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任务驱动的遥感影像检索案例推理方法研究

李铭  
【摘要】:遥感信息作为保障国家安全与国民经济建设的一种重要战略性资源,在农业、减灾等众多问题的宏观决策方面发挥着不可替代的作用。随着对地观测技术的不断发展,遥感数据源将不断丰富,面临的关键问题之一是如何面向各类用户的不同需求,提供有效的遥感影像检索手段,实现遥感数据的快速获取、处理及高效服务。目前遥感影像的获取主要依赖于专业查询订购服务或者空间信息门户,其中都要求用户提交的查询中包含对专业遥感信息不同详细程度的定性或定量描述,不具备特定应用领域的遥感信息语义查询能力。 因此,本文提出任务驱动的遥感影像检索概念,旨在通过遥感影像应用任务智能检索所需的遥感影像,简化其获取方式,提高其服务水平。然而,遥感影像应用任务与遥感影像之间的关系由于时空地理环境的复杂性,较难抽象为一种通用的规则或模型。因此,本文引入基于案例的推理技术,将遥感影像应用任务与遥感影像之间的复杂时空关系隐藏在案例中,并通过类比推理来利用这种隐藏的关联,实现以遥感影像应用任务为驱动智能检索出所需的遥感影像。具体研究工作及成果如下: (1)提出了任务驱动的遥感影像检索案例推理方法。该方法将难以抽象为规则的遥感影像应用任务、空间、时间与遥感影像之间的关系使用案例来表示,通过类比推理来利用这种关系。用户提交查询后通过相似性检索获得已有相似遥感影像应用案例,并对已有案例进行适当调整使之满足用户查询,最终返回用户所需的遥感影像。该方法较传统基于规则、本体的方法,其知识源更加丰富,获取难度更低,且更加容易表达特殊例外的情况。 (2)建立了以时间、空间、遥感影像应用任务以及遥感影像为主体的遥感影像应用案例语义表达模型。模型中的时间、空间、遥感影像应用任务以及遥感影像等元素都使用本体定义和描述,并对每个元素进行了特征建模,建立了其中的时空关系。模型包含概念模型和描述模型两个层次,概念模型描述概念对象的本质属性和关系,描述模型则是从自然语言层次描述对象的属性和关系。描述模型可通过语义推理实现向概念模型的转化,概念模型和描述模型的结合既保证案例具有足够的表达能力和推理能力,又搭建了从自然语言文本向计算机可理解文字转化的桥梁。 (3)建立了基于深层语义的遥感影像应用案例检索模型,包括相似性度量模型和组织检索模型。建立了遥感影像应用案例中时间、空间、遥感影像应用任务要素的局部相似性度量方法,以及这些元素构成的案例整体相似性度量方法。在时间相似性上,基于时间结构和遥感影像应用任务特点建立了时间语义相似性度量模型。在空间相似性上,将空间对象实例之间的空间关系划分为三类,并对应给出了基于空间关系联系强度、基于分类要素特征向量、基于图谱的相似性计算方法。在遥感影像应用任务相似性上给出了基于属性的相似性度量模型。建立了顾及空间特征的案例检索网络,扩展了虚拟空间、时间索引节点,空间索引节点使用双层R树实现,时间索引节点使用倒排结构,且提出虚拟案例的概念改进了原始扩展激活算法,使得其top-k检索性能与案例数量基本无关。该检索网络还支持不同用户背景下案例元素动态权重的检索。 (4)建立了基于知识的遥感影像应用案例调整模型。该模型一方面利用已有的时间、空间、传感器等本体领域知识作为调整知识,另一方面以案例库自身作为训练集,从中挖掘差异调整规则和频繁规则作为案例调整知识。其中重点对差异化调整规则的表达、学习算法进行了阐述,提出了基于概念要素细分的遥感影像应用案例差异化内容表达,以及顾及时空特征、语义特征的泛化准则和基于规则网的泛化算法;最后给出了面向对象的和查询驱动的调整知识应用方式。 (5)建立了任务驱动的遥感影像检索原型系统iGeoPortal,并在此基础上开展了验证实验,旨在验证本文提出的检索方法的性能及有效性。同时给出了基于信息抽取的遥感影像查询及案例的自然语言处理方法,建立了时空语义推理模型实现描述模型向概念模型的转化,提出了以查询为主体的地名定位方法和基于求交的模糊地名空间范围快速计算方法。初步试验表明,本文提出的任务驱动的遥感影像检索CBR方法,及其中的关键技术是有效和可行的。


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