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2013年 第42卷 第5期    刊出日期：2013-10-20

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学术论文

顾及误差频谱特性的CHZ重力仪航空应用研究

梁星辉 柳林涛 吴鹏飞 何建刚

2013, 42(5):  633-639. 

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给出了航空重力测量误差频域分析的方法，利用功率谱密度从频域分析了航空标量重力测量系统恢复重力场的能力及影响因素。介绍了CHZ重力仪的主要特点，并利用实测空中重力异常数据及机载GPS动态加速度数据，结合航空重力测量的频谱范围，分析了CHZ重力仪在不同阻尼系数下的动态性能。计算结果表明，采用合适的阻尼系数，CHZ重力仪能够被用于固定翼飞机的航空重力测量。

CRUST 2.0模型在均衡位模型构建中的应用研究

王凯 刘晓刚 李鹃 毛莉

2013, 42(5):  640-647. 

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基于均衡理论构制地球重力场模型中一个关键问题是扰动质量的确定，不同的地壳密度分布将得到不同的扰动质量。本文立足于面凝聚模型和Airy模型两种均衡补偿机制，研究了CRUST 2.0全球地壳模型在构制高分辨率地球重力场模型中的应用，推导了顾及地球物理信息的两种均衡重力场模型构建公式，分别讨论了CRUST 2.0模型和补偿深度在两种补偿机制中构建重力场模型的贡献。数值分析表明，地壳模型中Moho面深度的算术平均值22.97 km不是最佳补偿深度，而40 km相对最优，补偿深度的对模型超高阶部分影响较小；CRUST 2.0模型能够在361-1080频段内较好地改善原模型；相同补偿深度的面凝聚模型和Airy模型在不同频段的优劣性不一致。

基于等价条件闭合差的VCE通用解析法

刘志平

2013, 42(5):  648-653. 

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分析指出了现有方差-协方差分量估计(VCE)方法在计算效率与?2统计量统计性质两方面的固有缺陷。利用零空间算子消去概括平差模型中的参数向量，建立了等价条件平差模型。由此定义了等价条件闭合差(ECC)，并导出了以ECC表示的?2统计量计算式。进而，基于等价条件闭合差与新构造的可逆方差分量模型提出了方差-协方差分量估计的通用解析法，简称为VCE-ECC法。同时，给出了对应四种基本平差模型的VCE-ECC法简化计算式。实例与仿真结果表明：VCE-ECC法与现有VCE方法的方差-协方差分量估计值在统计意义上无明显差异，并有效地克服了现有VCE方法的固有缺陷。

地基GPS网层析水汽三维分布数值积分新方法

叶世榕 江鹏 刘炎炎

2013, 42(5):  654-660. 

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针对传统层析方法的缺点，本文结合数值积分参数化方法，设计并实现了一种顾及地球曲率的水平与垂直方向分开插值的地基GPS网层析湿折射率三维分布方法，明显简化了垂直插值的运算，减少了层析实际观测方程中零系数参数的比例。利用美国Dallas地区CORS网实测GPS数据与气象数据，结合位于该区域的FWD探空站探空数据提供的湿折射率垂直轮廓线，验证分析了该方法用于实测数据的可行性及其精度。结果表明：相对于传统层析方法，新方法能够明显提高层析湿折射率垂直轮廓线的精度，与探空结果相比，新方法的RMS、误差分布均优于传统方法，而且垂直内插方法的精度也略高于复杂的三次样条垂直内插方法。

多核环境下的GNSS数据并行处理研究

崔阳 吕志平

2013, 42(5):  661-667. 

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多核处理器已成为当前通用计算机体系架构的主流，相应的多核并行计算技术及其应用引起了越来越多的重视，而传统的GNSS数据处理程序都是针对单处理器体系架构编写的。本文对当前多核环境下多时段或者多测站的GNSS数据处理所涉及的计算密集型任务并行算法进行研究，分析了GNSS数据处理涉及的热点计算任务，提出基于分块理论的矩阵乘法运算、矩阵分解运算等数值计算并行方法，对比了单核和多核环境下的计算时间。通过多个算例验证多核并行设计方法的有效性，利用.NET4.0框架下的Parallel Extensions实现相关并行设计。实验结果表明，GNSS数据处理的多核并行计算能充分发挥多核体系带来的性能优势，极大提高资源利用效率和GNSS数据处理效率。

基于CPU和GPU协同处理的光学卫星遥感影像正射校正方法

方留杨 王密 李德仁

2013, 42(5):  668-675. 

