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ICESat-2光子点云去噪分类方法研究

ICESat-2光子点云去噪分类方法研究

作者：陆大进昆明理工大学

学位级别：硕士

星载激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)作为新型对地观测的重要手段,因其运行轨道高、观测范围大,在大区域地表三维信息获取和森林参数定量反演上具有独特的优势。ICESat-2(Ice,Cloud,and land Elevation Satellite-2)是美国... 详细信息

星载激光雷达(Light Detection And Ranging,LiDAR)作为新型对地观测的重要手段,因其运行轨道高、观测范围大,在大区域地表三维信息获取和森林参数定量反演上具有独特的优势。ICESat-2(Ice,Cloud,and land Elevation Satellite-2)是美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)在2018年发射的新一代激光测高卫星,其上搭载的激光测高系统ATLAS(Advanced Topographic Laser Altimeter System)采用微脉冲多波束光子计数激光雷达(Photon-Counting LiDAR)系统,因其低能耗、高探测灵敏度、高重复频率的特性极大改善了沿轨采样密度,但也使获取的数据中包含大量的噪声,严重影响数据的处理,如何有效实现光子点云去噪分类成为后续应用的关键,也是当前研究的热点和难点。与传统激光雷达数据相比,ICESat-2/ATLAS获取的光子点云数据为二维剖面分布,信噪比较低,已有的去噪算法不能直接应用于光子点云数据处理,因此需要研究适用于ICESat-2/ATLAS光子点云去噪的算法。基于上述背景,本文深入研究ICESat-2/ATLAS光子点云的空间分布特点,在已有研究的基础上,开展光子点云去噪分类方法研究:提出一种基于椭圆邻域密度的自适应多级去噪算法;开展基于深度卷积神经网络的光子去噪分类方法可行性研究。主要工作和结论如下:(1)提出一种基于椭圆邻域密度的自适应多级去噪算法,该算法分三次去除噪声光子。首先将原始光子点云在沿轨和高程方向划分格网,在高程方向建立频数分布直方图,去除明显的噪声光子点,并通过剔除的噪声光子点云与所占面积的关系估算噪声率,实现一次去噪;然后计算一次去噪后光子点云的椭圆邻域密度,根据噪声率估算噪声与信号光子点云的密度分界值,利用信号光子和噪声光子的空间分布差异将密度小于分界值的光子作为噪声光子将其剔除,实现二次去噪;最后利用箱线图滤波器剔除少量残留的噪声点,实现三次去噪。研究结果表明,无论裸地还是森林区域,所提算法均能有效剔除噪声光子点进而实现信号光子的精细化提取,无需指定去噪阈值,自适应性强。(2)提出一种基于卷积神经网络的光子点云去噪分类算法。该算法的核心思想是将每个光子点栅格化为影像;然后基于少量样本构建卷积神经网络分类模型;最后实现光子点云去噪和分类。研究结果表明,卷积神经网络算法能有效去除噪声光子,对于森林区域,可同时实现去噪和分类。本研究利用深度学习算法实现光子点云去噪分类,在裸地和森林区域均取得较好的结果,为后续光子点云数据处理提供新的解决思路。(3)本文采用两种方法实现ICESat-2/ATLAS光子点云去噪处理。基于局部椭圆密度的自适应多级去噪方法是非监督分类,可直接实现去噪,自适应性强,需要人为设计特征,在裸地地表、森林地表和森林树冠计算的RMSE分别为0.79m、1.12m和5.11m。基于卷积神经网络的去噪方法是监督分类,具有自主学习特征能力,对于森林区域可同时实现去噪分类,但需要大量训练数据集,在裸地地表、森林地表和森林树冠计算的RMSE分别为0.72m、1.11m和4.99m。

关键词：激光雷达 ICESat-2 光子计数光子点云去噪与分类深度学习卷积神经网络

基于卷积神经网络的ICESat-2光子点云去噪分类

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地球信息科学学报 2021年第11期23卷 2086-2095页

作者：陆大进黎东朱笑笑聂胜周国清张兴忆杨超昆明理工大学国土资源工程学院昆明650093 中国科学院空天信息创新研究院数字地球重点实验室北京100094 桂林理工大学测绘地理信息学院桂林541006

