文章基于适应度地形足迹框架,首次量化分析了不同遥感传感器对神经架构搜索(NAS)过程的影响。以So2Sat LCZ42数据集为基准,对比Sentinel-1(SAR)、Sentinel-2(多光谱)及两者融合的搜索地形特征。研究发现:训练时长增加使所有传感器地形平坦化(崎岖度降低63%);Sentinel-2支持最高平均适应度(0.97)和最平滑搜索轨迹(自相关长度1.54);传感器融合导致性能退化(适应度降低8%)。研究揭示搜索空间对传感器的适配性差异,为多模态NAS设计提供理论依据。
文章提出适应度地形足迹量化框架,将神经架构搜索(NAS)建模为三元组\(\mathcal{L}=(S,f,N)\)。其中\(S\)为NASBench-101搜索空间(45.3万种CNN架构),\(f\)为基于Kappa-Cohen指标的适应度函数,\(N\)为汉明距离定义的邻域算子。通过八项指标全面刻画地形特性:适应度分布均值/方差、崎岖度\(\tau\)、局部最优解数量、正负持久性及其曲线下面积(\(Auc\))。该框架支持跨传感器配置的NAS问题对比。
采用So2Sat LCZ42遥感数据集,包含17类局部气候带标注的Sentinel-1/2协同配准图像。定制二值向量编码NASBench-101架构,拉丁超立方采样100个模型。设置双训练阶段对比:短周期(36轮)和长周期(108轮),测试不同传感器输入下的地形演化规律。
设计三组输入模式:单Sentinel-1(SAR影像)、单Sentinel-2(多光谱影像)、融合输入(堆叠双传感器数据)。保持搜索空间\(S\)和邻域算子\(N\)不变,隔离传感器变量对NAS过程的影响。
短周期训练下,Sentinel-2展现最优适应度分布(\(\mu=0.94,\sigma=0.03\)),显著优于Sentinel-1(\(\mu=0.47,\sigma=0.13\))。传感器融合导致性能衰退(\(\mu=0.89,\sigma=0.05\))。长周期训练使所有传感器适应度提升:Sentinel-2达\(\mu=0.97\)(拟合优度提升32%),Sentinel-1提升至\(\mu=0.64\)。分布拟合显示:Sentinel-1服从对数正态分布,Sentinel-2及融合数据符合Beta分布。
短周期地形崎岖度排序:Sentinel-1(\(\tau=17.84\))>融合(\(\tau=6.03\))>Sentinel-2(\(\tau=1.54\))。随机游走轨迹表明:Sentinel-2路径最平滑且适应度最高(\(\mu=0.93\)),而Sentinel-1路径波动剧烈(振幅35%)。长周期训练使所有传感器地形平坦化,Sentinel-2崎岖度降至接近1。
Sentinel-2在短周期即展现清晰优化路径:距全局最优解汉明距离减小伴随适应度单调上升。融合数据出现异常点簇(\(d_{hamming}=7\)时适应度突降),表明搜索空间对融合模式适配不足。Sentinel-1地形在长周期仍呈现未收敛的负斜率特征。
正持久性(前25%排名保持率)指标排序:Sentinel-2(\(Auc=0.14\))>融合(\(Auc=0.07\))>Sentinel-1(\(Auc=0.04\))。负持久性(后25%排名保持率)呈现相同趋势,Sentinel-2达\(Auc=0.26\)。表明适配性强的传感器产生更稳定的架构排名,而Sentinel-1训练过程存在显著排名波动。
研究发现当前搜索空间下传感器融合存在根本矛盾:输入层堆叠双源数据使平均适应度比单Sentinel-2降低8%,标准差扩大67%。地形足迹显示融合模式继承Sentinel-2的平滑轨迹特征,但出现局部性能洼地。证明NASBench-101搜索空间对多模态输入适配不足,需开发专用融合架构。
适应度地形足迹框架量化揭示: