《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向无人机的深度学习内河船舶小目标检测方法
电子技术应用
李一鹏,杨华
上海海事大学 信息工程学院
摘要: 在内河低空无人机视角的船舶检测中,由于小目标和船舶遮挡等问题,传统算法在复杂背景、光照反射和波纹干扰下在准确检测小型船舶方面尚不成熟。为了解决这些问题,提出了一种基于YOLOv11n的改进算法——YOLO11-FFW(YOLO11—FEM FFM_Concat WIoUv2)。为提升小目标船舶的特征提取能力,引入了特征增强模块(FEM),通过多分支空洞卷积扩展感受野并融合多尺度上下文信息。为增强复杂背景下的多尺度特征表达,引入了特征融合模块(FFM_Concat),在BiFPN结构基础上加入可学习的权重重标定机制,实现了高低层特征的自适应融合。为提高模型在水面反光、遮挡及密集目标场景中的鲁棒性,改进了损失函数为WIoUv2,动态加权平衡定位与分类损失。实验结果表明,YOLO11-FFW相比YOLOv11,mAP@0.5提升1.4%,精确率提高0.8%,召回率提高2.4%,验证了该算法在复杂无人机视角下内河场景中检测小型船舶的有效性。
中圖分類號:TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257615
中文引用格式: 李一鵬,楊華. 面向無人機(jī)的深度學(xué)習(xí)內(nèi)河船舶小目標(biāo)檢測方法[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2026,52(4):1-9.
英文引用格式: Li Yipeng,Yang Hua. A deep learning-based method for small target detection of inland river vessels oriented to UAVs[J]. Application of Electronic Technique,2026,52(4):1-9.
A deep learning-based method for small target detection of inland river vessels oriented to UAVs
Li Yipeng,Yang Hua
School of Information Engineering, Shanghai Maritime University
Abstract: In vessel detection from low-altitude UAV perspectives in inland rivers, traditional algorithms struggle to accurately detect small vessels due to issues such as small target size, vessel occlusion, complex backgrounds, light reflection, and wave disturbances. To address these problems, this study proposes an improved algorithm based on YOLOv11n—YOLO11-FFW (YOLO11—FEM FFM_Concat WIoUv2). To enhance the feature extraction ability for small vessel targets, the Feature Enhancement Module (FEM) is introduced, which expands the receptive field through multi-branch atrous convolution and integrates multi-scale contextual information. To improve multi-scale feature expression in complex backgrounds, the Feature Fusion Module Concat (FFM_Concat) is introduced, incorporating a learnable weight recalibration mechanism on top of the BiFPN structure, achieving adaptive fusion of high- and low-level features. To increase the model's robustness in scenarios with water surface reflection, occlusion, and dense targets, the loss function is improved to WIoUv2, dynamically balancing localization and classification losses. Experimental results show that compared to YOLOv11, YOLO11-FFW achieves a 1.4% increase in mAP@0.5, a 0.8% increase in precision, and a 2.4% increase in recall, which is verified to be effective in detecting small vessels in inland river scenarios from complex UAV perspectives.
Key words : deep learning;YOLOv11;inland river vessel detection from UAV perspectives;small object detection;multi-scale feature fusion;WIoUv2

引言

隨著智能航運(yùn)和水上交通管理的不斷發(fā)展,基于無人機(jī)視角視頻監(jiān)控的船舶識別技術(shù)在航道安全、交通流量統(tǒng)計、違章檢測等領(lǐng)域[1]得到了廣泛應(yīng)用。然而,在復(fù)雜內(nèi)河環(huán)境中,光照反射、波紋擾動、背景復(fù)雜以及船舶遮擋等因素使得船舶目標(biāo)尺寸較小、邊緣模糊,傳統(tǒng)算法在小目標(biāo)檢測方面存在明顯不足,難以滿足高精度與實(shí)時性要求[2]。為此,提高復(fù)雜環(huán)境下,特別是小型船舶的檢測精度具有重要研究價值。

當(dāng)前的目標(biāo)檢測算法主要分為兩類:(1)Faster R-CNN[3]等兩階段檢測器,精度高但推理速度較慢;(2)YOLO[4-5]系列和SSD[6]等單階段檢測器,具有快速檢測和易部署的優(yōu)勢。YOLO系列從YOLOv3到YOLOv11[7] 發(fā)展,當(dāng)前主流的目標(biāo)檢測算法在小目標(biāo)檢測改進(jìn)以及特征融合領(lǐng)域已有許多先例和成果,學(xué)者們針對不同場景進(jìn)行了大量研究與改進(jìn)。孫超磊等人[8]通過引入多尺度特征融合結(jié)構(gòu)與通道注意力機(jī)制,提高了模型在復(fù)雜背景下的特征表達(dá)能力; MA Y等人[9]采用多尺度特征融合與小目標(biāo)檢測層優(yōu)化,兼顧了檢測精度與實(shí)時性能;ZHU Y等人 [10]提出了一種融合和非極大抑制相結(jié)合的損失函數(shù)后處理算法,從而在后處理階段獲得更精確的邊界框,為水面目標(biāo)檢測提供了新的思路[11]。然而,現(xiàn)有方法仍面臨小目標(biāo)特征提取不足、信息冗余和計算復(fù)雜度高等問題,限制了其在無人機(jī)視角下復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用。

本文在YOLOv11框架基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)算法——YOLO11-FFW(YOLO11—FEM FFM_Concat WIoUv2)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)如下:

(1)引入特征增強(qiáng)模塊(Feature Enhancement Module ,FEM[12]):通過多分支空洞卷積結(jié)構(gòu),擴(kuò)大感受野,增強(qiáng)模型對小目標(biāo)的特征提取能力,并提升復(fù)雜背景下細(xì)節(jié)特征的可分辨性。

(2)引入特征融合模塊(Feature Fusion Module ,FFM_Concat[12])并重新整合模型結(jié)構(gòu):在BiFPN結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入可學(xué)習(xí)的權(quán)重重標(biāo)定機(jī)制(CRC),實(shí)現(xiàn)高低層特征的自適應(yīng)融合,減少冗余信息,提高多尺度特征融合效率。

(3)損失函數(shù)WIoUv2[13]改進(jìn):通過動態(tài)加權(quán)機(jī)制平衡定位與分類損失,提升小目標(biāo)檢測中的定位精度,增強(qiáng)模型在密集船舶與遮擋場景中的魯棒性。

這些改進(jìn)提升了YOLO11-FFW模型在無人機(jī)視角下復(fù)雜環(huán)境中的船舶檢測精度,尤其在小型船舶和遮擋環(huán)境下的表現(xiàn),驗(yàn)證了該算法的有效性。


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http://www.ihrv.cn/resource/share/2000007031


作者信息:

李一鵬,楊華

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院,上海 201306)

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