ICESat-2(Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)是美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)在2018年发射的激光测高卫星,其上搭载的激光测高系统ATLAS(Advanced Topographic Laser Altimeter System)采用微脉冲多波束光子计数激光雷达系统,因其低能耗、高探测灵敏度、高重复频率的特性极大改善了沿轨采样密度,但也使获取的数据中包含大量的噪声,如何有效实现光子点云去噪分类成为后续应用的关键,也是当前研究的热点和难点,为此本文提出一种基于卷积神经网络的光子点云去噪和分类算法。首先将光子点云按照沿轨和高程方向划分格网,去除明显的噪声光子,并将每个粗信号光子点栅格化为影像;然后基于少量样本构建的卷积神经网络分类模型实现光子点云精去噪和分类;最后利用机载激光雷达数据进行验证,并与ATL08产品的去噪分类结果进行对比。结果表明,对于裸地和森林区域,卷积神经网络算法均能有效去除噪声光子,特别对于森林区域,可同时实现去噪和分类;其中,裸地区域地表计算的R2和RMSE分别为1.0和0.72 m,森林区域地表和树冠计算的R2分别为1.0和0.70,RMSE分别为1.11 m和4.99 m。本文利用深度学习算法实现光子点云去噪分类,在裸地和森林区域均取得了较好的结果,为后续光子点云数据处理提供了参考。

关键词： ICESat-2 监督学习光子计数光子点云栅格化去噪与分类卷积神经网络深度学习

YOLOv4-tiny算法的融合模块在卷烟小包外观缺失检测中的应用

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中国烟草学报 2022年第2期28卷 59-64页

作者：杨超李佳田张泽龙陆大进张兴忆杨树青昆明理工大学国土资源工程学院昆明650093 云南远足科技有限公司昆明650093

卷烟烟包外包装图案缺失检测是卷烟生产中的重要环节,目前常用的图案缺失检测方法普遍存在漏检率高、识别精度不够和速度慢等问题。因此本文提出了一种基于YOLOv4-tiny的烟包缺陷快速检测方法。该方法主要包括:(1)使用CSPDarknet53-tin... 详细信息

卷烟烟包外包装图案缺失检测是卷烟生产中的重要环节,目前常用的图案缺失检测方法普遍存在漏检率高、识别精度不够和速度慢等问题。因此本文提出了一种基于YOLOv4-tiny的烟包缺陷快速检测方法。该方法主要包括:(1)使用CSPDarknet53-tiny对图像特征进行提取。(2)通过添加多空间空洞卷积融合模块,获得丰富的上下文信息,增强感受野,从而提高模型的检测精度。(3)使用EIoU边框位置回归损失函数,提高烟盒图案识别预测框的精确率。本文方法与YOLOv4-tiny进行对比,实验结果表明,本文算法m AP值为97.35%,检测烟包外观的平均时间为17ms,能够满足卷烟小包外观检测对时间和精确率的要求。相较于YOLOv4-tiny在m AP上提升了1.34%,在AverageIoU上提升了3.68%,速度基本与YOLOv4-tiny持平,在保持快速检测的同时能够有效的提高精度。

关键词： YOLOv4-tiny EIoU 图案检测多空间空洞卷积融合模块

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重力方法在太原南部地热开发中的应用

地质学刊 2019年第3期43卷 415-420页

作者：缪旭煌陆大进安徽省勘查技术院

物探方法于已广泛应用地热能资源开发。太原南部地热开发方式是利用深部地热资源进行循环水供热,因田庄断裂垂向断距>1 500 m,是影响太原南部地热资源分布的重要因素,其下降盘含热层深度>4 000 m,开发成本极高,因此需要利用地球物理方... 详细信息

物探方法于已广泛应用地热能资源开发。太原南部地热开发方式是利用深部地热资源进行循环水供热,因田庄断裂垂向断距>1 500 m,是影响太原南部地热资源分布的重要因素,其下降盘含热层深度>4 000 m,开发成本极高,因此需要利用地球物理方法查明断层位置及走向。在城市进行物探工作,方法选择是需要考虑的关键因素之一,因此选取以重力为主、地震方法或CSAMT方法验证的方案。田庄断裂较为陡立,利用经2个已知孔剖面的重力水平一阶导数求取上断点位置,再利用剖面追踪布设方式确定断裂走向,结合CSAMT方法及已知钻孔资料综合拟合新生界覆盖层厚度。结果表明:田庄断裂由北东东向转北东向,田庄村东侧发现断裂错位,且方向发生改变;研究区东北—西南方向,沿田庄断裂覆盖层厚度逐渐增大。断裂位置及新生界厚度得到了西-GXWL探-1孔及后期施工钻孔的验证。

