中国科学院大学学报

洪义国, 何翔, 吴佳鹏, 刘晓晗

2020, 37 (4): 433-441. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.001

摘要 ( 546 ) HTML ( ) PDF (2384KB) ( 1325 )

氨氧化古菌（AOA）在海洋环境中分布广泛，是海洋水体中数量最为丰富的原核生物之一。AOA作为海洋中氨氧化作用的主导微生物，能在寡营养条件下通过化能自养的形式进行固碳，在海洋的碳、氮循环过程中发挥重要作用。AOA氨氧化过程驱动的化能自养固碳是深海内部重要能量来源，为研究深海内部有机碳输入与深海微生物群的有机碳需求之间的不平衡问题以及深海自养生物能量来源问题提供重要导向。本文对于海洋AOA的多样性分布、碳氮生物地球化学循环过程及其在海洋能量循环过程中的功能进行系统的综述，以期为本领域的研究提供借鉴。

西北干旱半干旱区煤炭井工开采对土壤肥力质量的影响研究进展

马康, 杨帆, 张玉秀

2020, 37 (4): 442-449. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.002

摘要 ( 320 ) HTML ( ) PDF (3692KB) ( 515 )

西北干旱半干旱区是中国典型的生态脆弱区，煤炭地下开采诱发地质结构破坏和地表形变，导致土体沉降和地裂缝的产生，进一步造成土壤砂粒含量增加，孔隙度增加，保水能力下降，土壤养分流失，微生物种群受扰动，土壤酶活性受影响，最终导致土壤肥力质量降低。以采煤沉陷的机理及土壤结构变化规律为切入点，综述煤炭开采对土壤物理、化学和生物学性质的影响，分析西北干旱半干旱区煤炭井工开采对土壤肥力质量的影响机制，这些结果对于加快矿区沉陷土壤质量的恢复、土地复垦技术的研发和生态环境保护等具有理论指导意义。

基于机器学习的点集匹配算法

唐思琦, 韩丛英, 郭田德

2020, 37 (4): 450-457. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.003

摘要 ( 665 ) HTML ( ) PDF (1526KB) ( 586 )

点集匹配是计算机视觉和模式识别中的重要问题，在目标识别、医学图像配准、姿态估计等方面都得到广泛应用。提出基于机器学习的端对端模型——multi-pointer network（MPN）来解决点集匹配问题。该网络模型利用多标签分类的思想，改进pointer network。以前的模型只输出输入序列的一个元素，而MPN模型选择输入序列中的一组元素作为输出。首先，把点集匹配问题转换为序列问题。这样，网络的输入为顶点的坐标序列，输出为点对之间的对应关系。利用这种方式，可以解决相对于整个空间的平移变换和其他大幅度的刚性变换。实验结果表明，模型也可以被推广解决其他带结构的组合优化问题，如三角剖分等。

完全自旋极化电子器件TiCl₃/RhCl₃/TiCl₃的量子输运性质的第一性原理研究

张珍, 黄强, 胜献雷, 郑庆荣

2020, 37 (4): 458-464. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.004

摘要 ( 340 ) HTML ( ) PDF (3711KB) ( 663 )

基于非平衡格林函数结合密度泛函理论的第一性原理量子输运方法，预言一种完全自旋极化的电子器件。该器件是由半金属TiCl₃做电极，半导体RhCl₃做中心区搭建的磁性隧道结。分别计算小偏压范围（0~20 mV）和大偏压范围（0~0.6 V）下的自旋极化电流曲线。发现在小偏压范围内，器件的隧穿磁电阻（tunneling magnetoresistance，TMR）高达100%，并在这一偏压范围内维持稳定；在电极极化方向平行构型（parallel configuration，PC）下的自旋注入效率也高达100%，具有很强的稳定性。在大偏压范围内，随着偏压的增加TMR逐渐减小，PC构型下的自旋注入效率一直保持100%不变。最后，通过对器件投影态密度图的分析，解释上述物理现象。

分散固相萃取结合毛细管电泳-激光诱导荧光法测定血清中甲基化精氨酸

谢士杰, 杨泽诚, 周洲, 蔺亚辉, 苏保满, 丁永胜

2020, 37 (4): 465-472. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.005

摘要 ( 244 ) HTML ( ) PDF (1953KB) ( 319 )

介绍一种分散固相离子交换萃取方法，结合毛细管电泳-激光诱导荧光检测法，测定血清样品中不对称二甲基精氨酸、对称二甲基精氨酸和单甲基精氨酸。将提取甲基化精氨酸的树脂粒加入到4-氯-7-硝基苯并呋喃乙腈溶液和碱性硼酸钠溶液（pH=10.5）的混合溶液中，于60℃水浴中衍生化。在80 mmol/L磷酸盐溶液（pH=2.0）分离电解质和20 kV分离电压条件下，这3种衍生物在熔融石英毛细管中获得基线分离。根据FDA生物分析方法验证指南，进行方法验证，结果满意。利用该方法测定了当地医院血清样品中的3种甲基化精氨酸含量。

