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CosmDiff: Integrating Multitemporal Optical-SAR Data With Conditional Diffusion Models for Optical Satellite Time Series Reconstruction

计算机科学 时间序列 合成孔径雷达 遥感 缺少数据 系列(地层学) 插值(计算机图形学) 算法 数据挖掘 卫星 数据同化 土地覆盖 多元统计 特征提取 插补(统计学) 干涉合成孔径雷达 滑动窗口协议 人工智能 数据建模 模式识别(心理学) 传感器融合 像素 信号重构 特征(语言学) 降维 地球观测 雷达 自回归模型 迭代重建 稳健性(进化)
作者
Yuan Yuan,Junhan Zhou,Lei Lin,Ying Yu,Qingshan Liu
出处
期刊:IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:19: 5722-5740
标识
DOI:10.1109/jstars.2026.3655691
摘要

Optical satellite time series data play a crucial role in monitoring vegetation dynamics and land surface changes. However, persistent cloud cover often leads to missing data, particularly during critical phenological stages, which significantly diminishes data quality and hinders downstream applications. To address this issue, we present CosmDiff (Conditional Optical-SAR Multi-temporal Diffusion), a novel framework for reconstructing optical satellite time series by integrating multimodal, multi-temporal optical and Synthetic Aperture Radar (SAR) data using conditional diffusion models. In CosmDiff, the reconstruction task is formulated as a multivariate time series imputation problem, where missing values are modeled as conditionally dependent on both cloudfree optical observations and synergic SAR time series. The framework incorporates a Transformer-based network within the diffusion process, introducing a novel dimensional decomposition attention mechanism that fuses optical-SAR time series across both temporal and feature dimensions. This mechanism enables the dynamic extraction of essential and complementary features from both modalities. Additionally, linearly interpolated optical time series are used as auxiliary inputs to further guide the imputation process. Experimental results on Sentinel-1/-2 datasets demonstrate that CosmDiff consistently outperforms both traditional interpolation methods and advanced deep learning approaches, achieving a 3.8% reduction in mean absolute error (MAE) and a 6.8% improvement in spectral angle mapper (SAM) compared to competing methods. Furthermore, CosmDiff provides comprehensive uncertainty estimates for its predictions, which are particularly valuable for decision-making applications.
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