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当期目录

    2024年 第53卷 第11期    刊出日期:2024-12-13
    上一期   
    综述
    自主式情境化地图表达:大模型时代的智能化地图制图理论探讨
    李志林, 徐柱, 慎利, 李精忠, 蓝天, 王继成, 赵婷婷, 艾廷华, 遆鹏, 刘万增, 陈军
    2024, 53(11):  2043-2052.  doi:10.11947/j. AGCS.2024.20240222.
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    通过智能化提升制图技术,让制图系统能全自动地完成地图设计与制作,一直是地图学界追求的目标,也一直是国际地图制图协会的前沿研究方向。从20世纪80年代开始,人工智能技术在地图学领域开始应用,逐步解决了部分工序的自动化问题,提高了地图制图的生产效率。然而,地图设计等关键环节的自动化水平仍然极低,无法满足信息时代的“定制化”“泛在化”制图需求。可喜的是,2023年以来,以GPT-4和Gemini等大语言模型(简称“大模型”)为代表的人工智能技术取得了突破,达到了“准通用人工智能”,表现出令人惊叹的语言理解力、推理能力和表达能力。基于此,本文探讨利用大模型来提升地图制图系统的智能水平,旨在建立新一代智能化制图理论与方法体系。首先,分析现有数字制图系统的瓶颈问题,指出建立新一代智能化制图技术的必要性;其次,分析大模型的性质与能力,论证建立新一代智能化制图技术的充分性;然后,进一步分析它们相结合的可能与方式,提出一个大模型时代的智能制图模式,并根据其根本性质与表征,将之称为情境化地图表达;最后,讨论情境化地图表达的关键技术问题,即自主觉知用图情境、自主设计制作地图及随境自主人机交互。

    地图学与地理信息
    面向地学分析AI建模的地理信息服务层次网络模型
    吴华意, 赵安琪, 梁健源, 侯树洋
    2024, 53(11):  2053-2063.  doi:10.11947/j. AGCS.2024.20240109.
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    在人工智能生成(AIGC)和大语言模型(LLM)的大背景下,如何提升地学分析模型构建的智能化水平已成为业界广泛关注的焦点。为此,本文提出地理信息服务层次网络模型5-HiNet,基于需求描述、抽象模型、功能模块、服务接口、函数实例的5层子网络结构对海量地学分析模型进行建模,由抽象到具体逐层描述地学分析模型的实现过程,固化模型中的知识,形成面向地学分析模型的完备知识体系。5-HiNet模型能够进一步与大语言模型(LLM)进行耦合,实现地学分析模型的智能化生成。本文通过原型系统和应用案例,初步验证了5-HiNet的可行性,并为未来研究和应用提供新的方向和思路。

    场景化电子地图设计概念框架及实践
    亢孟军, 陈舒颖, 翁敏, 苏世亮, 杜清运, 王少一
    2024, 53(11):  2064-2074.  doi:10.11947/j. AGCS.2024.20240083.
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    随着空间数据要素的丰富和场景差异粒度细化,同质化的电子地图严重影响空间数据辅助决策效果。本文提出一种场景化电子地图设计概念框架,明确了应用场景的定义和分类规则,确定了应用主题、客观环境、目标用户和制图内容4大类别,并归纳出差异化场景对电子地图的内在要求。根据上述要求,本文提出了一种场景化电子地图设计方法,通过场景暗示的符号系统搭建、语义驱动的符素组合表达等具体的设计手段,完成电子地图设计。列举3个需求案例,从场景提取、数据组织和电子地图设计整个流程验证本文方法,通过认知试验表明:基于本文方法设计的场景化电子地图在视觉处理、视觉搜索、认知负担方面的有效性,以及认知效果的预期一致性,为场景化电子地图设计提供了理论依据和实践路径。