中国快速城镇化地区生态城市建设问题与经验——以厦门市为例

刘佳坤, 吝涛, 张箫, 邓富亮, 张国钦, 赵宇, 叶红, 李新虎

2020, 37 (4): 473-482. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.006

摘要 ( 509 ) HTML ( ) PDF (3705KB) ( 702 )

以厦门市作为中国生态城市建设典型代表，通过对其近40年城镇化与生态城市建设的历史自然过程回顾分析，指出不同历史阶段中国生态城市建设面临的主要问题与挑战，并对厦门生态城市建设的成功经验进行总结。研究结果显示：行政区划、建成区扩张和自然资源限制是影响中国生态城市建设的主要因素。按照厦门市生态城市建设的历史过程及其面临的主要问题，将厦门市生态城市建设历程划分为3个阶段：20世纪80年代至90年代物质资源约束阶段，90年代至21世纪初环境污染与生态修复阶段，21世纪初至今城市空间格局优化与管理阶段。最后，将厦门市生态城市建设经验总结为3方面：1）政府高度重视，相关部门整合领导；2）依托自然环境禀赋，城市建设与生态建设并行；3）顶层设计城市发展路径，多规合一。该研究结果可为中国乃至其他发展中国家快速城镇化地区生态城市建设和发展的研究与实践提供科学借鉴。

基于FD-RCF的高分辨率遥感影像耕地边缘检测

李森, 彭玲, 胡媛, 池天河

2020, 37 (4): 483-489. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.007

摘要 ( 585 ) HTML ( ) PDF (4324KB) ( 877 )

针对建立和更新田间图形数据库时，以高分辨率遥感影像为底图人工勾绘地块耗时费力这一问题，探索从边缘检测的角度实现对地块边缘的自动提取。在构建耕地地块边缘遥感影像数据集工作中，尝试深度学习边缘检测模型holistically-nested edge detection（HED）和richer convolutional features（RCF）的基础上，进一步改变模型特征融合方式，并采用空洞卷积结构，提出构建应用于遥感影像的边缘检测模型full dilated-RCF（FD-RCF），提取耕地地块边缘。实验表明，相关方法的精度评定F₁值均能达到0.8以上。构建的FD-RCF模型表现最佳，其检测结果在ODS和OIS精度评定中F₁值分别达到0.848 1和0.850 2，平均精度0.795 7。比较而言，FD-RCF方法检测结果画面更加清晰，能够显著提高田间地形数据的更新效率。

基于面向对象技术的旅游用地遥感识别

罗开盛

2020, 37 (4): 490-497. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.008

摘要 ( 355 ) HTML ( ) PDF (20306KB) ( 423 )

利用国产GF-1卫星影像，以南京市为例，采用面向对象技术对旅游用地信息进行专题提取，研发出基于遥感手段的旅游用地信息提取方法和流程。研究结果如下：1）GF-1夏季影像4个图层（红、绿、蓝和近红外波段）方差的平均值（VI-Summer）是识别旅游用地的有效指标。2）旅游用地提取的制图精度和用户精度分别为83.33%和73.53%，表明基于GF-1卫星影像和面向对象技术的方法能够对旅游用地进行有效识别和监测。3）南京市的旅游用地总面积为137.34 km²。4）在空间分布上，旅游用地主要集中在长江以南地区，尤其是鼓楼区、雨花台区、建邺区、玄武区和秦淮区及其附近；而长江以北（江北）地区相对稀疏。本研究结果可为利用GF-1卫星影像快速有效地监管旅游用地提供技术支撑。

基于净空技术的ISM频段可靠无线通信系统

吉行健, 梁广, 孙思月, 姜泉江, 余金培

2020, 37 (4): 498-506. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.009

摘要 ( 287 ) HTML ( ) PDF (5589KB) ( 590 )

随着频谱资源日益紧张，在免授权频段开展可靠的星地、空地、蜂窝等无线通信系统设计已成为提高频谱资源利用效率、缩短通信系统研制周期的新兴研究热点。提出一种在ISM频段下的可靠无线通信系统。该系统采用基于载波监听的无线净空技术实现公用资源下的可靠频谱占用，并结合基于先验自干扰抑制的收发信机软硬件设计，实现ISM频段异构网络共存下的可靠通信。针对该系统固有的自干扰问题，提出基于先验信息的射频AD清零策略和结合射频链路的周期控制射频开关的设计，实现通信系统误码率及环路跟踪性能不受自干扰影响。最后，通过软硬件仿真和实物测试验证该方案的有效性。

