1 中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
北极航道海冰运动的准确预测对于保证航行安全、评估航道可通行性和动态修正航线具有重要的指导意义。传统的光流法无法满足海冰运动预测任务中“时空预测+语义分割”的要求。为此，基于MERSI-Ⅱ影像制作了海冰运动数据集SeaiceMoving，提出了一种基于Multiloss-SAM-ConvLSTM的海冰运动预测算法，该算法在SAM-ConvLSTM的基础上引入加权的FDWloss，强化了各节点空间语义的获取。针对样本分布不平衡，讨论了后端分割阈值的偏移效应，通过网格搜索确定最佳分割阈值，提高了海冰整体预测结果。实验结果表明，该方法的Kappa系数为0.75，IOU为0.61，Dice系数为0.76，相较于SAM-ConvLSTM，分别提高了0.1、0.12和0.1，对运动后海冰的位置预测和形状提取能力均有提升，减少了海冰“黏连”的情况。此外，该算法对薄云干扰下的海冰运动依然具备良好的预测能力，可以为北极航线的动态规划和航线修正提供较为准确的技术支撑。
北极航道 风云三号卫星 独立海冰 Multiloss-SAM-ConvLSTM 运动预测 Arctic route FY-3 satellite independent sea ice Multiloss-SAM-ConvLSTM motion prediction
1 中国科学院大学，北京 100049
2 中国科学院上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
基于风云三号卫星MERSI-Ⅱ影像的特性，提出了一种基于U-ASPP-Net的独立海冰分割算法，该算法在U-Net的基础上引入了空洞空间金字塔池化模块和空洞深度可分离卷积，构建了新型独立海冰分割网络U-ASPP-Net，并在网络后端将FDWloss作为损失函数，最后利用重叠消边策略生成最终的独立海冰分割图。为验证U-ASPP-Net的准确性与有效性，选取U-Net、Deeplab v3+和分区梯度差分与双峰阈值分割法作为对照方法进行实验，实验结果表明，基于U-ASPP-Net的独立海冰精细化分割方法在OA、Kappa系数、IOU、Dice系数四种指标上均优于其他方法，对细节与边缘的提取能力较强，对极小块海冰的还原度较高。此外，算法在一定程度上能够解决基于中分辨率遥感影像提取独立海冰时无法解决的薄云干扰问题，对薄云下的海冰依然具有良好的提取能力，能够为北极航线的动态规划提供较为准确的技术支持。
北极航线 风云三号卫星 独立海冰 U-ASPP-Net 精细化分割 arctic route FY-3 satellite independent sea ice U-ASPP-Net refined segmentation
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
4 上海市气象局，上海 200030
针对高光谱推扫影像间相机光心不重合，在配准过程中利用传统全局单应性矩阵对齐方式会有误差的问题，提出了一种基于SPHP（Shape-Preserving Half-Projective）并且考虑光谱信息的高光谱推扫图像的拼接方法（H-SPHP）。主要步骤包括：1）基于正解法的视矢量几何校正；2）基于先验知识和PCA的基准波段选择；3）基于SPHP的网格优化对齐方法；4）加权平均融合算法进行融合；5）将拼接参数应用于所有波段，得到拼接后的高光谱数据。对福建三明和江西南昌等区域获取实验影像，通过对研究数据的拼接实验表明，本文算法具有很强的鲁棒性，消除视差和地理坐标精度比SIFT+单应性变换算法都有较大提高，拼接后波段间配准精度在一个像元内，重叠区光谱相似度在90%以上。
航空摄影测量 影像拼接 H-SPHP 高光谱推扫影像 aerial photogrammetry image mosaic H-SPHP hyperspectral push-scan image
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
红外遥感图像受限于红外衍射极限,其分辨率普遍较低,这为红外目标的精准检测和识别带来了困难。针对此问题,提出基于深度学习的红外目标超分辨率目标识别(SROD)算法,该算法主要包括两部分:第一部分是利用WDSR(Wide Activation for Efficient and Accurate Image Super-Resolution)对红外遥感图像进行超分辨率重建,将模拟传感器下采样方式处理的红外图像作为训练集。第二部分是基于Faster RCNN的目标检测,提出多尺度特征传递网络结构,将低层特征输入区域候选网络 (RPN)层,降低了弱小目标像素被简化的概率,并利用可调节非极大值抑制方法,减少了对密集目标检测框的抑制作用。将该算法应用于整幅红外遥感图像,与相同训练集的Faster RCNN相比,目标检测的准确率提升了5.33%,召回率提升了12.22%,特别是小目标的召回率提升了13.25%。
