鐘 靜,劉星瑞,郭明強(qiáng),,3,4*

（1.湖北地信科技集團(tuán)股份有限公司，湖北 武漢 430200；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430074；4.國家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430200）

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的不斷進(jìn)步，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在圖像識(shí)別方面取得了重大進(jìn)展[1]。在遙感領(lǐng)域，近年也利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)支持場景理解、地物目標(biāo)檢測與土地覆蓋分類等任務(wù)。人們通過構(gòu)建大量樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了遙感影像特征提取成效[2-4]。人工智能在各個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用的過程中，對數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)標(biāo)注效率、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度、數(shù)據(jù)維度和樣本復(fù)雜性的要求越來越高，這對樣本標(biāo)注技術(shù)、標(biāo)注平臺(tái)能力、樣本協(xié)同標(biāo)注等都提出了挑戰(zhàn)。樣本標(biāo)注是樣本庫建設(shè)的基礎(chǔ)工作[5]，作為人工智能模型訓(xùn)練過程直接與數(shù)據(jù)精度銜接的一環(huán)，樣本標(biāo)注更是整個(gè)工作流程的重中之重。

隨著AI行業(yè)的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)可能成為公司發(fā)展的壁壘。但無論大中小企業(yè)，在面對樣本標(biāo)注任務(wù)時(shí)，或多或少都會(huì)有技術(shù)或者資源上的問題，這歸因于樣本標(biāo)注行業(yè)目前還沒有較好的在線數(shù)據(jù)協(xié)作標(biāo)注平臺(tái)，也沒有一個(gè)樣本標(biāo)注的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在這種行業(yè)狀況下，亟需一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)共享標(biāo)注、樣本統(tǒng)一管理的在線標(biāo)注平臺(tái)。本文以解決遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注的實(shí)際問題為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Web-GIS的遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)。

1 遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)研究情況

1.1 遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，人們的生產(chǎn)方式、思維方式、學(xué)習(xí)方式都發(fā)生了翻天覆地的變化，同時(shí)也加速了中國邁向?qū)W習(xí)型社會(huì)的步伐。深度學(xué)習(xí)作為一種新的學(xué)習(xí)方式，已越來越受到研究者和學(xué)習(xí)者的重視[6]。對遙感影像進(jìn)行深度學(xué)習(xí)樣本采集并非新課題，在各大高校、研究所或相關(guān)單位中，可見許多專用的遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注軟件。

互聯(lián)網(wǎng)的高共享，信息獲取快的特點(diǎn)為遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注提供了更多的便利。目前市面上的深度學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注系統(tǒng)雖然都服務(wù)于數(shù)據(jù)標(biāo)注工作，但其功能各有差異，解決的問題也各不相同。例如航天宏圖公司的PIE-Engine樣本協(xié)同標(biāo)注平臺(tái)面向的是整個(gè)數(shù)據(jù)采集、標(biāo)注、訓(xùn)練、應(yīng)用的過程，其數(shù)據(jù)格式和標(biāo)注過程也更加偏向其對應(yīng)的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型[7]；華為云的AI開發(fā)平臺(tái)ModelArts提供其原創(chuàng)的數(shù)據(jù)標(biāo)注系統(tǒng)，涵蓋圖片、音頻、文本、視頻等多種介質(zhì)的分類方法以及海量的數(shù)據(jù)處理功能，但需要依賴華為云提供的云服務(wù)器，操作較為復(fù)雜，不利于團(tuán)隊(duì)協(xié)作標(biāo)注；杭州景聯(lián)文科技有限公司和北京倍賽科技有限公司的樣本標(biāo)注品平臺(tái)均提供2D、3D融合標(biāo)注，點(diǎn)云標(biāo)注及OCR轉(zhuǎn)寫功能，其中景聯(lián)文公司的數(shù)據(jù)標(biāo)注偏向于指紋識(shí)別方向，而倍賽公司的數(shù)據(jù)標(biāo)注偏向于醫(yī)學(xué)研究，對于遙感影像的標(biāo)注沒有一套完整有效的標(biāo)準(zhǔn)。其他大部分的深度學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注系統(tǒng)也都具有類似問題。但不可否認(rèn)的是，現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注技術(shù)已經(jīng)較為成熟，為遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注系統(tǒng)的構(gòu)建提供了寶貴的案例和技術(shù)支持。

