美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS （Advanced Topographic Laser Altimeter System）是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达，具有较高的轨向空间采样率，为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子，并确定瞬时的海面廓线。迄今为止，用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道，也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点，文中提出了一种新的信号提取算法：首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪；然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点，选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度，根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类；最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子，最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算出当地海浪的峰值波长和周期。将计算结果与同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的全球大气再分析ERA5(ECMWF Re-Analysis5)数据作对比，在不同风速、水深的海域都获得了基本一致的结果，超过半数区域的海浪周期误差在5%以内，初步证明了星载光子计数激光雷达观测成果用于海浪要素计算的可行性。
激光雷达遥感 ICESat-2/ATLAS 海面信号去噪 海浪要素计算 lidar remote sensing ICESat-2/ATLAS sea surface signal denoising calculation of ocean wave elements 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220366
上海理工大学 健康科学与工程学院, 上海 200093
胰腺的自动分割一直是医学图像分割中一项具有挑战性的问题。胰腺是一个具有高度解剖变异性的器官, 目前的多图谱分割方法很难对胰腺的边缘产生精确的分割。针对这一问题, 采用了基于多图谱配准的分割算法对胰腺进行分割, 优化了一种局部动态阈值的后处理方法。在标签融合阶段, 采用概率阈值融合算法、Majority voting(MV)算法、STAPLE算法和SIMPLE算法四种标签融合算法进行对比。在后处理阶段, 采用局部动态阈值处理方法, 首先通过初步分割结果对目标图像提取目标区域, 然后自动确定阈值实现该区域的二值化, 最终与初步分割结果取交集作为最终分割结果。采用留一交叉验证策略对80例NIH胰腺CT图像和22例来自上海本地医院的胰腺CT图像进行分割, 最终得到的DSC分别为79.98%和81.30%。实验结果表明, 所提方法实现了对胰腺的有效分割。
多图谱 配准 胰腺分割 标签融合 局部动态阈值 Multi-atlas registration pancreas segmentation label fusion local dynamic threshold
锦州医科大学附属第一医院泌尿外科, 锦州 121000
为探究egl-9家族缺氧诱导因子1(EGLN1)在肾透明细胞癌(ccRCC)中的表达情况及临床意义, 基于TCGA数据库中ccRCC患者的基因表达数据分析EGLN1在ccRCC组织和正常肾组织中的差异表达情况, 应用UALCAN平台分析ccRCC中EGLN1在不同角度下的表达差异。基于TCGA数据库中ccRCC的临床数据, 对EGLN1高低表达组进行生存分析, 对EGLN1表达量与总生存期的相关性进行Cox分析, 同时对临床数据中EGLN1基因表达情况进行基因富集分析。通过STRING数据库检索了编码蛋白间可能的潜在相互作用, 并构建了蛋白质互作网络将其表示出来。获取EGLN1相关蛋白, 并通过GEPIA平台进行相关分析。分析TCGA数据库中样本表达数据可知, EGLN1在ccRCC中的表达高于正常肾组织。应用UALCAN平台分析发现, EGLN1的高表达与患者的年龄有一定的相关性。生存分析显示EGLN1高表达时, ccRCC患者预后较好。单因素及多因素Cox分析提示EGLN1的表达量是ccRCC患者生存期的独立风险因素。基因富集分析提示EGLN1基因的表达与肾细胞癌(RCC)、癌症途径、泛素介导蛋白水解途径、细胞凋亡通路等密切相关。结果显示, EGLN1可能成为评估ccRCC预后的分子标志。
