами рубок различной формы и размера, а также включение в выборку снимков с частичной облачностью и тенями от облаков.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License