《電子技術應用》
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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 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257615
中文引用格式: 李一鵬,楊華. 面向無人機的深度學習內河船舶小目標檢測方法[J]. 電子技術應用,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

隨著智能航運和水上交通管理的不斷發展,基于無人機視角視頻監控的船舶識別技術在航道安全、交通流量統計、違章檢測等領域[1]得到了廣泛應用。然而,在復雜內河環境中,光照反射、波紋擾動、背景復雜以及船舶遮擋等因素使得船舶目標尺寸較小、邊緣模糊,傳統算法在小目標檢測方面存在明顯不足,難以滿足高精度與實時性要求[2]。為此,提高復雜環境下,特別是小型船舶的檢測精度具有重要研究價值。

當前的目標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勢。YOLO系列從YOLOv3到YOLOv11[7] 發展,當前主流的目標檢測算法在小目標檢測改進以及特征融合領域已有許多先例和成果,學者們針對不同場景進行了大量研究與改進。孫超磊等人[8]通過引入多尺度特征融合結構與通道注意力機制,提高了模型在復雜背景下的特征表達能力; MA Y等人[9]采用多尺度特征融合與小目標檢測層優化,兼顧了檢測精度與實時性能;ZHU Y等人 [10]提出了一種融合和非極大抑制相結合的損失函數后處理算法,從而在后處理階段獲得更精確的邊界框,為水面目標檢測提供了新的思路[11]。然而,現有方法仍面臨小目標特征提取不足、信息冗余和計算復雜度高等問題,限制了其在無人機視角下復雜環境中的應用。

本文在YOLOv11框架基礎上提出了一種改進算法——YOLO11-FFW(YOLO11—FEM FFM_Concat WIoUv2)。本研究的創新點如下:

(1)引入特征增強模塊(Feature Enhancement Module ,FEM[12]):通過多分支空洞卷積結構,擴大感受野,增強模型對小目標的特征提取能力,并提升復雜背景下細節特征的可分辨性。

(2)引入特征融合模塊(Feature Fusion Module ,FFM_Concat[12])并重新整合模型結構:在BiFPN結構基礎上引入可學習的權重重標定機制(CRC),實現高低層特征的自適應融合,減少冗余信息,提高多尺度特征融合效率。

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

這些改進提升了YOLO11-FFW模型在無人機視角下復雜環境中的船舶檢測精度,尤其在小型船舶和遮擋環境下的表現,驗證了該算法的有效性。


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作者信息:

李一鵬,楊華

(上海海事大學 信息工程學院,上海 201306)

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