一种基于改进粒子滤波的水下采矿导航方法

张志慧, 冯迎宾, 李智刚, 赵小虎

2020, 37 (4): 507-515. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.010

摘要 ( 165 ) HTML ( ) PDF (2779KB) ( 395 )

针对水下采矿导航系统所面临的噪声具有非高斯性和频率随机性的问题，提出基于粒子滤波的深海采矿导航算法，并针对粒子滤波的粒子退化和贫化提出一种新的重采样算法。结合湖试数据，仿真实验表明新的重采样算法在获得更好的滤波精度的同时可以避免粒子贫化现象。最后，将基于改进的粒子滤波的深海采矿导航算法与基于无迹卡尔曼滤波算法的导航算法进行对比。结果表明本文提出的算法具有较高的精度和优良的鲁棒性。

基于仿真SAR图像深度迁移学习的自动目标识别

王泽隆, 徐向辉, 张雷

2020, 37 (4): 516-524. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.011

摘要 ( 500 ) HTML ( ) PDF (12294KB) ( 605 )

使用深度卷积神经网络实现SAR图像的自动目标识别在训练过程中需要大量的标注数据。为解决由SAR实测数据获取成本高、标注数据量不足带来的问题，提出一种在由CReLU激活函数和批归一化改进的卷积神经网络上，使用仿真SAR图像提升最终目标识别性能的方法，把从大量仿真SAR图像学习到的有效知识迁移到实测SAR图像数据上。在训练中，先用仿真SAR图像预训练卷积神经网络，结合迁移学习的方法，有效地解决由SAR图像数据不足带来的过拟合问题。在MSTAR数据集上验证方法的有效性，识别准确率提高到99.78%，并在少量SAR图像样本数据上也取得不错的识别效果。

一种基于层次稀疏的全极化SAR层析成像方法

杨牡丹, 魏中浩, 徐志林, 张冰尘, 洪文

2020, 37 (4): 525-531. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.012

摘要 ( 313 ) HTML ( ) PDF (4479KB) ( 533 )

SAR层析成像利用多航过复数据对观测目标进行高程向重构，全极化数据具有丰富的散射信息。将全极化数据与SAR层析成像相结合，利用城市建筑高程向散射体的稀疏性和全极化数据信号稀疏支撑集相同的特点，提出基于组稀疏约束和稀疏约束相结合的求解模型，并利用层次稀疏的方法对模型进行求解。通过Monte Carlo仿真实验将该模型法的性能与单极化层析成像模型和基于组稀疏的求解方法的性能进行对比，并将该方法应用到实测数据的半点目标仿真实验中。结果表明，本文提出的方法提高了高程向重建精度，且有更好的鲁棒性，在低信噪比下也能较好地恢复目标的高程向信息和后向散射系数。

基于基因表达式编程的多星成像任务规划算法

明卫鹏, 马广彬, 章文毅

2020, 37 (4): 532-538. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.013

摘要 ( 286 ) HTML ( ) PDF (4779KB) ( 459 )

通过分析区域目标多星成像任务规划的约束条件，建立相应的约束满足模型，并分析模型的数学复杂度。为改善遗传算法应用于多星成像任务规划问题时，全局搜索能力较弱的缺点，首次提出使用基因表达式编程求解此问题。在算法实现的过程中，设计出倒置遗传算子增强最优解的搜索，并引入知识库保留迭代过程中的精英个体。结果表明，基因表达式编程不仅有效和合理地解决了多星成像规划问题，而且极大地提高了解的精度。

基于生成对抗网络的半监督遥感图像飞机检测

陈国炜, 刘磊, 郭嘉逸, 潘宗序, 胡文龙

2020, 37 (4): 539-546. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.014

摘要 ( 520 ) HTML ( ) PDF (8400KB) ( 601 )

遥感图像上的飞机目标检测是一件极富挑战性的工作，吸引了广大研究者的兴趣。基于人工神经网络的方法是当前遥感图像飞机目标检测的主流方法，这类方法要求人工标记大量的数据用于训练。对训练图像的人工标注工作费时费力，是制约有效利用大规模数据的主要瓶颈之一。为解决这个问题，提出一种基于生成对抗网络（generative adversarial networks，GAN）的半监督检测方法。在遥感图像飞机目标检测中，该方法不需要标记全部用于训练的图像，只需要标记其中一小部分样本，再和大量未标记数据一起进行训练便能取得优异的检测结果。该方法结合传统的检测网络和基于GAN的半监督学习网络。在对抗训练过程中，生成器学习数据分布并生成假样本，判别器判别真假样本，同时判别器还需要从标记数据中学习类别信息。最后，判别器学习到的决策分类面不仅仅区分出标记数据，而且平行于数据分布的边界。实验证明，在存在大量可供训练的图像的基础上，减少标注数据的比例，全监督学习方法性能会大幅下降；而本文提出的半监督学习方法，由于利用了未标注的数据，能保持更好的检测性能。

