Deep Learning based Vehicle Detection in Aerial Imagery

Der Einsatz von luftgestützten Plattformen, die mit bildgebender Sensorik ausgestattet sind, ist ein wesentlicher Bestandteil von vielen Anwendungen im Bereich der zivilen Sicherheit. Bekannte Anwendungsgebiete umfassen unter anderem die Entdeckung verbotener oder krimineller Aktivitäten, Verkehrsüberwachung, Suche und Rettung, Katastrophenhilfe und Umweltüberwachung. Aufgrund der großen Menge zu verarbeitender Daten und der daraus resultierenden kognitiven Überbelastung ist jedoch eine Analyse der Luftbilddaten ausschließlich durch menschliche Auswerter in der Praxis nicht anwendbar. Zur Unterstützung der menschlichen Auswerter kommen daher in der Regel automatische Bild- und Videoverarbeitungsalgorithmen zum Einsatz. Eine zentrale Aufgabe bildet dabei eine zuverlässige Detektion relevanter Objekte im Sichtfeld der Kamera, bevor eine Interpretation der gegebenen Szene stattfinden kann. Die geringe Bodenauflösung aufgrund der großen Distanz zwischen Kamera und Erde macht die Objektdetektion in Luftbilddaten zu einer herausfordernden Aufgabe, welche durch Bewegungsunschärfe, Verdeckungen und Schattenwurf zusätzlich erschwert wird. Obwohl in der Literatur eine Vielzahl konventioneller Ansätze zur Detektion von Objekten in Luftbilddaten existiert, ist die Detektionsgenauigkeit durch die Repräsentationsfähigkeit der verwendeten manuell entworfenen Merkmale beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuer Deep-Learning basierter Ansatz zur Detektion von Objekten in Luftbilddaten präsentiert. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf der Detektion von Fahrzeugen in Luftbilddaten, die senkrecht von oben aufgenommen wurden. Grundlage des entwickelten Ansatzes bildet der Faster R-CNN Detektor, der im Vergleich zu anderen Deep-Learning basierten Detektionsverfahren eine höhere Detektionsgenauigkeit besitzt. Da Faster R-CNN wie auch die anderen Deep-Learning basierten Detektionsverfahren auf Benchmark Datensätzen optimiert wurden, werden in einem ersten Schritt notwendige Anpassungen an die Eigenschaften der Luftbilddaten, wie die geringen Abmessungen der zu detektierenden Fahrzeuge, systematisch untersucht und daraus resultierende Probleme identifiziert. Im Hinblick auf reale Anwendungen sind hier vor allem die hohe Anzahl fehlerhafter Detektionen durch fahrzeugähnliche Strukturen und die deutlich erhöhte Laufzeit problematisch. Zur Reduktion der fehlerhaften Detektionen werden zwei neue Ansätze vorgeschlagen. Beide Ansätze verfolgen dabei das Ziel, die verwendete Merkmalsrepräsentation durch zusätzliche Kontextinformationen zu verbessern. Der erste Ansatz verfeinert die räumlichen Kontextinformationen durch eine Kombination der Merkmale von frühen und tiefen Schichten der zugrundeliegenden CNN Architektur, so dass feine und grobe Strukturen besser repräsentiert werden. Der zweite Ansatz macht Gebrauch von semantischer Segmentierung um den semantischen Informationsgehalt zu erhöhen. Hierzu werden zwei verschiedene Varianten zur Integration der semantischen Segmentierung in das Detektionsverfahren realisiert: zum einen die Verwendung der semantischen Segmentierungsergebnisse zur Filterung von unwahrscheinlichen Detektionen und zum anderen explizit durch Verschmelzung der CNN Architekturen zur Detektion und Segmentierung. Sowohl durch die Verfeinerung der räumlichen Kontextinformationen als auch durch die Integration der semantischen Kontextinformationen wird die Anzahl der fehlerhaften Detektionen deutlich reduziert und somit die Detektionsgenauigkeit erhöht. Insbesondere der starke Rückgang von fehlerhaften Detektionen in unwahrscheinlichen Bildregionen, wie zum Beispiel auf Gebäuden, zeigt die erhöhte Robustheit der gelernten Merkmalsrepräsentationen. Zur Reduktion der Laufzeit werden im Rahmen der Arbeit zwei alternative Strategien verfolgt. Die erste Strategie ist das Ersetzen der zur Merkmalsextraktion standardmäßig verwendeten CNN Architektur mit einer laufzeitoptimierten CNN Architektur unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Luftbilddaten, während die zweite Strategie ein neues Modul zur Reduktion des Suchraumes umfasst. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Strategien wird die Gesamtlaufzeit sowie die Laufzeit für jede Komponente des Detektionsverfahrens deutlich reduziert. Durch Kombination der vorgeschlagenen Ansätze kann sowohl die Detektionsgenauigkeit als auch die Laufzeit im Vergleich zur Faster R-CNN Baseline signifikant verbessert werden. Repräsentative Ansätze zur Fahrzeugdetektion in Luftbilddaten aus der Literatur werden quantitativ und qualitativ auf verschiedenen Datensätzen übertroffen. Des Weiteren wird die Generalisierbarkeit des entworfenen Ansatzes auf ungesehenen Bildern von weiteren Luftbilddatensätzen mit abweichenden Eigenschaften demonstriert

