面向细粒度目标识别的
多层级遥感知识图谱
组织与表达方法

研究背景

Research Background

遥感细粒度目标识别是对地观测及计算机视觉领域中的一项核心且极具挑战的任务,其聚焦高空间分辨率图像中对象的定位及精细分类。

当前遥感细粒度目标识别算法突破了对像素级、对象级与邻域级不同层次的对象语义特征、纹理像素特征及空间邻域特征等多源多尺度特征的协同综合,但仍然无法直接利用场景构成、实体内涵、特征描述与时序变化等细粒度的目标识别相关特征。

核心问题

Core Challenges

知识表达不足

缺乏形式化的知识组织与表达方法,无法系统化描述复杂场景知识

关联关系薄弱

目标间复杂空间关系、场景依赖性表达能力有限

动态演化缺失

难以捕捉目标全生命周期的时序变化特征

特征感知局限

仅依赖影像域特征,缺乏从特征感知到知识推理的转变

创新方法

Innovative Approach

本研究提出了一种多层级知识图谱组织与表达方法,通过设计场景、实体、特征与变化的四层知识表达框架,实现场景约束、实体约束、特征约束、时序约束下的多层级遥感细粒度目标识别知识的组织与表达。

四层知识表达框架

Four-Layer Knowledge Framework

场景层 Scene Layer

表达遥感图像的整体语义环境,提供宏观背景约束

场景层级结构
全局语义环境
目标分布共现

实体层 Entity Layer

描述遥感细粒度目标实体,界定不同细粒度目标的特定类别

细粒度类别体系
语义关系网络

特征层 Feature Layer

数字化描述遥感细粒度目标时空实体的多维特征

时空参照
空间位置
空间形态
部件组成
行为特征
关联关系
属性特征
八元组模型

变化层 Change Layer

描述遥感细粒度目标实体全生命周期的动态演化时序特性

时间状态序列
特征演化规则
生命周期管理

理论基础

Theoretical Foundation

场景理论

对客观世界中不同空间环境及其内部目标分布与交互规律的系统化抽象与认知,场景对目标具有显著约束作用

时空对象理论

通过时空参照、空间形态、关联关系等特征将现实目标抽象为数字化实体,实现全生命周期描述

时空知识图谱理论

以时空分布与演化规律为核心,构建实体状态序列和关系网络来刻画目标的动态演化过程

实验验证与性能提升

Experimental Validation & Performance

实验数据集

3,392张高分辨率遥感影像
分辨率:0.5~2.0米
覆盖港口、机场、城市等典型场景
格式:TIFF,坐标系:WGS84

测试神经网络

Oriented R-CNN
Oriented RepPoints
LSKNet
STD

在所有模型上均实现稳定性能提升,验证方法的普适性与鲁棒性

关键性能指标提升

+3.82%
mAP

平均精度提升

Mean Average Precision

+3.92%
Recall

召回率提升

Recall Rate

0.017~0.022
mAP Range

跨模型提升范围

Cross-Model Improvement

多场景应用验证

Multi-Scenario Applications

自然灾害场景 Natural Disaster

场景特征:

  • 森林火灾监测(针叶林、阔叶林)
  • 火点核心区、烟雾扩散区识别

关键特征:

  • 明火区温度 >800℃
  • 烟雾区气溶胶光学厚度 >1.2

城市建筑群场景 Urban Buildings

场景划分:

  • 住宅区、商业区、工业区
  • 板式高层、塔式高层、联排别墅

识别特征:

  • 容积率、建筑高度、轮廓形态
  • 与学校、商业区的配套关系

军事目标识别场景 Military Targets

目标类型:

  • 战斗机型号识别(F-18、F-35等)
  • 舰船类别(航母、驱逐舰、护卫舰)

细粒度特征:

  • 机翼形态、挂载武器类型
  • 飞行轨迹、停靠位置关系

核心优势与创新

Core Advantages

突破静态感知局限

超越传统遥感解译仅依赖静态像素特征的局限,整合场景语义、目标关联、动态演化等多维度信息到知识表达框架

知识驱动推理

实现从"特征感知"向"知识推理"的范式转变,通过结构化知识补充深度学习模型的高阶语义关系捕捉能力

多层级语义建模

构建从全局场景到局部属性的多层级语义关联,有效缓解类内差异和类间相似性导致的识别混淆问题

跨模型稳定提升

在多种神经网络架构上均实现一致性精度提升,验证方法的普适性、鲁棒性和跨场景适配能力

全生命周期追踪

通过时空状态序列记录目标动态演化过程,支持从新生到消失的完整生命周期管理和时序变化分析

增强可解释性

显著提升细粒度识别的可解释性和动态适应性,通过知识推理修正特征感知偏差,降低复杂场景误检率

研究意义与应用价值

Significance & Applications

本研究为遥感领域知识图谱的动态化、多维度建模提供了新的理论支撑,推动遥感影像智能解译从"特征感知"向"知识推理"的转变。

地理信息分析

为地理信息提取、环境监测、城市规划等领域提供高精度目标识别与语义理解能力

军事情报分析

支持军事目标细粒度识别、战场态势感知和情报信息提取,提升军事侦察能力

灾害应急响应

实现自然灾害快速识别与动态监测,为应急决策提供及时准确的空间信息支持

智慧城市建设

支持城市建筑物精细分类、基础设施监测和城市发展动态追踪分析

未来研究方向

Future Directions

特征嵌入输入服务

将场景语义、实体特征、时序演化规律转化为可嵌入向量,通过跨模态对齐与图像特征融合,增强模型对全局上下文的感知能力

开放数据集构建

联合构建含多层级知识的标准化数据集,为遥感知识图谱的标准化构建与跨场景应用提供数据支撑

知识驱动融合发展

实现"特征增强-结果校验"的全流程知识支撑,推动遥感解译从"数据驱动"向"知识驱动"融合发展