    图Transformer支持下的河网模式识别
    余华飞, 邱天奇, 周哲, 龚冲亚, 肖天元, 杨敏, 艾廷华
    2024, 53(11):  2075-2085.  doi:10.11947/j. AGCS.2024.20230582.
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    河网模式识别在地形地貌分析、地质矿物探测、河网数据多尺度变换等研究中发挥重要作用。为克服基于形态特征与几何特征的空间统计方法的稳健性不足问题,引进图卷积神经网络是当前的主要手段,然而图卷积方法仅关注河网形态的局部特征,仍未实现从全局视角出发的河网模式识别决策。因此,本文提出了一种图Transformer支持下的河网模式识别方法。该方法在河网几何形态知识支持下利用对偶图思想构建河网图结构,进一步通过GraphSAGE设计局部学习模块及Transformer设计全局学习模块。试验结果表明,相比已有的1st-ChebNet和GraphSAGE方法,本文方法能够结合局部河段组合特征与全局河网形态特征,做出准确的河网模式识别决策,识别精度可达94%。这为实现智能化河网模式识别提供了一种技术途径。

    基于后门水印和感兴趣区加密的遥感目标检测数据集版权保护算法
    陈玮彤, 许鑫, 朱长青, 任娜
    2024, 53(11):  2086-2098.  doi:10.11947/j. AGCS.2024.20240092.
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    遥感目标检测数据集的样本收集、清洗及标注过程通常需投入巨大成本,可被视为高价值的知识产权,而未授权使用或数据泄露会造成数据集拥有者的版权被侵权。为保护数据集版权,本文提出了一种基于后门水印和感兴趣区加密的遥感目标检测数据集版权保护算法。该算法通过将目标生成水印触发器嵌入原始数据集,并利用感兴趣区范围的置乱和添加扰动对数据集进行加密。在水印嵌入阶段,从原始数据集中随机选择任意样本,并将触发器嵌入样本的随机位置。数据集加密阶段分为3步,对标注文件中的感兴趣区范围进行初次加密,在加密的感兴趣区范围内添加扰动,以及基于用户独立密钥对感兴趣区进行二次加密。通过对关键信息感兴趣区进行加密而非全文加密提高算法效率,使用独立密钥降低密钥泄露风险提高安全性。在数据集分发使用阶段,授权用户可以将密文恢复为正确的感兴趣区;未授权用户若直接使用密文数据集则无法训练一个有效的模型。若发生数据泄密,恶意用户使用该数据集在训练模型时,后门水印信息会被植入模型。因此,在版权验证阶段,通过调用该模型的接口进行后门水印的验证,实现版权申明。大量试验证明,本文算法在不影响数据集质量的情况下,有效地保护了数据集版权,水印算法对微调攻击和剪枝攻击均具有较强的稳健性。

    大地测量学与导航
    基于多模多频SNR数据逆建模反演海面高度变化
    陈灵秋, 柴洪洲, 暴景阳, 王敏, 郑乃铨
    2024, 53(11):  2099-2110.  doi:10.11947/j. AGCS.2024.20240249.
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    利用信噪比(SNR)数据进行逆建模可以反演海面高度及其变化,但反演精度、稳定性依赖初值的精度和SNR数据的时间连续性,基于多模多频SNR数据逆建模反演海平面变化的性能及其在潮汐分析中的应用有待进一步研究。本文为LSP(Lomb-Scargle periodogram)反演结果引入海面动态改正,用于逆建模过程参数初始化,获得稳定、均匀的高精度海面高度反演值,并由反演海面高度开展潮汐调和分析。选取MAYG、BRST和SC02这3个大潮差测站,对其1 a的多模多频SNR数据开展逆建模反演试验,与验潮站实测海面高度对比分析进行算法验证。结果表明,MAYG站逆建模反演海面高度的均方根误差(RMSE)为5.97 cm,BRST站为8.78 cm,SC02站为2.38 cm,海平面变化反演精度达到厘米级;与实测海面高度的潮汐调和分析结果对比,年度、逐月拟合残差中误差高度一致,提取的分潮振幅平均绝对误差(MAE)优于1 cm,提取的迟角MAE在3°以内,潮汐分析提取的潮汐成分和非潮汐水位均具有高度一致性。多模多频SNR数据逆建模反演海面高度能够替代验潮站实测海面高度用于潮汐调和分析。