Artificial Neural Networks and Evolutionary Computation in Remote Sensing

Artificial neural networks (ANNs) and evolutionary computation methods have been successfully applied in remote sensing applications since they offer unique advantages for the analysis of remotely-sensed images. ANNs are effective in finding underlying relationships and structures within multidimensional datasets. Thanks to new sensors, we have images with more spectral bands at higher spatial resolutions, which clearly recall big data problems. For this purpose, evolutionary algorithms become the best solution for analysis. This book includes eleven high-quality papers, selected after a careful reviewing process, addressing current remote sensing problems. In the chapters of the book, superstructural optimization was suggested for the optimal design of feedforward neural networks, CNN networks were deployed for a nanosatellite payload to select images eligible for transmission to ground, a new weight feature value convolutional neural network (WFCNN) was applied for fine remote sensing image segmentation and extracting improved land-use information, mask regional-convolutional neural networks (Mask R-CNN) was employed for extracting valley fill faces, state-of-the-art convolutional neural network (CNN)-based object detection models were applied to automatically detect airplanes and ships in VHR satellite images, a coarse-to-fine detection strategy was employed to detect ships at different sizes, and a deep quadruplet network (DQN) was proposed for hyperspectral image classification

Deep Learning based Vehicle Detection in Aerial Imagery

This book proposes a novel deep learning based detection method, focusing on vehicle detection in aerial imagery recorded in top view. The base detection framework is extended by two novel components to improve the detection accuracy by enhancing the contextual and semantical content of the employed feature representation. To reduce the inference time, a lightweight CNN architecture is proposed as base architecture and a novel module that restricts the search area is introduced

Low-Shot Learning for the Semantic Segmentation of Remote Sensing Imagery

Deep-learning frameworks have made remarkable progress thanks to the creation of large annotated datasets such as ImageNet, which has over one million training images. Although this works well for color (RGB) imagery, labeled datasets for other sensor modalities (e.g., multispectral and hyperspectral) are minuscule in comparison. This is because annotated datasets are expensive and man-power intensive to complete; and since this would be impractical to accomplish for each type of sensor, current state-of-the-art approaches in computer vision are not ideal for remote sensing problems. The shortage of annotated remote sensing imagery beyond the visual spectrum has forced researchers to embrace unsupervised feature extracting frameworks. These features are learned on a per-image basis, so they tend to not generalize well across other datasets. In this dissertation, we propose three new strategies for learning feature extracting frameworks with only a small quantity of annotated image data; including 1) self-taught feature learning, 2) domain adaptation with synthetic imagery, and 3) semi-supervised classification. ``Self-taught\u27\u27 feature learning frameworks are trained with large quantities of unlabeled imagery, and then these networks extract spatial-spectral features from annotated data for supervised classification. Synthetic remote sensing imagery can be used to boot-strap a deep convolutional neural network, and then we can fine-tune the network with real imagery. Semi-supervised classifiers prevent overfitting by jointly optimizing the supervised classification task along side one or more unsupervised learning tasks (i.e., reconstruction). Although obtaining large quantities of annotated image data would be ideal, our work shows that we can make due with less cost-prohibitive methods which are more practical to the end-user

