哈工大團(tuán)隊(duì)帶來的SAR領(lǐng)域首個(gè)融合多輔助任務(wù)的大模型 SUMMIT 。它如何解決SAR成像機(jī)制帶來的獨(dú)特難題？讓我們一探究竟。

最近讀到一篇發(fā)在關(guān)于SAR的大模型的paper，來自哈工大團(tuán)隊(duì)，名為《SUMMIT: A SAR foundation model with multiple auxiliary tasks enhanced intrinsic characteristics》，發(fā)布了一個(gè)名為“SUMMIT”的模型。

整個(gè)算法研發(fā)過程很有參考價(jià)值，并且實(shí)測(cè)效果也都很不錯(cuò)。

PART.01

現(xiàn)有困境：光學(xué)經(jīng)驗(yàn)的水土不服

現(xiàn)有的遙感大模型大多基于光學(xué)圖像訓(xùn)練，往往忽略了合成孔徑雷達(dá)（SAR）獨(dú)特的成像機(jī)制。業(yè)界似乎也沒有特別好的專門針對(duì)SAR的大模型，研究方向可能主要還是在于如何將SAR的物理特性（如斑點(diǎn)噪聲、散射機(jī)制）注入深度學(xué)習(xí)模型。

這篇研究提出了首個(gè)融合多輔助任務(wù)的SAR基礎(chǔ)模型SUMMIT，通過自監(jiān)督學(xué)習(xí)框架，巧妙地將去噪與空間散射特征增強(qiáng)結(jié)合，在分類、檢測(cè)和分割等下游任務(wù)中取得了SOTA性能。

在光學(xué)領(lǐng)域，像 GPT、DINOv2 這種模型通過海量數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練，泛化能力強(qiáng)得離譜。但在 SAR 領(lǐng)域，沒有起到特別好作用。主要是存在以下問題：

1. 成像機(jī)制差異SAR基于主動(dòng)式微波成像，其圖像由回波矢量疊加形成。這導(dǎo)致了光學(xué)圖像中不存在的斑點(diǎn)噪聲和幾何畸變。

2. 特征表征困難通用視覺模型傾向于學(xué)習(xí)顏色和紋理特征，而SAR圖像是單通道的幅度信息，依賴于強(qiáng)散射點(diǎn)和邊緣結(jié)構(gòu)來表征目標(biāo)。

3. 數(shù)據(jù)與知識(shí)缺口缺乏大規(guī)模、高質(zhì)量的SAR預(yù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，且模型難以自發(fā)理解SAR的電磁散射物理特性。

通俗來說就是，因?yàn)槌上裨淼腻娜徊煌?，以及稀缺的?shù)據(jù)集，導(dǎo)致現(xiàn)有的視覺模型在面對(duì)SAR時(shí)，很難有好的效果。

PART.02

核心思路：物理驅(qū)動(dòng)的自監(jiān)督學(xué)習(xí)

所以就涉及到模型的微調(diào)，這篇研究采用的技術(shù)路線還是以MAE為主，但是與傳統(tǒng)的MAE有改進(jìn)。

直接套用類似 MAE（掩碼自編碼器）這種讓模型“猜被遮擋部分”的邏輯，模型很可能會(huì)把注意力浪費(fèi)在擬合那些隨機(jī)的噪聲斑點(diǎn)上，而不是去理解真正的地物結(jié)構(gòu)。

本研究主要基于ViT的掩碼自編碼器（MAE）架構(gòu)。其核心創(chuàng)新在于引入了輔助任務(wù)協(xié)調(diào)模塊（ATCM），將三個(gè)物理驅(qū)動(dòng)的自監(jiān)督輔助任務(wù)（SSATs）無縫集成到預(yù)訓(xùn)練中：