关键词：重力方法田庄断裂垂向断距重力剖面水平一阶导数综合拟合地热山西太原

端到端堆叠沙漏网络的遥感影像建筑物轮廓重构

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测绘通报 2022年第5期 67-73页

作者：张兴忆李佳田杨汝春陆大进张泽龙杨超昆明理工大学国土资源工程学院云南昆明650093

针对如何以端到端可训练的方式重构建筑物轮廓的问题,本文提出了一种端到端多残差模块堆叠沙漏网络的建筑物轮廓重构方法。首先,采用多残差模块堆叠沙漏网络提取建筑物角点和边缘特征;其次,利用角点检测模块匹配对应角点的相对位置,以... 详细信息

针对如何以端到端可训练的方式重构建筑物轮廓的问题,本文提出了一种端到端多残差模块堆叠沙漏网络的建筑物轮廓重构方法。首先,采用多残差模块堆叠沙漏网络提取建筑物角点和边缘特征;其次,利用角点检测模块匹配对应角点的相对位置,以获取候选角点;然后,通过线段采样将候选角点生成候选轮廓线;最后,线验证模块利用候选线段及多残差模块堆叠沙漏网络得到特征图,并验证每个线段是否为建筑物轮廓线,以获得建筑物轮廓重构结果。试验结果表明,在SpaceNet建筑物数据集上,本文方法能检测出建筑物角点及边缘,并有效实现了以端到端可训练的方式重构建筑物轮廓。

关键词：建筑物轮廓重构堆叠沙漏网络残差模块角点检测线段采样

安徽省沿江地区典型矿床CSAMT异常模式构建

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石油仪器 2011年第4期25卷 69-72页

作者：陆大进薛国强张凯汤正江安徽省勘查技术院中国科学院地质与地球物理研究所

在安徽省沿江地区典型矿床进行综合物探异常模型构建,其中CSAMT法在异常模型构建中取得较好的效果,在深入认识矿区的成矿规律和控矿因素的基础上,对CSAMT数据进行了预处理和反演,成功地反映矿体(脉)附近电性规律,为类似地区勘查提供方... 详细信息

在安徽省沿江地区典型矿床进行综合物探异常模型构建,其中CSAMT法在异常模型构建中取得较好的效果,在深入认识矿区的成矿规律和控矿因素的基础上,对CSAMT数据进行了预处理和反演,成功地反映矿体(脉)附近电性规律,为类似地区勘查提供方法依据。

关键词： CSAMT隐伏矿异常模式成矿规律地球物理勘探

综合物探方法在霍邱马店地区能源资源调查评价中的应用

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工程地球物理学报 2021年第6期18卷 911-916页

作者：张玲玲鲁杏陆大进安徽省勘查技术院安徽合肥230031

霍邱马店地区位于合肥盆地西缘,附近新发现了厚度达200 m的碳酸盐岩,属于碳酸盐斜坡相,具有生油气的潜能。为了查明该地区的地层格架和构造特征,在该地区开展了重力、可控源音频大地电磁测深(CSAMT)工作。通过对重力资料的处理、CSAMT... 详细信息

霍邱马店地区位于合肥盆地西缘,附近新发现了厚度达200 m的碳酸盐岩,属于碳酸盐斜坡相,具有生油气的潜能。为了查明该地区的地层格架和构造特征,在该地区开展了重力、可控源音频大地电磁测深(CSAMT)工作。通过对重力资料的处理、CSAMT资料的处理、二维反演,得到了布格重力异常和电阻率剖面特征。根据地电模型、布格重力异常曲线,并综合利用区域地质、区域重磁场资料,以物性参数作为依据,进行了剖面2.5D人机交互地质建模。根据建模结果,对综合物探资料进行了解释,基本明确了该区新生代地层和古生代分布区在剖面上的范围、长度和地质特征,同时还推断解释了5条断裂的性质、位置和走向。通过综合物探工作所查明的主要地层展布情况、断裂构造的性质和规模,为该地区寻找古生代油气进而进行能源资源调查评价提供了基础资料。

关键词：重力可控源音频大地电磁测深地质构造地层展布

可控源音频大地电磁测深法在江西省尖峰坡地区深部资源调查中的应用

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资源环境与工程 2021年第4期35卷 541-546页