基于丰度分布约束的NMF端元生成方法

石悦, 王宏琦, 郭新毅

2020, 37 (4): 547-552. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.015

摘要 ( 302 ) HTML ( ) PDF (3259KB) ( 472 )

非负矩阵分解（non-negative matrix factorization，NMF）端元生成方法可以同时获得端元和丰度，且支持乘式迭代实现目标函数优化，处理效率高，因此受到越来越多的关注。由于目标函数非凸，基于NMF的端元提取方法容易陷入局部极值。尽管采用增加约束的方式可以缓解局部极值问题，但往往会破坏NMF乘式迭代规则，从而降低NMF方法的处理效率。提出一种基于丰度分布约束的方法，利用矩阵迹运算实现目标函数乘式迭代优化。实验结果表明，该方法既能估计出准确的端元，又能提高端元生成的效率。

基于实体嵌入和长短时记忆网络的入侵检测方法

赖训飞, 梁旭文, 谢卓辰, 李宗旺

2020, 37 (4): 553-561. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.016

摘要 ( 330 ) HTML ( ) PDF (1554KB) ( 474 )

针对网络入侵检测过程中无法有效处理入侵数据中分类变量的表示，导致网络入侵检测准确率低、漏报率高等问题，提出一种基于实体嵌入和长短时记忆网络（long short-term memory network，LSTM）相结合的网络入侵检测方法。首先，在数据预处理时，将表示网络特征数据中的数值型变量和分类型变量数据分开，通过实体嵌入方法将分类型变量数据映射在一个欧几里得空间，得到一个向量表示，再将这个向量嵌入到数值型数据后面得到输入数据。然后，通过把数据输入到长短时记忆网络中去训练，通过时间反向传播更新参数，得到最优嵌入向量作为输入特征的同时，也得到一个相对最优的LSTM网络的检测模型。在数据集NSL-KDD上进行实验验证，结果表明实体嵌入是一种有效处理网络入侵数据中分类变量的方法，它和LSTM网络相结合组成的模型能够有效提高入侵检测率。在数据预处理时对分类变量的处理中，实体嵌入方法与传统的One-Hot编码方法相比，检测的准确率提高1.44个百分点，漏报率降低2.99个百分点。

基于级联卷积网络的面部关键点定位算法

孙铭堃, 梁令羽, 汪涵, 何为, 赵鲁阳

2020, 37 (4): 562-569. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.017

摘要 ( 346 ) HTML ( ) PDF (5741KB) ( 424 )

目前，人的面部关键点定位算法在限定环境下已达到很高的识别率，但在非限定环境下，仍易受到环境光线不均、测试角度范围广、检测目标姿态多样及遮挡模糊等因素的影响。提出一种级联卷积网络以提高关键点定位的精度与鲁棒性。在进行人脸检测时，该算法在Light-VGGNet的基础上提出一种DPM-CNN网络结构，引入五官可变形部件，将人脸检测与五官定位同时进行，提高人脸检测精度并降低人脸检测对面部关键点定位的影响。在进行内部关键点定位时，采用由粗到细的算法思想，将两层不同的网络级联实现对内外关键点的定位。利用FDDB数据集进行测试，无论在人脸检测，还是面部关键点定位上，所提出的卷积网络结构准确度和检测速度均高于其他算法，在非限定环境下表现出很好的鲁棒性。

基于改进一对一算法的网络流量分类

赵择, 徐佑宇, 唐亮, 卜智勇

2020, 37 (4): 570-576. DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2020.04.018

摘要 ( 358 ) HTML ( ) PDF (1284KB) ( 510 )

准确的流量分类是网络管理和网络安全的有效保障。近年来基于机器学习的网络流量分类备受关注，特征选择对于机器学习的分类效果有重要影响。但使整体分类性能达到最优的特征选择子集，并不一定使特定类别的分类性能达到最佳，这降低了分类性能可达到的上限，对此提出基于改进的一对一算法的流量分类模型。首先采用一对一的思想将流量多分类任务拆解为多个相互独立的二分类子任务，分别对任意两类流量进行特征选择和流量分类。所有子任务的分类结果采用Stacking策略结合。实验表明，多种机器学习算法与特征选择算法应用于该模型的准确度较经典模型均有提升。

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