RemoteGLM

用于遥感图像场景分析的中文多模态大模型 | Chinese multimodal large-scale model for remote sensing image scene analysis

介绍

目前的通用多模态大模型如LLaVA、MiniGPT-4、InstructBLIP等，在通用领域的不同任务上均上取得了较好的效果，但这些多模态大模型在垂直领域的应用效果仍有较大提升空间。由于自然图像与遥感图像存在较大域间差距，通用多模态大模型在遥感图像分析中仍存在许多问题，目前还没有用于遥感图像场景分析的多模态大模型，这在一定程度上受限于遥感图像相关数据集的稀缺，基于通用多模态大模型的微调为遥感大模型的研究提供了可能。

VisualGLM-6B 是清华大学开源的，支持图像、中文和英文的多模态对话语言模型，由语言模型ChatGLM-6B与图像模型BLIP2-Qformer结合得到，整体模型共78亿参数，它能够整合视觉和语言信息，可用来理解图片，解析图片内容，结合模型量化技术，用户可以在消费级的显卡上进行本地部署，因此将其用于遥感多模态大模型的初步探索。RemoteGLM模型基于VisualGLM-6B，在遥感图像数据集上进行微调，实验证明通过在简单构建的低质量的指令微调数据集上进行微调，可以有效缓解遥感图像分析中的幻觉现象，提升在遥感图像场景分析中的效果。

效果展示

场景分析：

遥感图像	VisualGLM-6B	RemoteGLM
	这是一张城市地图的卫星照片。图片显示了一个繁忙的十字路口，周围是几栋公寓楼和一条街道。道路两侧有许多汽车停泊，远处还有一座大型建筑物。天空晴朗，云朵漂浮在天空中。	这是一张遥感图片，展示了一条道路两旁有许多住宅区。道路中央有一条横穿马路的十字路口，两侧有多条车道。住宅区内有一些房屋整齐排列，道路尽头有一个大型公园。
	这是一张体育场的鸟瞰图。这座建筑位于城市中心，有一个巨大的圆形屋顶和多个入口。周围有几栋建筑物，包括酒店、餐厅和其他商店。天空晴朗湛蓝，只有几棵稀疏的树木点缀在视野中。	这是一张图片，显示了一个大型圆形的足球场。球场周围有多条道路环绕着。球场内有一些草坪和座椅供球员休息。

多轮对话：

可以看到，经过微调后的模型可以很好地缓解幻觉问题，且具备了初步的遥感场景分析能力。

方法

数据集

一些常见的用于训练遥感视觉语言模型的数据集都是英文构建的，无法直接用于中文微调。因此参照XrayGLM的方法构建中文数据集。

可以使用常见的遥感字幕数据集构建中文遥感图像-文本对，常见数据集的信息如下：

数据集	大小	示例	下载链接
Sydney_captions	613张图片，每张5句描述		BaiduYun
UCM_captions	2100张图片，每张5句描述		BaiduYun
RSICD	10921张图片，每张5句描述		BaiduYun GoogleDrive

Notes:数据集中一些图片描述不足5句，通过随机复制现有的句子扩充到5句。

实验中使用Sydney_captions和UCM_captions两个数据集进行初步验证，分别对应json文件为data文件夹下的Sydney-zh-prompt.json和UCM-zh-prompt.json，同时使用两个数据集进行训练时对应的文件为SydneyUCM-zh-prompt.json.

使用方法

环境配置

使用pip安装依赖

pip install -r requirements.txt
# 国内使用镜像安装依赖
pip install -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/ -r requirements.txt

此时默认会安装deepspeed库（支持sat库训练），此库对于模型推理并非必要，同时部分Windows环境安装此库时会遇到问题。 如果想绕过deepspeed安装，我们可以将命令改为

pip install -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/ -r requirements_wo_ds.txt
pip install -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/ --no-deps "SwissArmyTransformer>=0.3.6"