Sea-Surface Object Detection Based on Electro-Optical Sensors: A Review

Sea-surface object detection is critical for navigation safety of autonomous ships. Electrooptical (EO) sensors, such as video cameras, complement radar on board in detecting small obstacle sea-surface objects. Traditionally, researchers have used horizon detection, background subtraction, and foreground segmentation techniques to detect sea-surface objects. Recently, deep learning-based object detection technologies have been gradually applied to sea-surface object detection. This article demonstrates a comprehensive overview of sea-surface object-detection approaches where the advantages and drawbacks of each technique are compared, covering four essential aspects: EO sensors and image types, traditional object-detection methods, deep learning methods, and maritime datasets collection. In particular, sea-surface object detections based on deep learning methods are thoroughly analyzed and compared with highly influential public datasets introduced as benchmarks to verify the effectiveness of these approaches. The arti

Intelligent Data Analytics using Deep Learning for Data Science

Nowadays, data science stimulates the interest of academics and practitioners because it can assist in the extraction of significant insights from massive amounts of data. From the years 2018 through 2025, the Global Datasphere is expected to rise from 33 Zettabytes to 175 Zettabytes, according to the International Data Corporation. This dissertation proposes an intelligent data analytics framework that uses deep learning to tackle several difficulties when implementing a data science application. These difficulties include dealing with high inter-class similarity, the availability and quality of hand-labeled data, and designing a feasible approach for modeling significant correlations in features gathered from various data sources. The proposed intelligent data analytics framework employs a novel strategy for improving data representation learning by incorporating supplemental data from various sources and structures. First, the research presents a multi-source fusion approach that utilizes confident learning techniques to improve the data quality from many noisy sources. Meta-learning methods based on advanced techniques such as the mixture of experts and differential evolution combine the predictive capacity of individual learners with a gating mechanism, ensuring that only the most trustworthy features or predictions are integrated to train the model. Then, a Multi-Level Convolutional Fusion is presented to train a model on the correspondence between local-global deep feature interactions to identify easily confused samples of different classes. The convolutional fusion is further enhanced with the power of Graph Transformers, aggregating the relevant neighboring features in graph-based input data structures and achieving state-of-the-art performance on a large-scale building damage dataset. Finally, weakly-supervised strategies, noise regularization, and label propagation are proposed to train a model on sparse input labeled data, ensuring the model\u27s robustness to errors and supporting the automatic expansion of the training set. The suggested approaches outperformed competing strategies in effectively training a model on a large-scale dataset of 500k photos, with just about 7% of the images annotated by a human. The proposed framework\u27s capabilities have benefited various data science applications, including fluid dynamics, geometric morphometrics, building damage classification from satellite pictures, disaster scene description, and storm-surge visualization

What a MESS: Multi-Domain Evaluation of Zero-Shot Semantic Segmentation

While semantic segmentation has seen tremendous improvements in the past, there is still significant labeling efforts necessary and the problem of limited generalization to classes that have not been present during training. To address this problem, zero-shot semantic segmentation makes use of large self-supervised vision-language models, allowing zero-shot transfer to unseen classes. In this work, we build a benchmark for Multi-domain Evaluation of Semantic Segmentation (MESS), which allows a holistic analysis of performance across a wide range of domain-specific datasets such as medicine, engineering, earth monitoring, biology, and agriculture. To do this, we reviewed 120 datasets, developed a taxonomy, and classified the datasets according to the developed taxonomy. We select a representative subset consisting of 22 datasets and propose it as the MESS benchmark. We evaluate eight recently published models on the proposed MESS benchmark and analyze characteristics for the performance of zero-shot transfer models. The toolkit is available at https://github.com/blumenstiel/MESS