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知识图谱约束深度网络的高分辨率遥感影像场景分类

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测绘学报 2024年第4期53卷 677-688页

作者：李彦胜吴敏郎张永军武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079

得益于深度网络理论与方法的快速发展,深度网络逐渐成为遥感影像场景分类任务的主流技术。然而,现有基于深度网络的遥感影像场景分类方法高度依赖大量人工标记的训练样本,且无法有效融合利用遥感领域丰富的先验知识。为了提升领域知识... 详细信息

得益于深度网络理论与方法的快速发展,深度网络逐渐成为遥感影像场景分类任务的主流技术。然而,现有基于深度网络的遥感影像场景分类方法高度依赖大量人工标记的训练样本,且无法有效融合利用遥感领域丰富的先验知识。为了提升领域知识利用率同时降低标记样本依赖,本文提出了一种知识图谱引导深度网络学习的高分辨率遥感影像场景分类方法。首先,构建了一个包括领域内多种来源知识的土地覆盖概念知识图谱来更灵活便捷地应用领域先验知识。然后,通过知识图谱表示学习方法将土地覆盖概念知识图谱中的遥感场景语义类别表达为语义向量,形成遥感场景类别语义基准。在知识引导学习阶段,通过施加场景类别语义向量与深度网络浅层视觉特征向量的跨模态对齐约束引导深度网络的浅层部分更有效地学习不同类别遥感影像场景的共享特征,在深度网络深层部分则仍然通过场景类别标签引导学习不同遥感场景的判别特征。在测试阶段,完成优化的深度网络模型可以在不依赖任何先验知识的情况下完成高精度遥感影像场景分类。在目前公开的最大的遥感影像场景分类数据集上的试验结果表明,本文提出的知识引导学习方法相比现有方法在10%、30%、50%等不同训练样本比率下均可以获得最佳分类性能。在10%这一比率条件下,本文提出的知识引导学习方法相比基线深度网络在总体精度指标(OA)上能够得到5.11%的提升。

关键词：遥感影像场景分类土地覆盖概念知识图谱知识图谱表示学习知识图谱约束深度网络

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GNSS外辐射源动目标遥感检测技术现状与发展趋势

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第7期49卷 1053-1069页

作者：龚健雅张策石书祝武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)除了用于导航定位服务之外,因其信号覆盖率高及卫星可见性强等优势,亦可作为被动雷达的机会辐射源完成地表环境和运动目标的遥感探测。但是,其较低的到达地面功率和较窄的信... 详细信息

全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)除了用于导航定位服务之外,因其信号覆盖率高及卫星可见性强等优势,亦可作为被动雷达的机会辐射源完成地表环境和运动目标的遥感探测。但是,其较低的到达地面功率和较窄的信号带宽也给该类系统的应用带来诸多挑战。回顾了GNSS被动雷达遥感系统近30年的发展历程,聚焦运动目标遥感检测技术。通过分析后向散射和前向散射两种GNSS外辐射源探测体制下的动目标检测流程,梳理了相关技术的重点和难点,介绍了国内外在相关问题上取得的研究进展和潜在发展趋势,以期为相关研究提供参考。

关键词：全球卫星导航系统被动雷达遥感系统动目标检测动目标参数估计

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融合注意力与序列单元的文本超分辨率

武汉大学学报（信息科学版） 2024年第7期49卷 1120-1129页

作者：韦豪东易尧华余长慧林立宇武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079

街景影像中的文本信息是感知与理解场景的关键线索,低分辨率街景影像文本区域细节缺乏导致文本识别准确率降低。文本超分辨率通过增强文本区域边缘及纹理细节提高文本识别准确率,提出了融合注意力与序列单元的街景影像文本超分辨率方法... 详细信息