1.2 遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域起步早，研究者眾多，在數(shù)據(jù)標(biāo)注方向相關(guān)研究領(lǐng)先我國。面向數(shù)據(jù)標(biāo)注工作的專業(yè)軟件就有十余種。其中，可應(yīng)用于遙感領(lǐng)域的具有多用戶在線協(xié)同功能的有CVAT、Labelstudio、Scalabel等。在本地運(yùn)行的單機(jī)標(biāo)注軟件有LabelMe、Vatic、Sloth、Annotorious等。但無論是國內(nèi)還是國外，在Web端的多用戶協(xié)作標(biāo)注平臺(tái)發(fā)展并不成熟，做得比較完備的如CVAT使用的是Django框架管理用戶，在Web端上傳數(shù)據(jù)并創(chuàng)建標(biāo)注任務(wù)，且需要Docker容器環(huán)境運(yùn)行，安裝復(fù)雜且數(shù)據(jù)上傳不穩(wěn)定，等待時(shí)間甚至多于工作時(shí)間。

總體來看，亟需研究并開發(fā)遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注平臺(tái)，提升樣本標(biāo)注團(tuán)隊(duì)的工作效率，提高遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本質(zhì)量，最大程度減輕樣本標(biāo)注復(fù)雜程度。

2 遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)需求分析

經(jīng)過分析，樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)需要滿足如下特點(diǎn)：標(biāo)注工具部署在Web端，能即開即用；數(shù)據(jù)最好放在服務(wù)器端統(tǒng)一的樣本數(shù)據(jù)庫中，避免本地?cái)?shù)據(jù)二次上傳浪費(fèi)人力物力；有公開的樣本數(shù)據(jù)可供參考、學(xué)習(xí)；用戶之間能夠分享自己標(biāo)注的樣本。

2.1 系統(tǒng)功能需求分析

作為一個(gè)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)，至少需具備在線協(xié)作樣本標(biāo)注基本功能。從標(biāo)注用戶角度出發(fā)，需考慮樣本的呈現(xiàn)方式，簡化協(xié)作標(biāo)注過程，對已標(biāo)注的樣本考慮是否需要可視化展示及如何展示；從管理員角度出發(fā)，應(yīng)了解如何進(jìn)行用戶信息管理和平臺(tái)樣本管理。對上述需求分析，系統(tǒng)功能規(guī)劃為影像地圖基礎(chǔ)功能、樣本標(biāo)注核心功能、數(shù)據(jù)管理功能、網(wǎng)站業(yè)務(wù)功能四大模塊，系統(tǒng)整體功能需求如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)非功能需求分析

由于遙感影像深度學(xué)習(xí)的在線標(biāo)注系統(tǒng)是面向大規(guī)模樣本進(jìn)行標(biāo)注的，涉及到的人員范圍較廣，這就要求該系統(tǒng)能夠支持大規(guī)模的人員登錄，同時(shí)也可以防止由于并行操作而造成的系統(tǒng)信息差錯(cuò)。

管理員登錄人數(shù)少，但是要處理海量的數(shù)據(jù)，對本系統(tǒng)服務(wù)的容量有較高要求，否則會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)頁出現(xiàn)卡頓，從而影響用戶的體驗(yàn)感。同時(shí)，如果與相關(guān)部門合作，會(huì)利用政府的內(nèi)部資料，進(jìn)行必要的安全防護(hù)，以避免信息外泄。