作者：张玲玲鲁杏陆大进钟波安徽省勘查技术院安徽合肥230031 江西省地质矿产勘查开发局九一六大队江西九江332000

江西省尖峰坡地区是彭山—坳下锡多金属矿集区的重要组成部分,成矿条件优越。为查明该区的地质体空间分布状况及构造格架,在分析重磁勘探成果基础上,开展可控源音频大地电磁测深工作。通过数据采集、处理和反演,获得1500 m以浅的电性结... 详细信息

江西省尖峰坡地区是彭山—坳下锡多金属矿集区的重要组成部分,成矿条件优越。为查明该区的地质体空间分布状况及构造格架,在分析重磁勘探成果基础上,开展可控源音频大地电磁测深工作。通过数据采集、处理和反演,获得1500 m以浅的电性结构;结合重、磁、钻探等资料,初步确定区内隐伏岩体的分布范围和埋藏深度,圈定找矿靶区,为下一步深部找矿工作提供参考依据。

关键词：可控源音频大地电磁测深法深部找矿尖峰坡地区

用于二氧化碳电催化还原的合金团簇制备及性能检测系统搭建

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用于二氧化碳电催化还原的合金团簇制备及性能检测系统搭建

作者：陆大春盐城工学院

学位级别：硕士

随着人类活动的增加以及工业化的发展,大气中的二氧化碳含量逐年增加从而引发了如温室效应等一系列环境问题。电催化二氧化碳还原可以利用可再生能源将二氧化碳还原为有价值的化学品（如乙醇、乙烯、甲烷等）,这一策略在缓解二氧化碳过... 详细信息

随着人类活动的增加以及工业化的发展,大气中的二氧化碳含量逐年增加从而引发了如温室效应等一系列环境问题。电催化二氧化碳还原可以利用可再生能源将二氧化碳还原为有价值的化学品（如乙醇、乙烯、甲烷等）,这一策略在缓解二氧化碳过多问题的同时还可以获得有价值的化学品。当前,该反应存在产物选择性低、电流密度低、稳定性差、竞争反应（析氢）强烈等问题,需要开发合适的电解装置以及电催化剂来克服这些问题。物理法制备的合金团簇具有表面洁净、活性高、比表面积高等优点,其应用于电催化二氧化碳还原可以获得较高的活性与产物选择性。本文以合金团簇作为主要研究对象,基于串联催化的概念改变二氧化碳还原产物的选择性,为开发高效的团簇电催化剂并推动其在二氧化碳电催化还原中的应用做出贡献。第一个工作探究了Cu团簇对二氧化碳还原选择性的影响,使得乙烯的法拉第效率维持在更宽的电化学窗口,后续选取Pd和Ag两种金属,使其与Cu合金化,以此来调节产物的选择性。本文具体研究内容如下:（1）使用磁控溅射铜层的聚四氟乙烯（Cu/PTFE）基底,通过团簇束流沉积系统沉积了沉积量和尺寸不同的铜团簇来探究其对电催化二氧化碳还原的影响。研究表明随着Cu团簇沉积量的增加,乙烯的法拉第效率能够在更宽的电化学窗口维持在41%左右,而沉积量一致时,尺寸适中的Cu团簇对乙烯的选择性最佳,尺寸较小的Cu团簇对乙烯的选择性存在抑制作用（相比于未沉积团簇降低5%）。（2）采用团簇束流沉积系统在Cu/PTFE上沉积了一系列尺寸不同的Pd团簇,结果显示了Pd团簇产氢这一本征活性特征。沉积一系列不同比例的CuPd合金团簇于Cu/PTFE上,当CuPd比例适中时能够显著地提升多碳产物的选择性,在150m A cm电流密度下,多碳产物的法拉第效率可达到74.39%。（3）在Cu/PTFE和疏水碳纸上分别沉积了一系列不同比例的CuAg合金团簇,研究表明CuAg合金团簇沉积在Cu/PTFE上可以对甲烷的选择性产生调控,在碳纸上的CuAg合金团簇排除了磁控溅射铜层的性能,主要产物为CO,其法拉第效率最高为65.17%。相比于纯Ag团簇催化剂,减少了Ag的用量而性能相当,体现了CuAg合金团簇的优势。（4）自制并改进了一个流动型电解池,通过减少阴级和阳极之间的距离降低液间电阻,提升反应时的电流密度(同电压下提升80 m A cm),同时对实验参数进行了调试,搭建了一个效果优良的电催化二氧化碳还原性能检测系统。

关键词：团簇束流沉积电催化二氧化碳还原合金团簇流动池