街景影像中的文本信息是感知与理解场景的关键线索,低分辨率街景影像文本区域细节缺乏导致文本识别准确率降低。文本超分辨率通过增强文本区域边缘及纹理细节提高文本识别准确率,提出了融合注意力与序列单元的街景影像文本超分辨率方法。首先,采用混合残差注意力结构提取影像文本区域空间信息、通道信息并融合特征,序列单元通过双向门控循环结构提取影像中文本间的序列先验信息;然后利用梯度先验知识作为约束条件,重构街景影像文本区域。采用TextZoom真实场景影像及合成文本影像进行对比分析,实验结果表明,超分辨率重构的街景影像文本区域边缘清晰、纹理细节丰富,可以提高街景影像文本识别准确率。

关键词：街景影像超分辨率注意力机制序列信息梯度先验损失

融合色差梯度和颜色相关性的Bayer成像插值方法

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第6期49卷 888-898,F0002页

作者：潘俊刘宇晗郭羽萱王密武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079 武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079

为减轻卫星影像数据星地传输压力,Bayer成像模式被越来越广泛地应用于遥感卫星的成像系统,由于Bayer影像中每个像素只存储一个颜色通道的信息,存在信息缺失,因此必须经过Bayer成像插值重建为全彩色影像才能用于后续应用。现有多数Bayer... 详细信息

为减轻卫星影像数据星地传输压力,Bayer成像模式被越来越广泛地应用于遥感卫星的成像系统,由于Bayer影像中每个像素只存储一个颜色通道的信息,存在信息缺失,因此必须经过Bayer成像插值重建为全彩色影像才能用于后续应用。现有多数Bayer成像插值方法存在地物边缘处细节缺失和色调偏移问题。针对上述问题,提出了一种融合色差梯度和颜色相关性的Bayer成像插值方法。首先提取原始Bayer影像的各通道间色差梯度信息,使用归一化的色差梯度函数赋予各方向色差估计值的相应权重,使插值沿着边缘方向进行,以保护地物边缘处细节信息,然后利用不同颜色通道间的相关性设置色比约束,调整局部滑动窗口内3个通道的相对比例,以改善插值结果中的色调偏移现象,使重建的全彩色影像色调真实、细节完整。通过在模拟影像和珞珈三号01星获取的真实Bayer影像上的实验对比,所提方法与对比方法相比,重建影像在地物边缘处的伪色问题有明显改善,具有最高的峰值信噪比、结构相似性指数和最低的均方误差、自然图像质量评价分数,且与参考影像相比没有空间分辨率损失。所提方法已成功应用于珞珈三号01星数据处理系统中,进行在轨和地面的Bayer成像插值处理,为珞珈三号01星数据的各项应用提供了有效保障。

关键词： Bayer影像颜色相关性色差梯度局部色比珞珈三号01星

地基GNSS-R公路边坡形变监测实验及误差分析

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第1期49卷 100-108页

作者：严颂华梅捷陈永谦陈璨武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430072 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430072

目前,使用全球卫星导航系统反射测量技术进行形变监测存在未进行真实坡面实验、未分析卫星运动影响和未探究接收天线位置偏移对形变监测结果的影响等问题。针对实际公路边坡进行形变监测,分析了卫星运动和反射信号接收天线位置偏移两种... 详细信息

目前,使用全球卫星导航系统反射测量技术进行形变监测存在未进行真实坡面实验、未分析卫星运动影响和未探究接收天线位置偏移对形变监测结果的影响等问题。针对实际公路边坡进行形变监测,分析了卫星运动和反射信号接收天线位置偏移两种因素对形变反演精度的影响,提出一种同时适用于中圆地球轨道(medium earth orbit,MEO)卫星运动和倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星微小位置偏差的校正方法。接收天线位置偏移情况下的形变监测实验结果表明,通过运动卫星校正,利用MEO卫星对28.0 cm和11.7 cm位移的形变反演误差分别低至1.97 cm和0.56 cm,相较于校正前误差分别减小3.03 cm和2.70 cm;通过接收天线位置偏移实验,得出当天线位置偏移镜面反射线分别处于垂直方向约±6°和水平方向约±5°范围内时,不会对形变估测与反演结果造成大的影响。

