【ISPRS好文推荐】TaaNet网络精准识别大规模城市场景 LiDAR 点云中的稀有类别

文摘   2024-12-12 06:59   中国香港  
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(一)文章信息
  • 标题:Target-aware attentional network for rare class segmentation in large-scale LiDAR point clouds

  • 期刊:《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》(中科院1区Top, IF=10.6)

  • 作者:Xinlong Zhang , et al.

  • doi:10.1016/j.isprsjprs.2024.11.012

(二)研究背景
随着激光雷达(LiDAR)和摄影测量技术的快速发展,获取现实世界场景的精确三维结构信息变得容易,这些信息通常以三维点云的形式表示。点云的语义分割是理解复杂三维空间信息的关键步骤,对于遥感、建筑信息建模、变化检测、三维制图和自动驾驶等多个领域至关重要。尽管许多点云分割方法已经取得了领先的性能,但由于细粒度类别的不平衡分布和大场景的复杂性,三维稀有类别的分割仍然是一个挑战。本文提出了一种名为TaaNet的目标感知注意力网络,这是一种新颖的掩模约束注意力框架,用于解决大规模点云中不平衡类别的三维语义分割问题。该网络通过自注意力机制,增强了跨不同尺度的点特征学习,利用全局和局部视角确保在复杂场景中细粒度模式的存在。此外,通过上下文模块对层次特征施加稀有目标掩模,特别是提出了一个目标感知聚合器来增强稀有类别的判别特征,同时嵌入稀有类别的置信度约束。

(三)研究数据与方法
本文在四个多平台激光雷达基准数据集上进行了实验,包括航空、移动和地面平台,以评估框架的性能。这些数据集包括Hessigheim 3D、Paris-Lille-3D、Semantic3D和WHU-Urban3D,覆盖了不同的城市场景和数据采集平台。研究中使用了多种评估指标,包括每类的F1分数、整体准确率(OA)、所有类别的平均F1分数(mF1)和稀有类别的平均F1分数(rmF1)。此外,还采用了加权损失函数来解决类别不平衡问题。TaaNet网络结构包括局部焦点注意力(LFA)模块和目标感知聚合器,后者通过考虑目标对象的拓扑线索来嵌入稀有类别的结构信息。实验中,还设计了一种基于强轮廓线索的目标伪标记策略,有效地传递了仅限于稀有目标的实例级监督信号。

(四)研究结果

研究结果表明,与其他常用的先进分割方法相比,TaaNet方法不仅获得了高分割准确率,而且在稀有类别中也取得了显著的F1分数。在Hessigheim 3D基准的官方排名页面上,TaaNet方法实现了83.84%的F1分数和90.45%的整体准确率,特别是车辆和烟囱等稀有类别的F1分数分别比其他已发布方法的平均值高出32.00%和32.46%。此外,在Paris-Lille-3D、Semantic3D和WHU-Urban3D基准上收集的实验数据进一步验证了所提方法的鲁棒性和有效性。在这些数据集上,TaaNet在处理大规模点云中的稀有类别分割问题时表现出色,尤其是在车辆、烟囱、交通信号灯等稀有类别上,显著提高了分割性能。这些结果证明了TaaNet在处理不平衡数据和提高稀有类别分割精度方面的有效性。

(五)研究结论

本文提出的TaaNet目标感知注意力网络在大规模点云中对稀有类别的语义分割问题提供了一种有效的解决方案。通过自注意力机制和目标感知聚合器,TaaNet能够捕捉局部到全局的代表性特征,并利用稀有对象固有的结构信息和空间差异。实验结果表明,TaaNet在多个基准数据集上均取得了优异的性能,特别是在稀有类别的识别上,显著提高了分割精度。此外,TaaNet在Hessigheim 3D基准测试中的表现尤为突出。未来的工作将探索和增强目标感知聚合器中稀有目标的结构特征描述,以进一步减少与稀有目标空间分布相关的监督信号中不确定性误差。

文章来源 :

Zhang, X., Lin, D., & Soergel, U. (2025). Target-aware attentional network for rare class segmentation in large-scale LiDAR point clouds. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 220, 32-50.

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