吉林大学学报(地球科学版) ›› 2026, Vol. 56 ›› Issue (3): 1088-1106.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20240229

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异常检测驱动的GNSS-R海冰半监督多任务反演算法

高源,侯春萍,李梦龙,马丹,杨阳   

  1. 天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072
  • 出版日期:2026-05-26 发布日期:2026-06-03
  • 作者简介:高源(1998—),女,硕士研究生,主要从事遥感海冰方向的研究,E-mail: gaoyuan98@tju.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(62171318)

Anomaly Detection Driven Semi-Supervised Multi-Task Retrieval Algorithm for Sea Ice Based on GNSS-R

Gao Yuan, Hou Chunping, Li Menglong, Ma Dan, Yang Yang   

  1. School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
  • Online:2026-05-26 Published:2026-06-03
  • Supported by:
    Supported by the National Natural Science Foundation of China (62171318)

摘要: 海冰影响着大气、生态、海洋和人类生产生活等各个方面,因此开展海冰反演具有重要意义。目前,基于全球导航卫星系统反射测量(global navigation satellite system reflectometry, GNSS-R)技术的机器学习方法已应用于海冰遥感领域,取得了良好的效果。然而现有算法存在过度依赖标签、结构冗余,以及在样本失衡情况下无法有效反演海冰的问题。因此,本文提出了一种异常检测驱动的GNSS-R海冰半监督多任务反演算法,将半监督异常检测思想应用于遥感海冰反演领域,解决对标签的过度依赖和样本失衡情况下的反演问题。该算法包含数据预处理模块和基于GNSS-R的海冰多任务反演网络(sea ice multi-tasks retrieval network, SIMTRN)。SIMTRN包含海冰检测模块与海冰密集度反演模块,运用模块间数据特征共享机制实现基于单个网络的海冰检测与海冰密集度反演任务,解决结构冗余的问题。另外,针对海冰密集度反演任务,本文考虑了不同大气、气象特征与海冰密集度之间的关系,通过与海冰DDM(delay Doppler maps)特征的融合提高预测精度。实验结果表明,SIMTRN的海冰检测准确率达到了0.973 3,海冰密集度反演相关系数达到了0.969 9,优于现有4种机器学习算法——基于反向传播学习的多层感知器神经网络、基于单层卷积的卷积神经网络、基于特征选择的支持向量、基于双层卷积的卷积神经网络的性能。同时,本文还证明了所提算法的泛化能力优于现有机器学习算法。


关键词: 海冰, 异常检测, GNSS-R, 遥感, 半监督学习

Abstract:  Sea ice plays a critical role in influencing various aspects of  atmosphere, ecology, oceans, and even human activities, making the task of sea ice retrieval (SIR) immensely important. At present,  machine learning methods based on global navigation satellite system  reflectometry (GNSS-R) technology have benn applied  in the field of sea ice remote sensing, achieving good results. However, the existing algorithms are hindered by over-reliance on labels, structural redundancies, and limited effectiveness in dealing with sample imbalances. To overcome these challenges, the anomaly detection driven semi-supervised multi-task retrieval algorithm for sea ice based on GNSS-R is proposed in this paper. The approach of semi-supervised anomaly detection is applied to the field of remote sensing SIR, which solves the retrieval problem in the case of over-reliance on labels and sample imbalance. The proposed algorithm is composed of two primary components: the data preprocessing module and the GNSS-R-based sea ice multi-task retrieval network (SIMTRN). SIMTRN contains a sea ice detection (SID) module and a sea ice concentration retrieval (SICR) module, and utilizes the inter-module data feature sharing mechanism to realize  SID and SICR tasks based on a single network, which solves the problem of structural redundancy. In addition, for the SICR task, this paper considers the relationship between different atmospheric and meteorological features and sea ice concentration, and improves the prediction accuracy by fusing with sea ice delay Doppler maps’ features. Experimental results demonstrate that SIMTRN achieves a SID accuracy of 0.973 3 and a SICR correlation coefficient of 0.969 9, outperforming four existing machine learning algorithms: The backpropagation-learning multilayer perceptron neural network, the convolutional neural network based on single-layer convolution, the support vector based on feature selection, and the convolutional neural network based on double-layer convolution. Additionally, this study confirms that the proposed algorithm possesses superior generalization capability to the existing methods.


Key words: sea ice, anomaly detection, GNSS-R, remote sensing, semi-supervised learning

中图分类号: 

  • TP391
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