关键词：全球卫星导航系统反射测量技术形变反演相位误差补偿北斗系统

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室内圆柱引导的激光雷达全局定位与回环检测

武汉大学学报（信息科学版） 2024年第7期49卷 1088-1099页

作者：史鹏程李加元刘欣怡张永军武汉大学计算机学院湖北武汉430072 武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079

针对移动机器人在大范围室内环境的定位难题,提出了一种基于圆柱特征的全局定位方法。首先,设计一种参数化地图,采用随机采样一致性算法和几何模型分割出地图中的圆柱点云,利用栅格地图描述环境中稳定人工构筑物的分布。其次,采用轻量... 详细信息

针对移动机器人在大范围室内环境的定位难题,提出了一种基于圆柱特征的全局定位方法。首先,设计一种参数化地图,采用随机采样一致性算法和几何模型分割出地图中的圆柱点云,利用栅格地图描述环境中稳定人工构筑物的分布。其次,采用轻量级二进制文件记录圆柱和地物分布。然后,基于圆柱独特的几何特性(离群性、对称性和显著性),提出一种实时LiDAR点云圆柱分割方法。最后,设计两种位姿求解策略:第一种是启发式搜索,在地图与实时数据中搜索出最佳匹配圆柱,进而分别解算平移量和旋转量;第二种是优化求解,利用圆柱之间的拓扑关系构建约束条件并计算最优位姿。为验证所提方法的可行性,采用16线激光雷达在大厅、走廊及混合场景3种典型室内环境进行全局定位和回环检测实验。实验结果表明,该方法可有效实现典型空旷室内环境中机器人的全局定位,可达到90%的定位成功率以及0.073 m定位误差,部分数据可达到毫米级定位精度,最快速度在100 ms内,位置识别性能达到主流方法水平。该方法基本满足实际应用中自动驾驶对全局定位的精度和效率要求。

关键词：自动驾驶全局定位回环检测圆柱分割参数化地图激光雷达

一种面向卫星在轨自主任务规划的快速精准轨道预报方法

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武汉大学学报(信息科学版) 2024年第6期49卷 879-887页

作者：王密陈俊博皮英冬仵倩玉武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室

卫星在轨自主任务规划需要高精度的轨道预报数据，计算待观测目标的可成像时间窗口、成像姿态需求，结合其他约束条件来完成任务规划过程。针对卫星星上计算资源有限的情况，为了减少轨道预报过程的资源消耗、满足自主任务规划的需求，... 详细信息

卫星在轨自主任务规划需要高精度的轨道预报数据，计算待观测目标的可成像时间窗口、成像姿态需求，结合其他约束条件来完成任务规划过程。针对卫星星上计算资源有限的情况，为了减少轨道预报过程的资源消耗、满足自主任务规划的需求，提出一种在长周期的轨道预报中预报精度高、资源消耗少的轨道预报方法。基于两行根数（two-line element, TLE）及简化普适摄动模型，以多条轨道数据作为输入，迭代计算生成TLE，完成轨道预报，并计算轨道预报误差和模拟观测目标的成像参数初值误差，进行定量评价。实验结果表明，所提方法仅需少量输入数据即可完成72 h的轨道预报，预报精度优于4 km，平均耗时12.76 s，在长周期的轨道预报中预报精度高、运行速度快；使用轨道预报数据计算模拟观测目标的开始成像时间误差优于0.2 s，三轴方向上的成像姿态初值误差均优于0.03°，小于智能遥感卫星珞珈三号01星相机成像过程姿态指向精度指标。所提方法预报精度高，需求的时空资源少，对于星上在轨自主任务规划具有重要意义。

关键词：在轨自主任务规划轨道预报权重定义与调整两行根数成像参数初值

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基于Fortran语言的地球外辐射带电子三维数据同化建模

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地球物理学报 2024年第4期67卷 1285-1298页