    融合自适应定权和偏差匹配的多源卫星测高数据水位提取算法
    颉旭康, 李伟
    2024, 53(11):  2111-2124.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230360
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    利用卫星测高技术提取湖库水位信息时,融合多种卫星测高数据构建长时序和高精度的水位尤为重要。本文以青海湖为例,选取Envisat、SARAL、Sentinel-3A和Sentinel-3B这4颗测高卫星数据,基于不同数据源结果及其特征构建了20 a时长的数据集,提出了融合自适应定权和偏差匹配的多源卫星测高数据水位提取算法,其中自适应定权能根据不同场景选择适当的改正算法模型,并为多源测高参数确定不同的权重参数,从而统一数据。偏差匹配方法则最大程度将定性数据定量化,使水位提取更准确。同时建立了人工智能框架实现了水位提取的自动化和一体化。试验显示,经过自适应定权的多源测高特征值可以被合理分类且具有强相关性,可为构建长时序水位信息提供整体高精度的基础数据;结合偏差匹配方法,以天为尺度提取的水位和实测水位相关系数R2在0.9以上,若将相关系数R2阈值设为0.8,可单次提取5个月时长的水位。结合单天提取和多天提取提出长期提取方法,构建了12 a的长时序水位,其相关系数R2在0.9以上,平均绝对误差(MAE)值在1.5~2.0 cm之间,均方根误差(RMSE)值在2.0~2.5 cm之间,成功构建了长时序和高精度的水位。鉴于此,该数据处理算法和构建的模型在水位信息提取及预测方面体现出一定的实用价值,其研究成果也印证了人工智能与卫星测高相结合在小尺度水域构建长时序高精度水位的可行性。

    基于PWV到达时间差估计台风运动状态的四参数模型
    何琦敏, 张克非, 李黎, 连达军, 赵伟, 陈国栋, 富尔江, 王瑞
    2024, 53(11):  2125-2137.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230473
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    台风是一种严重影响人类生产和活动的灾害性天气,台风状态的有效监测对保障人类生命安全和减少财产损失具有重要意义。水汽是台风发展的主要原动力,本文提出了一种基于大气可降水量(PWV)到达时间差估计台风运动状态的四参数模型,该模型需要台风路径附近多个站点的PWV时间序列作为输入,台风的初始线速度、初始方向角、线加速度和角速度作为输出,进而可推算路径方向上任意时刻的台风线速度和方向角参数。以2019年中国区域“利奇马”和“白鹿”台风作为研究案例,首先,利用中国区域的全球导航卫星系统地面监测站和探空站反演的PWV产品,对用于估计台风运动状态的欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料得到的PWV产品进行精度评估;然后,分析了台风期间PWV空间分布和时间序列特征,研究了台风和水汽的移动趋势及其关系;最后,以中国气象局和浙江政务服务网提供的台风产品作为参考,对基于PWV到达时间差的四参数模型估计的“利奇马”和“白鹿”台风线速度和方向角进行了评估。评估结果显示,与中国气象局台风产品对比,本文模型估计的台风线速度和方向角平均Bias、RMSE、STD分别为0.25、6.39、6.38 km/h和4.68°、21.59°、20.83°;与浙江政务服务网台风产品对比,本文模型估计的台风线速度平均Bias、RMSE、STD分别为2.23、5.41、4.27 km/h。上述结果表明,基于PWV到达时间差的四参数模型能够反映台风的水汽运移规律,为监测台风活动提供一种补充方法。

    融合多非线性因素的MODIS PWV神经网络差分校正模型
    王梦瑶, 张书毕, 张文渊, 刘洋
    2024, 53(11):  2138-2148.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230233
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    MODIS水汽产品凭借其高空间分辨率的优势成为重要的大气水汽产品,但由于降水、云层、地表反射光谱不确定等因素的影响,其反演精度有限。为有效提高MODIS水汽产品质量,本文通过分析云、地表类型、像元姿态、时间及位置等非线性因素,构建了一个融合多类型非线性因素的MODIS PWV神经网络差分校正模型。首先,分析MODIS PWV与同址高精度GNSS PWV观测值的相关性,并将两者的差值PWV_diff作为神经网络模型的目标值,以MODIS产品的云掩膜置信度、地表覆盖类型、周期项年积日、周期项日积时、传感器天顶角、太阳天顶角、传感器方位角和太阳方位角等19个非线性因素作为模型的输入信息。与传统线性校正模型对比,校正后MODIS PWV的均方根误差(RMSE)由3.271 3 mm降低为2.360 2 mm,精度提高了27.85%。以高时空ERA5 PWV数据为参考值评估模型性能,试验结果表明,本文模型校正后MODIS PWV的均方根误差为2.037 4 mm,较未校正MODIS PWV(RMSE为4.850 3 mm)精度提高了57.99%;进一步地,针对云掩膜产品提供的4种置信度下的MODIS PWV产品分别构建神经网络差分校正模型,结果表明大于99%、大于95%、大于66%和小于66% 4种云置信度的MODIS PWV产品较未校正MODIS PWV的RMSE分别提高了60.03%、61.21%、55.72%和54.57%。说明本文模型针对各种云覆盖下的MODIS PWV产品精度提高均具有较高的普适性,有望为气候变化和降雨预报研究提供高精度水汽信息。