自監(jiān)督去噪

SAR的斑點(diǎn)噪聲近似于乘性噪聲。ATCM在輸入端對(duì)原始圖像進(jìn)行對(duì)數(shù)變換并注入模擬高斯噪聲，強(qiáng)制Encoder學(xué)習(xí)從含噪數(shù)據(jù)中恢復(fù)純凈信號(hào)，讓模型學(xué)會(huì)“忽略”斑點(diǎn)噪聲。

邊緣特征增強(qiáng)

利用Canny算子提取原始圖像的邊緣圖作為監(jiān)督信號(hào)。該任務(wù)迫使模型保留高頻的結(jié)構(gòu)和輪廓信息，這對(duì)SAR目標(biāo)的幾何形狀識(shí)別至關(guān)重要。

散射點(diǎn)特征提取

利用Harris角點(diǎn)檢測(cè)提取強(qiáng)散射點(diǎn)。SAR圖像中，角點(diǎn)和邊緣通常對(duì)應(yīng)強(qiáng)后向散射中心。

同時(shí)為了支撐訓(xùn)練，作者構(gòu)建了一個(gè)涵蓋56萬張樣本的數(shù)據(jù)集 MuSID：涵蓋C波段和X波段，源自高分三號(hào)、Sentinel-1、TerraSAR-X等多個(gè)傳感器，分辨率跨度從0.3m到15m。并且經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)清洗、裁剪（統(tǒng)一為448x448）和去重處理。

PART.03

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：顯著提升

在分類、檢測(cè)、分割三個(gè)下游任務(wù)上，基于 MSTAR, SSDD, SAR-Aircraft-1.0 等7個(gè)主流數(shù)據(jù)集進(jìn)行了廣泛驗(yàn)證。

01

目標(biāo)檢測(cè)

在 SARDet-100K（目前最大的SAR檢測(cè)數(shù)據(jù)集）上，SUMMIT展現(xiàn)了壓倒性優(yōu)勢(shì)。相比于直接在SAR數(shù)據(jù)上微調(diào)的 ViTDet，SUMMIT的 mAP 提升了至少為 5%。

在港口和停機(jī)坪等密集場(chǎng)景下，SUMMIT能有效分離重疊目標(biāo)，而對(duì)比模型容易出現(xiàn)漏檢或誤檢。

02

目標(biāo)分類

在 MSTAR 數(shù)據(jù)集上的小樣本性能突出：

• 僅使用 30% 的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確率達(dá)到 98.39%。

• 全量數(shù)據(jù)下準(zhǔn)確率達(dá) 99.89%，優(yōu)于 ResNet, Swin-Transformer 等主流模型。

03

真正的理解：注意力熱力圖

對(duì)比熱力圖可以發(fā)現(xiàn)模型學(xué)習(xí)機(jī)理的區(qū)別，上圖紅框?yàn)镾UMMIT模型的注意力結(jié)果：

• 普通 ViT：

  注意力由于受斑點(diǎn)噪聲干擾，分布較為散亂，常聚焦于背景噪聲。

• SUMMIT：

  注意力高度集中在目標(biāo)的強(qiáng)散射中心（如艦船甲板、飛機(jī)機(jī)身）。

這證明，通過那些輔助任務(wù)的“調(diào)教”，模型真的懂了 SAR 的成像機(jī)理，它知道哪里是信號(hào)，哪里是噪聲。

小 結(jié)

在垂類領(lǐng)域的 AI 研究中，Domain Knowledge（領(lǐng)域知識(shí)）依然是王道。

單純的數(shù)據(jù)堆疊也許能解決通用的視覺問題，但像 SAR 這種有著復(fù)雜物理背景的數(shù)據(jù)，必須要把物理特性（如散射機(jī)制、噪聲分布）融入到模型的設(shè)計(jì)哲學(xué)里去。

論文相關(guān)代碼已經(jīng)開源：

https://github.com/Yunsans/SUMMIT-SAR

>End

本文轉(zhuǎn)載自“空天感知”，原標(biāo)題《哈工大提出物理驅(qū)動(dòng)的SAR大模型SUMMIT，多項(xiàng)下游任務(wù)SOTA》。

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