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基于DBL的紅外分光計(jì)通道定標(biāo)模型研究

2024-01-17 00:00:00宋子琛莫靖宇何家偉袁鑫攀
企業(yè)科技與發(fā)展 2024年12期
關(guān)鍵詞:人工智能

摘要:紅外分光計(jì)是工業(yè)制造領(lǐng)域的重要光學(xué)儀器,用于探測(cè)地表至40 km高的大氣層發(fā)射的紅外光。確保紅外分光計(jì)性能的關(guān)鍵在于其定標(biāo)過程的精準(zhǔn)性。然而,現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)紅外分光計(jì)設(shè)備的定標(biāo)精度相較于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)仍存在差距。針對(duì)此問題,文章提出了一種基于DBL(雙分支線性)的通道定標(biāo)模型,旨在通過與國(guó)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,提升紅外分光計(jì)的定標(biāo)精度和可靠性。DBL模型通過改進(jìn)現(xiàn)有定標(biāo)模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)線性與非線性信息的同步學(xué)習(xí),增強(qiáng)了模型的信息捕獲能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該DBL模型在提升紅外分光計(jì)定標(biāo)精度方面成效顯著,為實(shí)現(xiàn)高精度的氣象監(jiān)測(cè)提供了新的思路和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞:人工智能;DBL;紅外分光計(jì); 通道定標(biāo)

中圖分類號(hào):TP391;TH74" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A" " " 文章編號(hào):1674-0688(2024)12-0001-05

0 引言

在現(xiàn)代分析化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域,紅外分光計(jì)(IRAS)作為一種光譜分析工具,廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的成分分析和結(jié)構(gòu)鑒定,其工作原理基于物質(zhì)對(duì)紅外輻射的吸收特性,能夠提供豐富的分子信息。IRAS通過探測(cè)地表和大氣向上發(fā)射的紅外光譜波段輻射,能夠反演出地表至40 km不同高度層的大氣溫度和濕度分布。該儀器配備的26個(gè)光譜通道,為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式提供了初始場(chǎng)信息,尤其是在氣象臺(tái)站較稀少的高山、海洋、沙漠等地區(qū),發(fā)揮著不可替代的作用。此外,利用IRAS反演得到的大氣溫度和濕度垂直分布信息,還能反映局地大氣的穩(wěn)定度,對(duì)氣象部門中小尺度天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)分析具有重要輔助價(jià)值。然而,IRAS的測(cè)量精度受多方面因素影響,包括儀器的光譜分辨率、環(huán)境干擾以及樣品制備質(zhì)量等。隨著技術(shù)的進(jìn)步,定量遙感應(yīng)用對(duì)儀器輻射性能的要求愈發(fā)嚴(yán)格,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性成為成功開展定量遙感應(yīng)用的前提之一。

在此背景下,利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)提升IRAS的測(cè)量精度成為新的研究熱點(diǎn)。通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法,可以對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析,精確識(shí)別微小的信號(hào)變化和潛在的干擾因素。深度學(xué)習(xí)模型憑借其強(qiáng)大的特征提取能力,能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程,提升分析的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)濾光輪轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定引發(fā)的觀測(cè)誤差問題,漆成莉等[1-2]采用交叉定標(biāo)方法減小了數(shù)據(jù)誤差。鄢俊潔等[3]針對(duì)FY-4A/AGRI儀器的光譜通道中缺失綠光通道的情況,提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的光譜轉(zhuǎn)換方法,用于模擬FY-4A/AGRI的綠光通道,并通過遷移學(xué)習(xí)將其應(yīng)用于該儀器上。Li等[4]針對(duì)傳感器退化問題,提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)校準(zhǔn)方法,有效改善了傳感器退化帶來的問題。谷松巖等[5]則針對(duì)消除代際間輻射差異的歷史數(shù)據(jù),提出了以國(guó)際參考載荷為基準(zhǔn)的再定標(biāo)技術(shù)路徑。