    一种顾及地理纬度空间互补的多域组合GRACE去条带滤波方法
    吴晓辉, 吴云龙, 徐国栋, 易爽, 刘素兰, 张豹, 钟玉龙, 王力哲
    2024, 53(11):  2149-2165.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20240072
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    制约时变卫星重力场模型应用效能的一个重要问题是球谐系数中的噪声影响,主要表现为在地球表层质量场信号恢复中受到南北方向的条带和随机噪声。为了有效抑制南北方向条带噪声,本文提出了一种多域组合GRACE去条带滤波器。该滤波器综合S&W去相关滤波器和SSAS滤波器的优势,采用最小二乘法和多通道奇异谱分析,兼顾频谱域和空间域的信号特征。研究结果表明,相比于传统滤波器,本文提出的组合滤波器能够适应不同纬度的滤波需求,有效消除中高纬度和低纬度的南北方向噪声影响,保留更多地球物理信号,提高观测小尺度信号的可能性。

    附加恒星视运动修正的白昼星图星点提取方法
    勾万祥, 李崇辉, 佟帅, 郑勇, 杨原, 陈智兴, 詹银虎
    2024, 53(11):  2166-2177.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230521
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    白昼星图具有高背景噪声、低信噪比等特征,传统方法很难高效提取星点,且由于星点为弱小目标,对噪声极为敏感,成像随机不规则,单帧提取星点质心稳健性较差。为此,本文提出一种附加恒星视运动修正的星点提取方法,该方法首先根据测站、星历、观测时间预测恒星概略位置,通过相机参数转换模型得出星点在像平面坐标系中的概略位置;然后,利用各帧星图拍摄时刻精确计算出星点相对运动量,将各帧星图星点预测区域进行配准叠加;最后,在星点预测位置区域对星点进行精确提取。试验表明:该方法星点提取成功率可达100%,较传统算法提升163%以上,且算法执行效率高,耗时缩短至传统方法的23%;除此之外,多帧叠加增强了星图信噪比,克服了星点成像随机误差,星点质心提取精度较单帧星图提取方法提升72%以上。

    通用非线性高斯-赫尔默特模型参数估计的同伦方法
    胡川, 史宗浩, 任大钦
    2024, 53(11):  2178-2188.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20240027
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    通用非线性高斯-赫尔默特模型是顾及因变量或全体变量误差的显式和隐式非线性函数平差模型的统一表达。针对在迭代初值与真值相差较大时,高斯-牛顿迭代解算法存在不收敛的问题,本文提出融合同伦方法与非线性最小二乘的通用非线性高斯-赫尔默特模型参数估计法。从引入同伦参数的非线性最小二乘平差准则出发,推导了求解通用模型参数的微分方程组和追踪同伦曲线的固定步长预测公式与牛顿校正公式,给出了隐式函数模型残差向量的近似计算公式。为避免计算立体矩阵,将克罗内克积和矩阵拉直运算引入推导过程,降低了计算微分方程组的复杂度。通过仅顾及自变量误差的距离定位、顾及卫星坐标误差和测距误差的伪距定位、顾及全体平面坐标误差的圆曲线拟合,以及顾及已知坐标误差的测边网平差4个试验,对本文方法的可行性进行了验证。试验结果表明:在设定的两组初值中,当高斯-牛顿法收敛时,本文方法也收敛;当高斯-牛顿法不收敛时,本文方法仍收敛;本文方法收敛的初值范围更大。