綜上所述，系統(tǒng)需具備性能高，操作簡單，數(shù)據(jù)安全性高，統(tǒng)維護(hù)便捷，可用性好等特點(diǎn)。

3 遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，REST服務(wù)風(fēng)格設(shè)計(jì)，前后端分離的開發(fā)風(fēng)格，利用瀏覽器完成對工作頁的訪問。極少部分的業(yè)務(wù)邏輯存在于瀏覽器端，從而降低了服務(wù)器的負(fù)荷，也降低了后期的升級和維護(hù)費(fèi)用。在后臺(tái)使用MapGIS IGServer，為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存取界面。而在前端則是Vue架構(gòu)，采用element-UI來調(diào)整網(wǎng)頁的外觀樣式，讓使用者獲得更好的體驗(yàn)感。利用所述的界面?zhèn)魉虷ttp要求、作業(yè)命令及接收用戶反饋，并在前端網(wǎng)頁上呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)前端劃分為視圖層和邏輯操作層，視圖層主要是Vue框架將處理好的數(shù)據(jù)渲染到頁面上進(jìn)行相應(yīng)的顯示以及用戶信息和網(wǎng)站業(yè)務(wù)信息顯示的圖層[8]。邏輯操作層主要是針對用戶的操作進(jìn)行相應(yīng)處理，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)請求，以及獲取后臺(tái)發(fā)送回來的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行相應(yīng)處理，使得其符合數(shù)據(jù)顯示的要求。后臺(tái)劃分?jǐn)?shù)據(jù)邏輯操作層和數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)邏輯操作層主要是后臺(tái)獲取網(wǎng)絡(luò)請求后，按照要求設(shè)置數(shù)據(jù)的操作指令，以及發(fā)送數(shù)據(jù)操作后的結(jié)果。數(shù)據(jù)層是指數(shù)據(jù)庫層次，指數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、獲取、刪除等操作。

系統(tǒng)角色設(shè)計(jì)為普通用戶和管理員兩種。普通用戶是系統(tǒng)的主要使用者，系統(tǒng)大量的樣本數(shù)據(jù)是由普通用戶上傳并提交審核。在用戶個(gè)人創(chuàng)建的項(xiàng)目中，項(xiàng)目創(chuàng)建者擁有對所標(biāo)注的所有樣本進(jìn)行操作權(quán)限，而項(xiàng)目參與者只能夠修改自己標(biāo)注的樣本。在公開樣本集中，普通用戶只有瀏覽下載公開樣本集的權(quán)限，管理員則擁有變更這些信息的權(quán)限。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用IGServer平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)層，提供基礎(chǔ)的影像、矢量、三維等數(shù)據(jù)支持。其中，GIS數(shù)據(jù)庫包括本地的HDF文件數(shù)據(jù)庫，以及基于其他數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)。在IGServer平臺(tái)中，使用空間數(shù)據(jù)庫引擎技術(shù)（SDE）與中間件技術(shù)，通過數(shù)據(jù)中心對海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化管理[9]。遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫共有3個(gè)數(shù)據(jù)庫表，分別為用戶信息表、待審核信息表、系統(tǒng)項(xiàng)目信息表。其中用戶信息表包括普通用戶信息表和管理員用戶信息表，系統(tǒng)項(xiàng)目信息表包括項(xiàng)目信息表和系統(tǒng)消息信息表。

4 遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)基于Visual Studio Code×64開發(fā)環(huán)境和MapGIS IGServer 10.2互聯(lián)網(wǎng)GIS服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)包括登錄、首頁、影像地圖、樣本標(biāo)注、數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)站業(yè)務(wù)管理等模塊。

用戶首先需要注冊賬號(hào)，擁有賬號(hào)的用戶輸入正確的密碼可直接登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)登錄成功后，首頁界面示意圖如圖2所示。然后需要?jiǎng)?chuàng)建項(xiàng)目，填寫相關(guān)信息以及將待標(biāo)注的影像數(shù)據(jù)上傳，待管理員審核后發(fā)布在個(gè)人標(biāo)注任務(wù)中。審核通過后，用戶選擇要標(biāo)注的項(xiàng)目開始進(jìn)行樣本標(biāo)注所示。