图像处理 深度学习 超分辨率 目标检测 红外遥感 激光与光电子学进展
2021, 58(16): 1610015
1 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
水质遥感监测是遥感的重要应用方向之一, 作为传统水体采样化验的辅助手段, 具有快速、 大面积、 无接触的技术优点。 然而, 目前内陆河湖水环境监测常用的遥感传感器大多是针对陆地观测或海洋水色观测而设计的, 其性能指标的设计和设置并未考虑到内陆水体特性, 限制了水质遥感定量监测的应用。 针对这一问题, 提出了一种基于变异系数和噪声占比指数的水质参数反演光谱特征构建方法, 并通过光谱仿真模拟实验, 研究光谱分辨率、 信噪比以及辐射分辨率对典型水质参数反演模型的影响。 选择上海市三项典型水质参数溶解氧（DO）、 总磷（TP）和氨氮（NH3-N）为研究对象, 分别构建了水质参数反演光谱特征及相应遥感反演模型, 然后开展光谱仿真模拟实验, 定义了敏感度S和水质敏感微分指数CI, 进行敏感性分析。 最终从模型反演准确度和稳定性两个方面来评价仪器参数对水质参数遥感反演模型的影响。 结果表明: 光谱特征构建方法能有效确定水质参数反演特征波段。 光谱分辨率对比值型的水质参数反演模型的影响较小, 而信噪比和辐射分辨率对模型影响较大, 随着信噪比和辐射分辨率的增加, 水质参数模型精度和稳定性都有一定提升。 综合仪器指标敏感性分析, 可知当信噪比优于56 dB, 辐射分辨率不低于9 bit, 光谱分辨率适宜, 能够较好地应用于内陆河湖水质遥感监测。 该研究不仅可以为面向内陆河湖水质监测的传感器的研制提供参考和借鉴, 还能为水资源监管部门进行水质遥感监测提供技术支持, 有利于加快水环境智能化监测体系的构建。
内陆水质 高光谱遥感 传感器参数 敏感性分析 Inland water quality Hyperspectral remote sensing Sensor parameters Sensitivity analysis 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1880
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 上海市水文总站, 上海 200232
城市河道水资源是重要的生态资源, 近年来城市工业的不断发展, 导致河道水污染问题日益突出。 治理水污染的前提条件是及时掌握河道水质状况(即水质类型), 传统采样化验的监测方法精度高, 但较费时费力, 该研究提出一种基于光谱二阶微分波动指数的水质类型快速识别方法, 可实现城市河道水质类型的快速排摸。 首先使用光谱差分计算得到光谱二阶微分曲线, 对曲线进行平滑处理消除噪声和其他干扰; 之后使用滑动窗口提取曲线上的局部极大值和极小值点, 并设置最小距离阈值逐步去除虚假极值点, 再使用三次样条插值法得到包含光谱二阶微分曲线的双包络线, 最后利用上下包络线计算得到光谱二阶微分的波动指数曲线。 通过对各类样本的波动曲线分析后发现, 在720～740, 750～770以及820～840 nm处各类水体的波动指数差异较大, 随后统计了各类水体光谱在这三波段内的平均波动指数的均值、 标准差等统计特征, 发现平均波动指数与水质级别具有正向相关关系, 水质级别越高水质状况越差, 平均波动指数也越大。 为验证光谱二阶微分波动指数可用于城市河道水质的快速识别, 将各类水体光谱样本随机划分为训练集和测试集, 结合LSSVM(least-squares support vector machine)构建水质类型识别模型, 将上述三个特征波段的平均波动指数作为特征输入, 经测试, 各类样本的平均识别准确率达80.65%, 误差不超过一类的识别精度超过95%。 基于光谱二阶微分波动指数的河道水质高光谱识别方法识别精度较高, 可作为城市河道水质类型快速排摸的一种辅助技术手段。
河道水质 高光谱 光谱二阶微分 遥感识别 River water quality identification Hyperspectral Second order differential of spectrum Remote sensing recognition 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1645