目前,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)等深度學(xué)習(xí)模型在處理復(fù)雜數(shù)據(jù)時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)越的性能。同時(shí),結(jié)合無監(jiān)督學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)的方法,即使在缺乏大量標(biāo)注數(shù)據(jù)的情況下,也能有效提升模型的泛化能力和適應(yīng)性。本研究致力于探索一種創(chuàng)新的模型,旨在通過優(yōu)化IRAS的數(shù)據(jù)處理流程,增強(qiáng)其在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的精確度?;趯?duì)現(xiàn)有光譜數(shù)據(jù)的深度分析和學(xué)習(xí),該模型將更有效地識(shí)別異常信號(hào),從而提升IRAS在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)用價(jià)值。

1 局限性分析

SAR衛(wèi)星利用雷達(dá)方程推算出雷達(dá)散射截面積、定標(biāo)常數(shù)與圖像DN值(Digital Number)之間的關(guān)聯(lián),并開展設(shè)備定標(biāo)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[6],通過物理公式處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確保輻射定標(biāo)的精度。風(fēng)云衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)則基于.NET 框架,采用多層次并行計(jì)算技術(shù)加速定標(biāo)處理過程,選用可見光紅外掃描輻射計(jì)的數(shù)據(jù)作為測(cè)試對(duì)象,實(shí)現(xiàn)了可見光近紅外通道與紅外通道定標(biāo)的快速處理[7]。高分衛(wèi)星采用ROLO(Robotic Lunar Observatory) 模型、MT2009模型和嫦娥一號(hào)干涉成像光譜儀(IIM)模型進(jìn)行定標(biāo)驗(yàn)證[8]?!百Y源三號(hào)”衛(wèi)星則依托武漢大學(xué)在河南嵩山地區(qū)建設(shè)的幾何定標(biāo)場(chǎng)等設(shè)施,實(shí)現(xiàn)了在軌幾何定標(biāo) [9]。

綜上所述,當(dāng)前衛(wèi)星數(shù)據(jù)精度提升方法存在局限性,既受限于物理模型的應(yīng)用,又受制于場(chǎng)地條件。針對(duì)這些問題,亟須探索一種融合物理模型與深度學(xué)習(xí)技術(shù)的新方法,以突破現(xiàn)有方法的物理模型局限性和場(chǎng)地限制,進(jìn)而提升IRAS在復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量精度。通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的深入分析與整合,期望為IRAS的實(shí)際應(yīng)用提供更穩(wěn)健、可靠的解決方案。

2 基于深度學(xué)習(xí)的雙分支模型的構(gòu)建

本文提出的基于深度學(xué)習(xí)的雙分支模型(DBL)旨在提高衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的定標(biāo)精度,特別是解決了傳統(tǒng)方法依賴物理模型與場(chǎng)地要求的問題。該模型通過結(jié)合線性和非線性特征學(xué)習(xí),顯著增強(qiáng)了對(duì)復(fù)雜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的適應(yīng)能力。

2.1 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DBL模型結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用雙分支設(shè)計(jì),包含以下兩條并行處理路徑:一條處理原始輸入數(shù)據(jù),另一條處理輸入數(shù)據(jù)的平方特征。此設(shè)計(jì)旨在全面捕捉數(shù)據(jù)中的線性及非線性特征,從而增強(qiáng)模型對(duì)復(fù)雜衛(wèi)星數(shù)據(jù)的擬合能力,尤其在衛(wèi)星輻射定標(biāo)與幾何定標(biāo)任務(wù)中展現(xiàn)出優(yōu)異性能。

在DBL模型中,每個(gè)分支包含一個(gè)BLR(BatchNorm + LeakyReLU)模塊,該模塊由線性變換層(nn.Linear)、批標(biāo)準(zhǔn)化層(nn.BatchNorm1d)和帶有負(fù)斜率的ReLU激活函數(shù)(nn.LeakyReLU)組成。這些模塊通過結(jié)合批標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)與非線性激活函數(shù),加速了模型訓(xùn)練過程,避免了梯度消失問題,從而提升了模型性能。兩條路徑處理完成后,分別得到特征圖x_1 和 x_2,它們各自經(jīng)過獨(dú)立的BLR模塊處理,并最終加和,形成模型的最終輸出。這一操作融合了線性和非線性特征,增強(qiáng)了模型對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)模式的學(xué)習(xí)能力。最終,處理后的特征通過線性輸出層(L_out)進(jìn)行投影,生成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的定標(biāo)值。

