Position-Aware Graph-CNN Fusion Network: An Integrated Approach Combining Geospatial Information and Graph Attention Network for Multiclass Change Detection

地理空间分析 计算机科学 人工智能 图形 图论 数据挖掘 遥感 理论计算机科学 数学 地质学 组合数学
作者
Moyang Wang,Xiang Li,Kun Tan,Joseph Mango,Pan Chen,Di Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62: 1-16 被引量:30
标识
DOI:10.1109/tgrs.2024.3350573
摘要

Urban change detection (CD) is crucial for informed decision-making but faces various challenges, including complex features, rapid changes, and extensive human interventions. These challenges underscore the urgent need for innovative multiclass CD (MCD) techniques that extensively incorporate deep learning (DL). Despite several successes achieved with the DL-based MCD methods, still certain shortcomings persist, including the disregard for spatial principles, which significantly hinders the seamless integration of geoscience-knowledge and artificial-intelligence. In this article, a novel DL model known as the position-aware graph-convolutional neural network (CNN) fusion network (PGCFN) is introduced, integrating spatial position encoding to effectively detect urban changes. The model’s first part encodes geospatial positions following Tobler’s first law (TFL) of geography. It then integrates encoded positions into an MCD model, combining a graph attention network (GAT) with a CNN to enhance performance. The model was tested on 0.5-m resolution remote sensing (RS) images, achieving an impressive minimum mean intersection over union (MIoU) score of 91.20%. Additionally, the model’s position-aware graph attention module exhibited a strong emphasis on geographic proximity when evaluating connections between superpixels. Overall, these findings affirm that our model could effectively addresses urban CD challenges and significantly enhances the integration of geoscience knowledge and artificial intelligence (AI).
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