Deep learning in remote sensing: a review

Standing at the paradigm shift towards data-intensive science, machine learning techniques are becoming increasingly important. In particular, as a major breakthrough in the field, deep learning has proven as an extremely powerful tool in many fields. Shall we embrace deep learning as the key to all? Or, should we resist a 'black-box' solution? There are controversial opinions in the remote sensing community. In this article, we analyze the challenges of using deep learning for remote sensing data analysis, review the recent advances, and provide resources to make deep learning in remote sensing ridiculously simple to start with. More importantly, we advocate remote sensing scientists to bring their expertise into deep learning, and use it as an implicit general model to tackle unprecedented large-scale influential challenges, such as climate change and urbanization.Comment: Accepted for publication IEEE Geoscience and Remote Sensing Magazin

Few-shot Object Detection on Remote Sensing Images

In this paper, we deal with the problem of object detection on remote sensing images. Previous methods have developed numerous deep CNN-based methods for object detection on remote sensing images and the report remarkable achievements in detection performance and efficiency. However, current CNN-based methods mostly require a large number of annotated samples to train deep neural networks and tend to have limited generalization abilities for unseen object categories. In this paper, we introduce a few-shot learning-based method for object detection on remote sensing images where only a few annotated samples are provided for the unseen object categories. More specifically, our model contains three main components: a meta feature extractor that learns to extract feature representations from input images, a reweighting module that learn to adaptively assign different weights for each feature representation from the support images, and a bounding box prediction module that carries out object detection on the reweighted feature maps. We build our few-shot object detection model upon YOLOv3 architecture and develop a multi-scale object detection framework. Experiments on two benchmark datasets demonstrate that with only a few annotated samples our model can still achieve a satisfying detection performance on remote sensing images and the performance of our model is significantly better than the well-established baseline models.Comment: 12pages, 7 figure

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

Fastaer det: Fast aerial embedded real-time detection

Automated detection of objects in aerial imagery is the basis for many applications, such as search and rescue operations, activity monitoring or mapping. However, in many cases it is beneficial to employ a detector on-board of the aerial platform in order to avoid latencies, make basic decisions within the platform and save transmission bandwidth. In this work, we address the task of designing such an on-board aerial object detector, which meets certain requirements in accuracy, inference speed and power consumption. For this, we first outline a generally applicable design process for such on-board methods and then follow this process to develop our own set of models for the task. Specifically, we first optimize a baseline model with regards to accuracy while not increasing runtime. We then propose a fast detection head to significantly improve runtime at little cost in accuracy. Finally, we discuss several aspects to consider during deployment and in the runtime environment. Our resulting four models that operate at 15, 30, 60 and 90 FPS on an embedded Jetson AGX device are published for future benchmarking and comparison by the community

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

Object Detection in 20 Years: A Survey

Object detection, as of one the most fundamental and challenging problems in computer vision, has received great attention in recent years. Its development in the past two decades can be regarded as an epitome of computer vision history. If we think of today's object detection as a technical aesthetics under the power of deep learning, then turning back the clock 20 years we would witness the wisdom of cold weapon era. This paper extensively reviews 400+ papers of object detection in the light of its technical evolution, spanning over a quarter-century's time (from the 1990s to 2019). A number of topics have been covered in this paper, including the milestone detectors in history, detection datasets, metrics, fundamental building blocks of the detection system, speed up techniques, and the recent state of the art detection methods. This paper also reviews some important detection applications, such as pedestrian detection, face detection, text detection, etc, and makes an in-deep analysis of their challenges as well as technical improvements in recent years.Comment: This work has been submitted to the IEEE TPAMI for possible publicatio