**摘要——**域适应是遥感领域中一项关键且日益重要的任务,其目标是将知识从源域迁移到分布不同的目标域。它在诸多实际应用中具有广泛价值,包括遥感地物解译、生态环境监测以及城乡规划。然而,由于数据层面的差异(如地面采样距离、不同传感器的成像模式、地理景观与环境条件等),遥感中的域适应面临显著挑战。近些年,深度学习作为强大的特征表示与跨域知识迁移工具,已在遥感任务中得到广泛应用。本文对遥感中基于深度学习的域适应重要进展进行全面综述。我们首先介绍预备知识,以澄清关键概念、数学记号与方法论的分类体系;随后从多个视角梳理现有算法,包括任务类别、输入模态、监督范式与算法粒度,为读者提供结构化的领域认知。接着,我们回顾常用数据集并总结当前最先进方法的性能,以呈现整体发展概况。我们还识别了开放挑战与潜在研究方向,以指引遥感域适应领域的未来工作。与以往综述相比,本文覆盖的遥感域适应任务范围更广,而非仅聚焦于少数子领域;同时给出了更为系统的分类体系,从而提供更全面且有序的理解。总体而言,本综述旨在启发研究群体、促进理解并为后续研究提供指引。 **关键词——**域适应;遥感;深度学习;全面综述。
遥感(RS)技术已广泛应用于诸多现实场景,包括遥感地物解译 [1]–[3]、生态环境监测 [4], [5]、城乡规划 [6]–[8] 等。过去十年间,深度学习的进步(如深度卷积神经网络 [9]–[11]、Transformers [12], [13] 与 Mamba [14]–[16])显著加速了遥感应用的发展。然而,这些方法的有效性往往依赖于代价高昂且耗费人力的标注训练样本,以充分覆盖复杂场景。在实际场景中,此类样本的稀缺常常不足以应对训练(源域)与测试(目标域)图像之间的差异,导致性能明显下降。该“域偏移”(domain shift)现象及其引发的源/目标域性能鸿沟构成了关键挑战。为缓解这一问题并有效弥合域间差距,遥感领域的域适应方法应运而生,成为重要研究方向。此类方法旨在提升遥感模型的泛化能力,使其能够在多样且未见过的域中保持稳健表现,从而克服训练数据不足与偏置所带来的限制。 基于深度学习的域适应方法通常在源数据集上训练模型,并将其能力迁移至目标数据集以获得准确的目标域预测。在遥感场景中,仍然存在若干挑战,主要体现在以下方面: (1) 不同地面采样距离(GSD)带来的剧烈变化。 如图 1(a) 所示,随 GSD 变化,“汽车”等目标在外观与尺度上呈现显著差异。 (2) 不同成像模式导致的类别表征差异。 如图 1(b) 所示,在 R–G–B 与 IR–R–G 图像中,“树木”的颜色表现不同。 (3) 不同地理景观下同类目标的差异。 如图 1(c) 所示,“建筑物”在乡村与城市环境中呈现迥异的建筑风格与结构模式。 (4) 环境因素(天气、光照、阴影等)引发的大域间偏移。 图 1(d) 对比了有雾与无雾条件下的“火车站”场景。总体而言,这些因素导致不同程度的数据分布差异,进而在源/目标域图像之间产生域偏移问题。 为缓解域偏移并弥合遥感源/目标图像之间的域间差距,研究者提出了大量域适应方法。在深度学习兴起之前,域适应研究主要聚焦于传统方法 [17],如不变特征选择 [18]–[21]、数据分布自适应 [22]–[25] 等,旨在调节源/目标域的分布差异。过去十年,深度学习 [26], [27]——尤其是深度神经网络——的迅猛发展,推动了遥感领域域适应方法的演进。最初,对抗学习作为主导技术 [28]–[35],主要用于特征层或图像层的对齐。另一项重要技术是自训练,在遥感域适应任务中也受到广泛关注 [36]–[41]。这种非对抗范式通过为目标域图像生成可靠、一致且类别均衡的伪标签来增强自适应能力。鉴于对抗学习与自训练分别从不同视角提升了域适应效率,将两者融合成为新的研究热点 [42]–[46]。 大型视觉模型(LVMs) 的出现(如 Segment Anything Model,SAM [47], [48])为计算机视觉带来“范式性”变革。依托其在多样场景中的卓越泛化能力,遥感领域有望从受这些进展启发的域适应方法中显著获益 [49]–[51]。尽管基于 LVM 的遥感域适应研究仍相对不足,但已显现出重要且前景广阔的研究趋势。 随着近年来遥感域适应方法的不断涌现,相关综述工作也相继出现。值得注意的是,[52], [53] 针对遥感分类任务的域适应方法进行了专门梳理;[54] 则阐释并评述了遥感领域的无监督域适应思想。由于最新相关综述仅覆盖至 2022 年,亟需在这一快速发展的领域提供更新的综述。相比既有综述,本文对最新方法进行系统梳理;面向多类具体遥感任务,我们在多种基准数据集上给出细致全面的实验对比。鉴于大型视觉模型预计将在未来几年成为研究焦点,我们还将专门探讨基于 LVM 的域适应方法,并勾勒遥感领域的新兴趋势。 综上,本文的主要贡献如下:
系统性概览: 我们系统梳理了遥感域适应的最新研究。与此前综述相比,覆盖范围更广、内容更前沿。 * 多维度分类体系: 从四个视角组织当前方法:任务类别、输入模态、监督范式与算法粒度,形成系统化的分类框架。 * SOTA 方法与基准: 突出展示在若干关键基准上的最新最优(SOTA)工作,为当前与后续研究提供有价值的参考。 * 趋势与展望: 总结现有方法,提出我们对未来研究方向与议题的看法,指出值得进一步探索的方向。
如图 2 所示,本文结构安排如下:第 II 节回顾遥感域适应的预备知识,并给出“方法学分类与数学记号”;第 III 节以逐篇文献的方式对现有工作进行全面回顾,并从四个视角进行归类;第 IV 节介绍基准数据集,并在多种遥感任务上给出详细的性能比较;第 V 节讨论未来研究趋势与议题及我们的观点;第 VI 节对全文进行总结。