权重下载

训练权重	下载链接	微调方法
checkpoints-RemoteGLM-1500	to be updated	LoRA

命令行推理

python cli_demo.py --from_pretrained checkpoints/checkpoints-remoteGLM-1500

网页gradio运行

python web_demo.py --from_pretrained checkpoints/checkpoints-remoteGLM-1500

此时可通过http://127.0.0.1:7860在线进行测试。

模型复现

数据集下载

按照上面给出的链接下载Sydney_captions和UCM_captions数据集，将数据集中的图片放到该项目文件夹下。

中文数据集准备

下载的几个数据集中的caption json文件结构较为杂乱，包括许多不需要的键值，每张图片包括分散的5个描述。

分散描述示例

{
	"images": [{
		"sentids": [0,
		1,
		2,
		3,
		4],
		"imgid": 0,
		"sentences": [{
			"tokens": ["A",
			"residential",
			"area",
			"with",
			"houses",
			"arranged",
			"neatly"],
			"raw": "A residential area with houses arranged neatly .",
			"imgid": 0,
			"sentid": 0
		},
		{
			"tokens": ["A",
			"residential",
			"area",
			"with",
			"houses",
			"arranged",
			"neatly",
			"and",
			"some",
			"roads",
			"go",
			"through",
			"this",
			"area"],
			"raw": "A residential area with houses arranged neatly and some roads go through this area .",
			"imgid": 0,
			"sentid": 1
		},
		{
			"tokens": ["A",
			"residential",
			"area",
			"with",
			"houses",
			"arranged",
			"neatly",
			"while",
			"some",
			"roads",
			"and",
			"railways",
			"go",
			"through"],
			"raw": "A residential area with houses arranged neatly while some roads and railways go through .",
			"imgid": 0,
			"sentid": 2
		},
		{
			"tokens": ["A",
			"residential",
			"area",
			"with",
			"houses",
			"arranged",
			"neatly",
			"while",
			"many",
			"plants",
			"on",
			"the",
			"roadside"],
			"raw": "A residential area with houses arranged neatly while many plants on the roadside .",
			"imgid": 0,
			"sentid": 3
		},
		{
			"tokens": ["A",
			"residential",
			"area",
			"with",
			"houses",
			"arranged",
			"neatly",
			"and",
			"some",
			"railways",
			"beside"],
			"raw": "A residential area with houses arranged neatly and some railways beside .",
			"imgid": 0,
			"sentid": 4
		}],
		"split": "train",
		"filename": "1.tif"
	},
  ……
]}

因此先对其进行预处理，将对应每张图片的5个描述拼接，执行如下代码：

cd data
python data/transform.py

可得到整理后的json文件。

整理描述示例

[
    {
        "imged_id": "1.tif",
        "caption": "A residential area with houses arranged neatly .  A residential area with houses arranged neatly and some roads go through this area .  A residential area with houses arranged neatly while some roads and railways go through .  A residential area with houses arranged neatly while many plants on the roadside .  A residential area with houses arranged neatly and some railways beside .  "
    },
    ……
]

然后利用openai的api对每张图像对应的英文描述翻译为中文文本，考虑到一些重复描述的存在，可以在提供的prompt中进行约束，可以自行试验不同prompt，生成风格化的描述：

python data/translation_en2zh.py

最后，更改json文件中的图像路径，并加入用于VisualGLM的prompt“这张遥感图像展现了什么场景？”，生成最终用于微调VisualGLM的文件：

python data/generate_prompt.py

此处选择相同的prompt，后续会测试不同prompt的效果。

模型训练

使用如下代码进行lora微调，可根据要求自行修改配置文件。

bash finetune_RemoteGLM.sh

问题及改进方向

1.由于遥感图像领域缺少大规模、高精度、精细描述的图文数据集，利用chatgpt生成的中文数据集质量较低，仍存在大量重复描述，或者图片描述较短，总体来说质量较低。这需要进一步探索更高质量遥感图文数据集，另一种可行方向是在此前生成的数据集上进一步利用chatgpt进行扩写或改写，提高数据集的质量。此外，初步实验中使用了相同的prompt，因此测试时对于不同遥感分析问题没有很好的理解能力，需要进一步构建指令微调数据集。

2.该项目只是对遥感图像大模型的初步探索，结果有很大改进空间，今后可能在更大的基座模型上进行微调，或在更大数据集上进行预训练。

致谢

1.该项目基于VisualGLM-6B进行微调。

2.该项目参照了XrayGLM的思路准备中文数据集。

3.该项目利用chatgpt生成中文数据集。