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 上海普适导航科技股份有限公司, 上海 201799
针对当前遥感图像耀斑恢复算法存在的耀斑增益计算误差大,需要近红外波段信息辅助以及自身信息利用不足等缺陷,提出基于水体指数与色度分离法的耀斑检测算法以及基于离散余弦变换的耀斑图像恢复算法。首先使用色度分离法提取图像中疑似耀斑的高亮区域,再通过水体指数结合面积阈值和形态学滤波去除散点和孤立区域,进而实现耀斑区域的精准定位和提取。然后依据图像的保真度和局部平滑度构建优化函数,利用离散余弦变换对遥感图像耀斑区域内部的像元进行迭代求解,最终得到恢复后的图像。最后开展现场飞行实验,实验结果表明所提算法能够精确提取和恢复图像水体耀斑区域,并且恢复后的图像在纹理特征和光谱特征两个方面的效果得以改进。
遥感 耀斑检测 耀斑去除 离散余弦变换 光学学报
2020, 40(19): 1928001
1 Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Science , Shanghai200083, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing100049, China
3 CAS Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, Shanghai20008, China
由于红外光学衍射限和红外探测器的局限,得到的红外图像噪声相对偏大,分辨率偏低。对红外图像进行超分辨率重建可以提高图像分辨率，但同时又会增强背景噪声。针对此问题，提出了基于稀疏编码的红外显著区域超分重建算法，将超分重建和显著度检测相结合，可以提高目标分辨率并降低背景噪声。首先采用双层卷积提取图像特征，并自适应选择图像信息熵较大的图像块用于训练联合字典。然后利用稀疏特征计算显著度获取显著区域，再将显著区域用训练好的字典进行超分辨重建，与目标无关的背景区域采用高斯滤波。实验结果显示改进的重建算法在同等条件下重建效果优于重建模型ScSR和SRCNN，图像信噪比提高3~4倍。
红外图像 显著度检测 稀疏编码 稀疏特征 infrared image saliency detection sparse coding sparse features
1 Shanghai Institute of Technical Physics， Chinese Academy of Sciences, Shanghai200083， China
2 CAS Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology， Shanghai Institute of Technical Physics，Shanghai00083，China
3 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China
针对航空面阵摆扫数据无控制点几何校正问题，提出了一种基于POS数据的面阵摆扫热红外影像的分步几何校正方法，主要包括利用视矢量法对影像校正、投影至高斯地辅平面进行拼接、及提取虚拟控制点三个步骤。利用最小二乘法对全局影像进行第二次几何精校正，实现研究区热红外图像几何校正。实验图像验证了该校正算法的有效性，平面两点距离相对误差为0.81%，平面两点方位角相对误差为0.72%，相较于直接利用POS校正误差有显著改善。该研究方法可推广应用于其它面阵摆扫无地面控制点的航飞图像几何校正。
航空摄影测量 几何校正 视矢量 面阵摆扫 aerial photogrammetry geometric correction vision vector swing-swept array
1 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 中国科学院嘉兴光电工程中心, 浙江 嘉兴 314022
针对人的脸部特征复杂、细节纹理丰富,获取高精度人脸三维模型成本高、工作量大的问题,提出基于梯度光图像的高精度三维人脸重建算法。利用球形灯光装置建立6种不同的光照模式,并利用偏振光特性对镜面反射光和漫反射光进行分离;利用单向梯度光图像,并基于双向反射分布函数(BRDF)得到反射光方向与法线方向的关系,通过计算获取镜面反射和漫反射法线图;将增强后的镜面反射和漫反射法线图进行融合,并映射到低精度模型上,可以重建出高精度的三维人脸模型。实验结果表明,本文方法计算复杂度低,重建精度高,窗口大小为7×7的高通滤波增强的镜面反射图和漫反射法线图以2∶1的比例融合之后,重建的效果最佳,模型能精细到微尺度级。
图像处理 三维重建 梯度光 双向反射分布函数 法线贴图
