TGRS | PointSAM: 用于遥感图像的点监督分割模型, 代码已开源

文摘   2025-01-25 09:05   荷兰  

 RS   DL 

论文介绍

题目:PointSAM: Pointly-Supervised Segment Anything Model for Remote Sensing Images

期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing

论文:https://ieeexplore.ieee.org/document/10839471

代码:https://github.com/Lans1ng/PointSAM

年份:2025
单位:西南交通大学,新加坡 I2R-A*STAR,华南理工大学
注:本篇由论文原作者审阅

创新点

  • Prototype-based Regularization (PBR): 通过非参数聚类和匈牙利匹配算法对原型进行约束,避免模型学习错误模式,提高泛化能力。
  • Negative Prompt Calibration (NPC): 自适应调整训练中的负提示,通过利用重叠实例的正提示作为负提示,改进密集场景中的分割精度。
  • Point-based Fine-tuning for SAM: 第一次探索用点标注对SAM进行微调以适应遥感图像(RSI),显著降低了标注成本。
  • PointSAM作为有向框检测的生成器: 在旋转目标检测等任务中表现出色,验证了其在弱监督条件下的潜在应用价值。


数据

  • NWPU VHR-10: 包含10类地理对象检测的遥感数据集,使用520张正样本图像训练,130张图像测试。
  • WHU: 包含新西兰建筑物的遥感图像数据集,使用4736张图像训练,1036张图像测试。
  • HRSID: 用于高分辨率SAR船只检测,使用459张近岸场景图像训练,250张测试。

方法

整体框架
PointSAM结合了自训练策略和两种关键技术(原型约束与负提示校正),在仅使用点标注的条件下实现高效分割。具体流程包括:
  • 从目标数据集中提取特征,通过聚类生成离线的原型。
  • 使用教师-学生网络架构在强弱数据增强的图像上进行训练,动态更新预测特征并对其进行对齐。

原型约束(Prototype-based Regularization, PBR)

  • 目标:通过对实例级特征进行约束,减少自训练过程中因伪标签错误引入的偏差。

  • 方法:

    • 在训练开始前,从目标数据中提取实例特征,并对这些特征进行聚类生成目标原型。

    • 在训练过程中,教师网络从图像中动态提取实例特征,并存储到内存池中,随后通过聚类生成预测原型。

    • 目标原型与预测原型通过匈牙利匹配进行对齐,确保特征分布的一致性。

负提示校正(Negative Prompt Calibration, NPC)

  • 挑战:在遥感图像中,点标注容易引起语义歧义(例如多个目标被错误地分为一个实例)。
  • 方法:
    • 动态调整负提示位置,以便更准确地划分对象边界。
    • 在训练过程中,利用交集区域较大的实例,将它们的正提示用作目标实例的负提示,从而优化分割结果。

自训练策略

  • 使用强/弱数据增强生成两种视图,分别输入到教师和学生网络中。
  • 教师网络生成的伪标签用于监督学生网络的学习,伪标签通过NPC和PBR优化。

提示生成与微调

  • 在训练和测试阶段,从目标数据的实例中生成正负提示。
  • 微调过程中,冻结SAM的部分结构,通过轻量化的LoRA模块进行调整,从而减少计算开销并提升适应能力。

损失设计

PointSAM结合传统分割损失(如IoU、Dice等)与原型匹配损失,通过多重监督优化网络。

结果与分析

PointSAM显著提高了遥感图像分割的性能,在多个数据集上均优于现有方法,尤其在复杂场景和密集对象分布下表现突出。分析表明,其创新的原型约束和负提示校正有效缓解了伪标签错误和边界模糊问题,增强了模型的泛化能力。
精度结果

PointSAM作为有向框检测的生成器:

可视化


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