作者：罗陶荣曹兴马新付松倪彬彬王晓宇雷源武汉大学电子信息学院空间物理系武汉430072

开发地球电子辐射带的数据同化模型,对于理解辐射带电子的动态演化过程和辐射带空间天气预报具有重要意义.结合范阿伦卫星的辐射带电子观测数据和外辐射带三维扩散模型,采用卡尔曼滤波算法,本文开发了基于Fortran语言的外辐射带电子三... 详细信息

开发地球电子辐射带的数据同化模型,对于理解辐射带电子的动态演化过程和辐射带空间天气预报具有重要意义.结合范阿伦卫星的辐射带电子观测数据和外辐射带三维扩散模型,采用卡尔曼滤波算法,本文开发了基于Fortran语言的外辐射带电子三维数据同化模型(Three-dimensional Data Assimilative Model of Outer Radiation belt Electrons,简称TDAMORE),实现对L^(*)=3~7、能量范围为0.1~5 MeV、投掷角范围为5°~90°的外辐射带电子时空变化过程的三维重构.通过对2018年8月期间外辐射带电子通量演化过程的重构,证实TDAMORE模型可以较好地重现不同能量和不同投掷角电子通量在磁暴前后的演化特征.通过分析电子通量的观测和同化结果之间的相关系数、平均误差、平均绝对误差和均方误差,发现对于能量低于4 MeV的电子,观测与同化结果之间的相关系数基本大于0.8且误差相对较低.而对于更高能量的电子,观测与同化结果之间的误差相对较高,这可能是同化模型忽略了电磁离子回旋波对电子的散射损失导致的.

关键词：地球外辐射带电子通量三维数据同化范阿伦卫星 Fortran语言

哨声模合声波对辐射带电子扩散系数的多维建模及损失时间尺度建模研究

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地球物理学报 2024年第5期67卷 1679-1698页

作者：张琼月马新郭德宇付松倪彬彬武汉大学电子信息学院空间物理系武汉430072

哨声模合声波是地球内磁层中一种典型的等离子体电磁波动,对辐射带电子动态演化起着至关重要的作用.合声波可以与外辐射带电子发生相互作用,将电子散射至损失锥进而沉降至大气;此外合声波也能将几十keV的电子加速到几MeV,是辐射带相对... 详细信息

哨声模合声波是地球内磁层中一种典型的等离子体电磁波动,对辐射带电子动态演化起着至关重要的作用.合声波可以与外辐射带电子发生相互作用,将电子散射至损失锥进而沉降至大气;此外合声波也能将几十keV的电子加速到几MeV,是辐射带相对论电子的重要来源.因此,快速准确地计算合声波对辐射带电子的扩散系数,对于优化地球辐射带动理学建模并深入理解电子通量的演化机制具有重要作用.本研究利用Full Diffusion Code(FDC)定量计算了典型合声波波模对辐射带电子的弹跳平均投掷角、能量和交叉扩散系数,并建立了地球内磁层空间中L为2~7、背景环境参数α^(*)为1~13,投掷角α_(eq)为0°~90°、能量Ek为10 eV~10 MeV的电子散射系数矩阵数据库.在此基础上通过线性插值方法可以快速得到不同L和α^(*)参数条件下的合声波对辐射带电子的扩散系数,并计算相对误差验证应用线性插值方法的合理性和准确性.基于扩散系数矩阵数据库,本研究还计算了合声波散射辐射带电子的损失时间尺度,建立了以L、α^(*)和Ek为输入参数的电子损失时间尺度经验模型,从而可以快速获取合声波散射电子的损失时间尺度.结果表明,扩散系数矩阵数据库构建和线性插值方法的使用大幅度减少了获取不同L和α^(*)对应的扩散系数所需时间,同时建立的三维损失时间尺度经验模型可快速得到不同L、α^(*)和Ek所对应合声波散射辐射带电子的损失时间尺度,这些结果提高了地球辐射带动理学建模效率,对于空间天气预报具有重要意义.

关键词：波粒相互作用合声波辐射带电子扩散系数损失时间尺度