肾透明细胞癌 癌症基因组图谱 生物信息学 Cox分析 EGLN1 EGLN1 clear cell renal cell carcinoma cancer genome atlas bioinformatics Cox analysis
宁夏大学 物理与电子电气工程学院, 宁夏 银川 750021
为提高海马体多图谱分割的精度和时间效率，提出基于高等标准化工具(Advanced Normalization Tools，ANTs)配准的多图谱分割算法。为降低数据规模，在预处理阶段，提取以海马体为中心的立方体box。在配准阶段，提出用ANTs代替重采样环节，再利用微分同胚Demons算法的平滑性、拓扑保持性以及连续性进行精配准。在标签融合阶段，采用加权平均(Majority Voting, MV)算法、基于生成模型约束的GraphCut标签融合(Generative Model, GM)算法、度量学习(Metric Learning, ML)算法以及半监督标签传播随机森林(Integrating Semi-Supervised Label Propagation and Random Forests, RF-SSLP)算法做对比。实验结果表明，用ANTs代替重采样后，可分别提高MV、GM、ML以及RF-SSLP四种融合算法的精度，同时，通过以上4种融合算法的对比发现，基于ANTs配准的半监督标签传播随机森林算法分割精度最高，相较于MV、GM和ML三种融合算法精度提高了3%~5%。
海马体 多图谱 高等标准化工具 融合算法 hippocampus multi-atlas advanced normalization tools fusion algorithm
1 中国海洋大学 信息科学与工程学部 海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 中国海洋大学 海洋高等研究院，山东 青岛 266100
3 中国海洋大学 海洋遥感研究所，山东 青岛 266100
4 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
2018年9月15日，美国航空航天局成功发射了ICESat-2卫星，ICESat-2搭载了地形激光测高仪系统（ATLAS），已经广泛应用于极地冰盖高程测量、海冰厚度估算、陆地高程测量、地表植被测量等多个研究领域。不同于GLAS/ICESat，ATLAS在信号探测系统中采用更为灵敏的单光子探测器，每秒发射10 000个脉冲（GLAS/ICESat系统每秒发射40个脉冲），可以获取到重复频率更高、光斑更小的高密度光子计数回波数据，进而实现高精度全球观测。由于ATLAS采用的探测器光电倍增管（PMT）after-pulse的影响，在回波信号脉冲输出后常会出现小幅度脉冲干扰，不能准确反映原始信号波形，所以在实际应用过程中，必须对测量信号进行校正。首先基于ATL03产品，对光子计数回波数据进行预处理，获得了海冰、海洋、陆地和沙漠的廓线信息，结果显示在主信号回波之后均存在两个小的脉冲回波（约2.3 m和4.2 m处），此外陆地和沙漠在10~45 m间存在一个更长时间延迟的脉冲回波，证实了不同反射表面均会受到PMT after-pulse影响。然后利用ICESat-2卫星过境撒哈拉沙漠地区的夜间观测数据，计算了不同波束下的脉冲响应函数，6个波束得到的脉冲响应函数整体形态相似，在主信号回波后出现三个不同幅度的脉冲回波（约2.3 m、4.2 m和6.5 m处）。最后利用6个波束的脉冲响应函数对同一海洋剖面进行校正，结果显示除ATLAS Beam2外，其余波束均可有效滤除主脉冲之后的小幅度脉冲，校正得到真实的水下回波信号。
星载激光雷达 ATLAS/ICESat-2 脉冲响应函数 PMT after-pulse spaceborne lidar ATLAS/ICESat-2 impulse response function PMT after-pulse 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211032
1 湖北工业大学 电气与电子工程学院, 湖北 武汉430068
2 武汉科技大学 省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室, 湖北 武汉430081