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本文系统地探讨了基于CPU和GPU协同处理的光学卫星遥感影像正射校正方法。首先使用“层次性分块”策略设计了基于CPU和GPU协同处理的正射校正方法，然后通过配置选择优化和存储层次性访问等手段进一步提高了方法执行效率。在Tesla M2050 GPU上对资源三号卫星下视全色影像进行正射校正的实验结果表明，本文方法大幅提高了光学卫星遥感影像正射校正效率，与传统串行正射校正算法相比，加速比最高达到110倍以上，相应的处理时间压缩至5s以内，可满足对大数据量光学卫星遥感影像进行快速正射校正的要求。

基于卫星测高后向散射系数的极区海冰分布特性研究

杨磊 常晓涛 郭金运 柯宝贵 黄昆学 刘晓辉

2013, 42(5):  676-681. 

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海冰对气候变化非常敏感，了解极地海冰分布范围和表面属性不仅对于极地环境非常重要，对全球温度趋势估计和建立全球气候模型非常关键。ENVISAT卫星可覆盖至南北纬81.4°，其携带的RA2雷达高度计为极地海冰研究提供了周期性的主动微波海冰探测途径。本文用ENVISAT雷达高度计探测的Ku波段后向散射系数对2011年南极和北极各月份的海冰覆盖特征（范围和海冰表面属性）进行了详细研究，利用海水和海冰的不同散射特征，设置后向散射系数阈值为13db可成功分离海冰和海水。除夏季外，雷达高度计和美国冰雪数据中心基于辐射计获取的极区海冰覆盖边界高度符合。因北极中央区域（81.4°N以北）没有轨迹覆盖，本文只估计了南极海冰的覆盖面积，夏季海冰的覆盖范围面积比辐射计探测结果偏大，这和雷达高度计对离散薄冰较强的观测能力关，在海冰密集分布的其他季节结果则有很好的符合，其中冬季面积平均差异为0.17 Mkm2。分析了南极和北极海冰的分布特征差异，和南极相比北极冬季海冰表面较粗糙干燥，而夏季海冰表面湿度较大。本文研究结果表明ENVISAT雷达高度计可准确的探测包括海冰覆盖和海冰表面属性变化在内的海冰季节性演变过程，可在海冰监测、极地科考等领域中发挥重要作用。

基于二维 Log Butterworth滤波器的全方向边缘检测的频域实现方法

王珂 肖鹏峰 冯学智 吴桂平 李晖

2013, 42(5):  682-690. 

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由于人类识别图像特征涉及非线性的识别机制，本文提出了基于改进二维Log Butterworth滤波器的全方向边缘检测方法，该方法从频域角度出发，利用正反快速傅里叶变换来实现边缘检测工作。首先，将非线性Log函数引入Butterworth滤波器，获得二维Log Butterworth滤波器。当图像行列数不一致时，中心频率分布于椭圆之上，椭圆的长短轴之比与图像长宽比相等，进而给出以角度为变量滤波器表达式；其次，为方便滤波器参数的优化选取，本文对二维 Log Butterworth滤波器参数进行归一化等处理；再次，本文利用F-measure和PSNR (峰值信噪比)值来衡量不同参数下的边缘检测结果，确定最优的二维 Log Butterworth滤波器参数范围；然后，为了分析本文方法的边缘检测效率，对比了本文方法与空域算子（Canny算子）的乘法次数和加法次数，同时以不同大小的图像作为实验数据来比较两种方法的边缘检测耗时；最后，以BSDS（伯克利图像分割数据库）图像和高空间分辨率遥感图像为实验数据，对本文方法的边缘检测结果进行了评价分析。结果表明：本文方法可以有效地应用于图像边缘检测。

多匹配基元集成的多视影像密集匹配方法

王竞雪 朱庆 王伟玺

2013, 42(5):  691-698. 

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针对多视影像密集匹配中的遮挡问题，本文提出一种像方特征点和物方平面元集成的多视影像密集匹配方法。该方法利用规则格网划分的空间平面作为基础，对两种不同形式的匹配基元进行集成。首先通过多视影像上特征点投影范围和平面元位置相互制约，实现特征点和平面元的同时匹配，为后续匹配提供初始可靠的DSM；然后在此基础上，结合铅垂线轨迹法和基于高度遮挡检测方法对平面上规则分布的平面元进行匹配，加密初始匹配结果。最后通过对某地区四张UCX数字航空影像的匹配试验，验证了本文方法的有效性。

基于建筑轮廓的车载和航空LiDAR数据配准

童礼华 程亮 李满春 陈焱明

2013, 42(5):  699-706. 

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点云配准是集成车载和航空LiDAR数据进行三维建筑模型构建的重要环节。本文以建筑轮廓为配准基元，提出了一套完整的车载和航空LiDAR数据配准流程，包括点云数据中建筑轮廓的提取、基于建筑轮廓的点云配准两个步骤。文中首先提出了一种极大值累积量的方法，以实现车载LiDAR点云中建筑轮廓的提取；在利用建筑轮廓进行初始配准的基础上，提出了一种配准关系修正的方法以精确配准点云。实验证明，极大值累积量方法能够有效地从车载LiDAR点云中提取建筑轮廓，本文的配准方法能够实现车载和航空LiDAR数据的高精度配准。

基于EMD-自适应滤波的干涉图去噪方法研究

黄长军 郭际明

2013, 42(5):  707-714. 

