Classification of ALS Point Clouds Using End-to-End Deep Learning
- 1. Heidelberg University, 3D Geospatial Data Processing Group (3DGeo), Institute of Geography (Germany)
- 2. Technische Universität Wien, Department of Geodesy and Geoinformation (E120) (Austria)
- 3. University of Stuttgart, Institute for Photogrammetry (Germany)
Description
Deep learning, referring to artificial neural networks with multiple layers, is widely used for classification tasks in many disciplines including computer vision. The most popular type is the Convolutional Neural Network (CNN), commonly applied to 2D image data. However, CNNs are difficult to adapt to irregular data like point clouds. PointNet, on the other hand, has enabled the derivation of features based on the geometric distribution of a set of points in nD-space utilising a neural network. We use PointNet on multiple scales to automatically learn a representation of local neighbourhoods in an end-to-end fashion, which is optimised for semantic labelling on 3D point clouds acquired by Airborne Laser Scanning (ALS). The results are comparable to those using manually crafted features, suggesting a successful representation of these neighbourhoods. On the ISPRS 3D Semantic Labelling benchmark, we achieve 80.6% overall accuracy, a mid-field result. Investigation on a bigger dataset, namely the 2011 ALS point cloud of the federal state of Vorarlberg, shows overall accuracies of up to 95.8% over large-scale built-up areas. Lower accuracy is achieved for the separation of low vegetation and ground points, presumably because of invalid assumptions about the distribution of classes in space, especially in high alpine regions. We conclude that the method of the end-to-end system, allowing training on a big variety of classification problems without the need for expert knowledge about neighbourhood features can also successfully be applied to single-point-based classification of ALS point clouds.
Abstract (German)
Zusammenfassung
Klassifizierung von ALS-Punktwolken mit End-to-End Deep Learning. Maschinelles Lernen mit künstlichen neuronalen Netzen hat unter dem Namen Deep Learning bei Klassifizierungs- und Regressionsaufgaben viele Erfolge, insbesondere auch in der Computer Vision erbracht. Ein beliebtes Modell dabei ist das Convolutional Neural Network, welches auf einer Faltungsoperation basiert und einfach auf 2D-Bilddaten angewendet werden kann. Auf irregulären Daten wie Punktwolken ist die Anwendung jedoch nicht trivial. Daher wurde mit PointNet eine Architektur vorgestellt, welche die Ableitung von Nachbarschaftsinformationen aus einer Menge von Punkten in n-dimensionalem Raum in der Form eines neuronalen Netzes lernen kann. In dieser Arbeit wird PointNet auf topographischen Punktwolken aus Airborne Laser Scanning (ALS) zur semantischen Klassifizierung eingesetzt. Die erzielten Ergebnisse sind mit denen aus manuell selektierten Merkmalen vergleichbar, was auf einen erfolgreichen Lernprozess hinweist. Die Gesamtgenauigkeit auf dem 3D Semantic Labelling Testdatensatz der ISPRS liegt mit 80,6% im Mittelfeld. Weitere Analysen auf einem größeren Datensatz, einer ALS Punktwolke des Landes Vorarlberg, zeigen deutlich höhere Gesamtgenauigkeiten von bis zu 95,8% in urbanem Gebiet. In alpinen Bereichen stellt sich jedoch die Separation von niedriger Vegetation und Boden als problematisch heraus. Dennoch ist die Methode, mithilfe von Trainingsdaten automatisiert Nachbarschaftsmerkmale aus Punktwolken für einzelpunktbasierte Klassifizierungsaufgaben abzuleiten, auch auf ALS-Daten erfolgreich anwendbar, ohne dass auf Expertenwissen zurückgegriffen werden muss.Additional details
Identifiers
Publishing Information
- Journal Title
- Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Geoinformation Science (Online)
- Journal Volume
- 87
- Journal Issue
- 3
- Journal Page Range
- p. 75-90
- ISSN
- 2512-2819
INIS
- Country of Publication
- Switzerland
- Country of Input or Organization
- International Atomic Energy Agency (IAEA)
- INIS RN
- 55026986
- Subject category
- S97: MATHEMATICAL METHODS AND COMPUTING;
- Descriptors DEI
- BENCHMARKS; CLASSIFICATION; COMPUTERS; GEOMETRY; IMAGES; LABELLING; LASERS; MACHINE LEARNING; NEURAL NETWORKS; VISION
- Descriptors DEC
- ALGORITHMS; ARTIFICIAL INTELLIGENCE; LEARNING; MATHEMATICAL LOGIC; MATHEMATICS
Optional Information
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