以Mg(OH)2、NH4H2PO4、ZrCl2O·8H2O为原料, 在不同的热处理温度(800 ℃、900 ℃、1 000 ℃、1 100 ℃)下应用固相反应法合成磷酸镁锆(MgZr4,PO4)6(MZP)粉体, 研究了其热重-示差扫描热(TG/DSC)图谱、物相组成、微观形貌和高温电性能。结果表明, 900 ℃处理下可以合成纯相MZP粉体, 且粉体能稳定存在。随着热处理温度的升高, 出现了Zr2O(PO4)2第二相产物, 其物量随着热处理温度的升高而增多。合成的MZP粉末具有2~5 μm大小不等的颗粒状, 表面粗糙, 并有更小颗粒聚集及呈不规则立方体状, 还有极少量的形状为棒状, 表面光滑, 尺寸大小为2 μm的两种形态。随着温度的升高, MZP由于镁离子通道扩散能力的增加, 试样的电导率提高了3个数量级。
固相反应 热重-示差扫描热(TG/DSC)图谱 微观形貌 高温电性能 MgZr4(PO4)6 MgZr4(PO4)6 solid phase reaction TG/DSC atlas micro morphology high temperature electrical property
上海理工大学 医疗器械与食品学院, 上海 200093
全脑区的自动分割对于大脑疾病的诊断和治疗具有重要的临床意义。为了提高分割准确率,提出了一种多项式展开配准的多图谱分割算法。利用线性多项式展开模型, 结合仿射变换和非刚体变换将待分割的目标图像与图谱图像进行逐一的配准来获取位移场; 利用归一化互信息计算二者的相似度, 筛选出与目标图像相似度较高的图谱, 并对图谱的标记图像进行位移场映射, 得到粗分割结果; 采用全局加权投票法将粗分割结果进行融合, 得到最终的细分割结果。选取了35例来自MICCAI 2012 Multi-Atlas Labeling挑战和10例来自上海交通大学医学院附属第九人民医院的磁共振T1加权图像对该方法进行验证, 最终全脑区的DSC值分别为0.7585和0.7351。实验结果表明, 算法具有较高的大脑分割精确度和鲁棒性, 有望辅助临床进行大脑相关疾病的诊断和治疗。
磁共振成像 多图谱分割 全脑区 多项式展开配准 magnetic resonance imaging multi-atlas segmentation whole brain regions polynomial expansion registration
中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 地理空间信息学院，河南 郑州450001
ICESat-2为世界首颗光子计数激光雷达测高卫星，其上携带的ATLAS可获得覆盖全球的高精度激光脚点，有助于提高卫星光学影像的无控定位精度。设计实现了ATLAS激光测高数据与卫星影像的联合平差方案。首先通过多条件筛选准则选取高精度ATLAS激光测高点，然后将筛选后的激光测高点作为带误差控制点进行联合平差计算，使卫星影像定向参数得到了优化。利用河南郑州地区的资源三号02星影像和ATLAS ATL03级数据进行的试验结果表明，文中的平差方案可将影像定位的高程精度提高60.6%，平面精度提高56.4%，验证了文中提出的方法可在无外业控制点情况下显著提高卫星影像定位精度。
联合区域网平差 激光测高 资源三号02星 joint block adjustment laser altimetry ATLAS ATLAS ICESat-2 ICESat-2 ZY3-02 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200194
红外与激光工程
2020, 49(11): 20200259
1 东北林业大学 森林作业与环境研究中心， 黑龙江 哈尔滨 15000
2 东北林业大学 机电工程学院 ，黑龙江 哈尔滨 150000
针对星载激光雷达数据反演林下数字地面模型（Digital Terrain Model，DTM）存在困难的问题，研究了冰云陆地高程卫星-2 （Ice, Cloud, and land Elevation Satellite，ICESat-2）/先进地形激光高度计系统(Advanced Opographic Laser Altimeter System，ATLAS）的强弱光束数据反演林下地形的精度，并探究了冠层高度及植被覆盖率对于ICESat-2/ATLAS反演林下DTM精度的影响。研究结果表明：强波束反演林下DTM的精度为R2=1，RMSE=0.74 m，弱波束反演林下DTM的精度为R2=1，RMSE=0.76 m，强波束相对弱波束表现出更优的反演精度，但是，强光束与弱光束的光子云数据均可为反演林下DTM提供科学数据。从研究区植被的整体情况来看，随冠层高度及植被覆盖率的增加，不同激光类型数据均出现误差逐步增加的情况。
强波束 弱波束 林下数字地面模型 冠层高度 ICESat-2/ATLAS ICESat-2/ATLAS strong beam weak beam digital terrain model under the forest canopy height 红外与激光工程
2020, 49(11): 20200237