該模型具有以下優(yōu)點(diǎn):①不需要依賴物理模型,通過深度學(xué)習(xí)自動(dòng)學(xué)習(xí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)規(guī)律,特別是在復(fù)雜的地形或光照條件下表現(xiàn)出靈活高效的定標(biāo)能力。②高效數(shù)據(jù)處理,利用并行計(jì)算和深度學(xué)習(xí)模型的端到端訓(xùn)練,自動(dòng)提取衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息,減少了對(duì)手工提取特征的依賴。③提高了定標(biāo)精度,通過結(jié)合衛(wèi)星圖像的線性和非線性特征,提升了定標(biāo)結(jié)果精度,尤其是在對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和精確校準(zhǔn)方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

2.2 模型訓(xùn)練

使用Adam優(yōu)化器優(yōu)化模型參數(shù)。Adam是一種自適應(yīng)的學(xué)習(xí)率優(yōu)化算法,其優(yōu)勢(shì)是計(jì)算效率高,適用于大數(shù)據(jù)集,Adam優(yōu)化器更新規(guī)則如下:

[θt+1=][θt-ηmtvt+ε] ," " " " " " " " " (1)

其中:θt+1代表在時(shí)間步t+1時(shí)通過應(yīng)用Adam優(yōu)化器更新公式得到的新模型參數(shù);θt代表在時(shí)間步t時(shí)模型的參數(shù);η代表學(xué)習(xí)率;mt和vt分別為梯度偏差矯正的動(dòng)量項(xiàng)和方差項(xiàng);[ε]是為了數(shù)值穩(wěn)定性而添加的小常數(shù)。

在前向傳播階段,模型接受輸入數(shù)X后,經(jīng)過兩層線性變換和ReLU激活函數(shù),獲得模型的預(yù)測(cè)輸出值,其計(jì)算公式如下:

h = ReLU(W1X+b1)," " " " " " " " " "(2)

ypred = W2h+b2," " " " " " " " " " " " (3)

其中:h是隱層輸出;W1是第一線性層的權(quán)重矩陣;W2是第二線性層的權(quán)重矩陣;X是輸入數(shù)據(jù);b1和b2分別是第一線性層的偏置項(xiàng)和第二線性層的偏置項(xiàng);ypred是模型的預(yù)測(cè)值。

訓(xùn)練過程中,模型輸出的實(shí)際值ytrue與預(yù)測(cè)值ypred之間的誤差需要通過損失函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。使用均方誤差(MSE)衡量預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間的差距,計(jì)算公式如下:

[MSELoss=1Ni=1N(ypred,i-ytrue,i)2]," " " " " (4)

其中,N是樣本的數(shù)量。

在每個(gè)迭代訓(xùn)練中,模型會(huì)遍歷整個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)批次,模型首先計(jì)算預(yù)測(cè)值,其次根據(jù)預(yù)測(cè)值和真實(shí)值計(jì)算出損失值。最后根據(jù)損失值計(jì)算梯度,并通過調(diào)用代碼函數(shù)loss.backward執(zhí)行反向傳播。在迭代訓(xùn)練過程中,對(duì)于給定的輸入xi,模型會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的損失,并據(jù)此更新模型的權(quán)重。前向傳播計(jì)算公式如下:

[yi=f(xi;θ)]," " " " " " " " " " " " " (5)

其中:[yi是模型的預(yù)測(cè)結(jié)果,]f是模型的前向計(jì)算過程,xi是第i個(gè)樣本的數(shù)據(jù),[θ]是模型的參數(shù)。通過計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)批次的損失,獲得反向傳播過程所需要的參數(shù)L,其計(jì)算公式如下:

[L=1Bi=1B(f(xi;θ)-yi)2]," " " " " " " (6)

其中:L是每個(gè)數(shù)據(jù)批次的損失;B是當(dāng)前批次所有數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù);yi是第i個(gè)樣本所對(duì)應(yīng)的真實(shí)輸出值。