    摄影测量学与遥感
    高砾石地表全极化SAR土壤水分反演方法
    郎丰铠, 何苏颖, 邱奥深, 时洪涛, 郑南山
    2024, 53(11):  2189-2200.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220719
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    我国西部戈壁荒漠地区含有大量砾石,这些区域土壤含水量的精准反演对我国西北地区生态和气象环境监测、植树造林及水利工程建设等均具有重要意义。然而,现有的SAR土壤水分反演模型均假设土壤由细颗粒物组成,并未考虑砾石的影响。对此,本文提出了一种利用全极化SAR遥感数据反演高砾石地表土壤水分的方法。首先,将高砾石地表后向散射建模为地面造成的面散射和砾石造成的体散射两部分;对于面散射,使用高级积分方程模型(AIEM)及Oh模型进行土壤水分反演,对于体散射,则使用致密介质辐射传输模型(DMRT)进行反演;最后,将两部分的反演结果进行加权求和,作为最终的土壤水分反演结果。利用内蒙古自治区乌海市野外土壤水分实测数据及ALOS-2全极化SAR数据对本文方法进行精度评价,并与现有的土壤水分反演方法进行比较,结果表明,本文方法(R2=0.60)比现有方法(R2=0.35)的反演精度有显著的提高。

    基于多层特征信息融合的滑坡图像分割模型
    张银胜, 陈戈, 段修贤, 童俊毅, 单梦姣, 单慧琳
    2024, 53(11):  2201-2212.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230587
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    滑坡对人类生存环境造成严重的危害,人工识别滑坡区域的方式比较耗时且隐蔽区域不易被探测,而利用遥感图像识别滑坡区域,能够准确快速地实现滑坡灾害预警和救援。随着深度学习的快速发展,语义分割已经广泛应用于滑坡遥感图像识别领域。针对当前滑坡图像分割模型容易出现错误识别、图像边缘信息丢失等问题,本文提出了一种多层特征信息融合的滑坡分割模型MLFIF-Net,该模型以MobileNetv3-Small为主干网络,提高模型对滑坡图像的特征提取能力,同时构建级联带状空间金字塔池化模块增强滑坡图像的纹理特征,获取多尺度信息,利用高效通道注意力模块关注图像特征,设计了多层特征信息融合结构增强图像的边缘信息,从而提升模型的分割效果。试验结果表明,本文模型在贵州毕节市滑坡数据集上的准确率为96.77%,类别平均准确率为95.61%,平均交并比达到了87.69%,与SegNet等6种分割模型相比,其分割精度较为优异,能够准确识别目标区域,突出滑坡图像边缘细节。

    顾及拓扑结构的道路标线提取
    刘家兴, 黄玉春, 石文轩, 叶曦, 杨鹤
    2024, 53(11):  2213-2227.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230289
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    道路标线是重要的交通标志信息,车载激光雷达点云为道路标线的提取提供了高精度的三维坐标和反射强度信息。由于扫描距离、目标材质等因素影响,不同目标会表现为相近的强度值,给道路标线的提取带来干扰;道路使用过程中的磨损老化会破坏标线原有的结构,造成标线提取后出现间断不连续问题;此外,道路标线种类多样且实际中出现的概率不同,导致分割网络提取结果中样本较少的类别分类精度较低。为此,本文提出了一种可准确提取各类标线并具有拓扑稳健性的分割+分类两阶段提取方法。首先,使用多层感知机自适应学习强度与其影响因素之间的关系,对路面点云进行强度改正;然后,提出链式空间拓扑网络LST-Net对道路上的所有标线进行语义分割,引入行列卷积、注意力机制捕捉标线结构信息,加入拓扑惩罚对其训练,确定标线的位置;最后,使用YOLOv5对标线进行检测,单独训练分类网络,解决分割中样本不均衡的问题,完成对标线的分类。在不同场景的3份车载点云上进行试验,结果表明本文方法标线提取精度达到94.1%,召回率达到95.6%,具有较强的实用性和有效性。

    博士论文摘要
    卫星导航欺骗式干扰关键技术研究
    高扬骏
    2024, 53(11):  2228-2228.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230370
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    多语义特征协同的多源POI匹配融合方法
    李朋朋
    2024, 53(11):  2229-2229.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230376
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF (852KB) ( )  
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    多频多模GNSS精密单点定位理论研究及软件开发
    臧楠
    2024, 53(11):  2230-2230.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230377
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    城市立体空间导航卫星时空可见性分析
    寇瑞雄
    2024, 53(11):  2231-2231.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230395
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    基于GNSS的高分辨率水汽重建与增强PPP应用研究
    马雄伟
    2024, 53(11):  2232-2232.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230399
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