圖2 系統(tǒng)首頁

樣本標(biāo)注模塊實(shí)現(xiàn)樣本標(biāo)注的全過程，該模塊是本系統(tǒng)的核心功能。首先，用戶選擇標(biāo)注的圖層進(jìn)行要素繪制，同時(shí)用戶對所選要素可以進(jìn)行編輯操作，如圖3所示。標(biāo)注繪制完成后，樣本生成并打包提交審核。管理員讀取并審核完樣本后，如圖4所示，將樣本添加為壓縮包，通過Node Package Manager發(fā)布至服務(wù)器，生成相應(yīng)的超鏈接供用戶點(diǎn)擊下載。如圖5所示，用戶自行選取導(dǎo)出樣本區(qū)域，裁剪合適大小調(diào)用后臺(tái)進(jìn)行批量下載，生成深度學(xué)習(xí)樣本。用戶可以使用已經(jīng)標(biāo)注好的公開數(shù)據(jù)集進(jìn)行樣本生成，以用于學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注過程和統(tǒng)一樣本標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 樣本標(biāo)注

圖4 坐標(biāo)選擇審核范圍

圖5 樣本下載

遙感影像樣本標(biāo)注專業(yè)性較強(qiáng)，目前樣本采集主要采用專業(yè)人員手工采集，效率低、成本高，且由于樣本標(biāo)注者的專業(yè)認(rèn)知差異導(dǎo)致標(biāo)注質(zhì)量不均[5]。為提高樣本采集效率和質(zhì)量，本系統(tǒng)支持樣本眾包協(xié)同采集標(biāo)注、在線校驗(yàn)。用戶將待采集遙感影像樣本共享至系統(tǒng)，將地理信息數(shù)據(jù)公開，將大區(qū)域的標(biāo)注任務(wù)發(fā)放至平臺(tái)。通過發(fā)放眾包任務(wù)，讓多個(gè)專業(yè)用戶在線協(xié)同標(biāo)注及上傳，管理員統(tǒng)一審核后將滿足要求的樣本補(bǔ)充至樣本庫。

信息化的標(biāo)注平臺(tái)不需要標(biāo)注人員手工進(jìn)行樣本的標(biāo)注統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)通過樣本標(biāo)注可視化功能全方位多角度地展示項(xiàng)目的完成情況及各類樣本的占比?？梢酝ㄟ^項(xiàng)目參與者各自標(biāo)注的樣本數(shù)量柱狀圖，近一周項(xiàng)目樣本標(biāo)注走勢折線圖，樣本來源環(huán)狀圖，不同類別樣本占比餅狀圖在線查看樣本情況，如圖6所示。

圖6 樣本統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

本文從建設(shè)背景、需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)4個(gè)方面介紹了遙感影像深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注系統(tǒng)。筆者通過對目前的國內(nèi)外現(xiàn)存的深度學(xué)習(xí)樣本在線標(biāo)注網(wǎng)站進(jìn)行調(diào)查研究，結(jié)合參與過的深度學(xué)習(xí)樣本標(biāo)注例子和面臨的實(shí)際問題，充分對標(biāo)注用戶和管理人員的操作流程和習(xí)慣進(jìn)行分析后構(gòu)建出的管理系統(tǒng)。對標(biāo)注用戶來說，采用網(wǎng)頁瀏覽的方式，界面友好，且操作形式和業(yè)務(wù)邏輯與傳統(tǒng)的地圖網(wǎng)站相似，操作簡單易懂。業(yè)務(wù)方面，將遙感影像進(jìn)行在線協(xié)作標(biāo)注能大幅減輕標(biāo)注團(tuán)隊(duì)的工作量，提高了樣本標(biāo)注效率，減少了人力消耗。