每次訓(xùn)練后,損失函數(shù)的值會(huì)逐漸減小,表明模型在不斷優(yōu)化。如果某次訓(xùn)練后的損失值低于之前的最低損失,則保存當(dāng)前模型的狀態(tài)。最終,訓(xùn)練過程將返回最優(yōu)模型的損失值及其對(duì)應(yīng)參數(shù)。如果模型在某次訓(xùn)練后未能得到改善,則通過乘以一個(gè)衰減因子來調(diào)整學(xué)習(xí)率,以避免因?qū)W習(xí)率過高導(dǎo)致的震蕩,并促進(jìn)模型更好地收斂。每次訓(xùn)練結(jié)束后,利用評(píng)估函數(shù)計(jì)算模型在驗(yàn)證集上的平均損失,如果當(dāng)前模型損失較低,則更新并保存該模型。

2.3 模型選擇

本文使用的BLR層包含3個(gè)部分,通過線性模型進(jìn)行變換,每一層的線性變換可表示為

[y=Wx+b]," " " " " " " " " " " " " " (7)

其中:y是模型的預(yù)測(cè)輸出,W是權(quán)重矩陣,x是輸入數(shù)據(jù),b是偏置。

隨后,對(duì)線性變換的結(jié)果進(jìn)行批量歸一化處理,以提升訓(xùn)練速度和模型的穩(wěn)定性。批量歸一化公式如下:

[x=x-uσ ][γ=β]," " " " " " " " " " " " "(8)

其中:[x]是歸一化后的輸出值;u和σ分別為輸入的均值和標(biāo)準(zhǔn)差;γ和β分別為可學(xué)習(xí)的縮放和偏移參數(shù)。

在批量歸一化處理之后,使用Leaky ReLU激活函數(shù)引入非線性,從而增加模型的表示能力和復(fù)雜度,避免訓(xùn)練過程中出現(xiàn)梯度消失或死神經(jīng)元等問題,激活函數(shù)Leaky ReLU,可以表示為

[Leaky" ReLU(y)=y" " " if y≥0αy" " " if ylt;0]," " " " " " " (9)

其中,α是Leaky ReLU的負(fù)斜率參數(shù)。激活函數(shù)增加了負(fù)數(shù)區(qū)域的斜率,從而避免了傳統(tǒng)ReLU中的“死亡神經(jīng)元”問題。Leaky ReLU的非線性特性能夠使模型學(xué)習(xí)更復(fù)雜的函數(shù)。

通道模型中包含3個(gè)BLR層,將輸入分為兩部分:原始輸入x和平方后的輸入x2。這兩個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)分別通過不同的全連接層進(jìn)行處理,然后進(jìn)行合并,最終通過輸出層生成預(yù)測(cè)結(jié)果。該通道模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表達(dá)式如下:

y=W1×ReLU(W2×x)+W3×ReLU(W4×x2)。" " "(10)

通過公式(10),實(shí)現(xiàn)了一個(gè)前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)線性層以及Leaky ReLU激活函數(shù)。該模型通過線性變換和非線性激活對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

(1)設(shè)置不同的隱藏層大小H,H={16,32,48,64,80,96,112,128,144,160,176,192,208,224,240,256} ,并記錄每種設(shè)置下的訓(xùn)練和測(cè)試結(jié)果。

(2)對(duì)訓(xùn)練輪數(shù)進(jìn)行限制,并采用早停策略。將模型訓(xùn)練的最大 epoch 數(shù)設(shè)為[Tmax∈[500,1000]]。

(3)在訓(xùn)練過程中,若損失函數(shù)L不再下降,則觸發(fā)early stopping機(jī)制,即提前終止訓(xùn)練,以防止模型過擬合。

(4)在數(shù)據(jù)集的劃分上,將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測(cè)試集,比例為 70%∶30%。定義數(shù)據(jù)集 [D=X?Y],其中X是輸入特征,Y是輸出標(biāo)簽。分割后,得到訓(xùn)練集[Dtrain?D],滿足[|Dtrain|=0.7×|D|]和[|Dtest|=0.3×|D|]。

(5)實(shí)驗(yàn)中,動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)率,設(shè)定初始學(xué)習(xí)率[α=1],并采用Adam優(yōu)化器。每次訓(xùn)練epoch后,若損失函數(shù)L在驗(yàn)證集上不下降,則根據(jù)以下公式動(dòng)態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)率[α]:

[αt+1=αt×decay_rate" " "if" "Lt+1 gt; Lt]。" " " (11)

(6)IRAS_TB 代表紅外分光計(jì)的亮溫?cái)?shù)據(jù)集,IASI_TB代表紅外大氣探測(cè)干涉儀(IASI)的亮溫?cái)?shù)據(jù)集。鑒于IASI作為高分辨率的大氣遙感儀器,其提供的數(shù)據(jù)具有較高的精度,因此在本實(shí)驗(yàn)中,以IASI_TB數(shù)據(jù)集為基準(zhǔn),運(yùn)用DBL通道模型對(duì)IRAS_BT數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正,旨在提高數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。

3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

平均絕對(duì)誤差(MAE)是衡量IRAS_TB和IASI_TB之間誤差大小的一種指標(biāo),用于表示兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間的平均絕對(duì)偏差。通過MAE,可以評(píng)價(jià)AI模型擬合數(shù)據(jù)的優(yōu)劣程度。MAE的計(jì)算公式如下:

[MAE=i=1N|IRAS_TBi-IASI_TBi|N]," " " "(12)

其中:N是數(shù)據(jù)總數(shù)。

均方誤差(MSE)用于表示兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間的平均平方偏差。MSE 值越小,表明兩個(gè)數(shù)據(jù)集越接近,反之則誤差越大。因此,MSE可以用來量化誤差并評(píng)估擬合前后數(shù)據(jù)集之間的差異程度,其計(jì)算公式為

[MSE=i=1N(IRAS_TBi-IASI_TBi)2N]。" " " " (13)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

模型分析最佳擬合數(shù)據(jù)結(jié)果見表1,擬合前后數(shù)據(jù)平均絕對(duì)誤差對(duì)比圖見圖2,擬合前后數(shù)據(jù)均方誤差對(duì)比圖見圖3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,通道CH-01到CH-19在采用AI模型進(jìn)行擬合后,相較于以IASI為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù),其偏差均有所降低,從而驗(yàn)證了AI模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的可行性。

4 結(jié)語

本研究提出了一種創(chuàng)新的擬合數(shù)據(jù)方法,該方法融合了AI模型技術(shù),旨在借助AI模型的強(qiáng)大能力提升數(shù)據(jù)的精確度。通過選擇并應(yīng)用多種不同的AI模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,成功優(yōu)化了IRAS獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)與IASI獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)之間的偏差問題,從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)精確度的有效提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采用平均絕對(duì)誤差和均方誤差這兩種估計(jì)方法對(duì)擬合前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后,除通道CH-20的數(shù)據(jù)外,其余通道的數(shù)據(jù)精度均得到了顯著提升。這一成果在一定程度上滿足了數(shù)據(jù)應(yīng)用對(duì)高精度的需求,驗(yàn)證了本研究方法的有效性和實(shí)用性。

5 參考文獻(xiàn)

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*2024年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“北斗氣象衛(wèi)星紅外分光計(jì)的定標(biāo)和驗(yàn)證研究”(s202411535120)。

【作者簡(jiǎn)介】宋子琛,男,河北滄州人,在讀本科生,研究方向:數(shù)據(jù)挖掘;莫靖宇,男,廣東惠州人,在讀本科生,研究方向:深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);何家偉,男,在讀碩士研究生,湖南株洲人,研究方向:人工智能;袁鑫攀(通信作者),男,湖南株洲人,博士,副教授,研究方向:工業(yè)智能、文獻(xiàn)自動(dòng)化解讀和多模態(tài)信息檢索、醫(yī)學(xué)圖像分析。

【引用本文】宋子琛,莫靖宇,何家偉,等.基于DBL的紅外分光計(jì)通道定標(biāo)模型研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2024(12):1-5.

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