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提出了一种基于EMD-自适应滤波干涉图去噪方法，该方法基于信号和噪声经过经验模态分解后在不同的IMF上有不同的特征，即先对信号进行经验模态分解，然后对各个高频IMF信号分别选用不同的滤波梯度参数进行自适应滤波处理，从初始干涉图上减去与斑点噪声所对应尺度信息，从而达到噪声抑制的目的。通过实验对比研究了该算法与Goldstein滤波、圆周期中值滤波、EMD分解方法和梯度-自适应滤波去噪的降噪效果。实验表明，该方法不仅能有效地去除InSAR干涉图的噪声，并且能很好地保持相位的细节信息和条纹的边缘信息。

顾及空间上下文关系的JointBoost点云分类及特征降维

郭波 黄先锋 张帆 王晏民

2013, 42(5):  715-821. 

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随着激光雷达技术的发展及广泛应用，点云数据的分类及理解成为了目前一个研究热点。本文研究了较复杂的电力线路走廊场景的点云自动分类方法，目标类别为地面、植被、建筑物、电力塔、电力线等。本文首先归纳、定义了点云分类所需的关键特征，并利用JointBoost实现地物分类；同时，考虑到点云数据量大，其分类速度较慢，本文结合地物空间上的相互关联关系，提出了一种序列化的点云分类及特征降维方法。该方法在保证分类精度的前提下，使分类所需特征维数降低，缩短了分类所需时间。实际的电力线路走廊的激光扫描点云数据分类实验证明本文研究的分类方法的有效性。

多目标微观邻域粒子群算法及其在土壤空间优化抽样中的应用

刘殿锋 刘耀林

2013, 42(5):  722-728. 

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提出一种基于多目标微观邻域粒子群的土壤空间优化抽样方法。方法面向土壤空间调查的多目标特征，构建了基于最小克里金方差（MKV）和极大熵准则（ME）的粒子群多目标适应度函数，设计了最小样本量限制、样点可达性、采样成本限制和最小空间关联性四类粒子微观邻域操作策略，能高效协调土壤空间抽样精度、代表性、成本、样本量与样点布局等多目标冲突。实验结果表明，相比单目标粒子群算法和模拟退火算法，该方法的目标冲突协同能力强、收敛效率高，所设计抽样方案最优，为土壤质量精确调查与高效监测提供了技术支持。

一种基于核回归的SAR图像自适应相干斑抑制方法

李新娜 王正明 谢美华

2013, 42(5):  729-737. 

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为了在抑制相干斑噪声的同时更好地保持SAR图像中的点目标和边缘目标，在经典核回归方法的基础上，本文提出了基于核回归的SAR图像自适应相干斑抑制方法。通过分析SAR图像的幅度分布特性，在构建模型时，以图像的幅度值为判别条件，使核函数在幅值较小的背景区域具有较大的光滑作用以抑制噪声，而在幅值较大的目标区域光滑作用较小以保护目标特征；同时考虑对边缘的保护作用，基于散布矩阵修正了自适应核回归方法，建立了基于核回归的SAR图像自适应相干斑抑制方法。试验结果表明，该算法通过将幅度值和散布矩阵引入核函数，更好地抑制了噪声，同时也保持了图像中的点目标和边缘。

资源三号测绘卫星影像产品精度分析与验证

潘红播 张过 唐新明 王霞 周平 许妙忠 李德仁

2013, 42(5):  738-744. 

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资源三号测绘卫星提供了多种影像产品以满足不同用户的需求。本文首先介绍了资源三号测绘卫星多级影像产品及其制作方法，其中传感器校正产品、系统几何纠正产品、精纠正产品均带RFM(Rational Function Model)，可进一步平差生产4D产品。利用登封和安平地区资源三号测绘卫星数据验证多级影像产品的定位精度和利用其制作的DSM(Digital Surface Model)和GTC（Geocoded Terrain Corrected）的精度，系统几何纠正产品与传感其校正产品精度相同，精纠正产品无控定位精度较高，而系统几何纠正产品与精纠正产品的平差精度与传感器校正产品的精度相同。利用资源三号测绘卫星数据制作的登封地区DSM和GTC的平面中误差为2.5米，高程中误差2.5米，安平地区平面中误差1.6米，高程中误差1.5米，高程精度满足1：50 000 DSM一级精度要求，平面精度满足1：50 000 DOM的精度要求。

一种基于蜂群智能算法的遥感影像分类方法

曹敏 史照良 阳建忠

2013, 42(5):  745-751. 

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结合仿生智能计算方法，提出了一种基于人工蜂群算法的智能式遥感分类方法。采用模仿蜜蜂采蜜行为的群智能优化算法，自动搜索遥感影像各波段的最优分割点，定义各波段最优分割点和地物类别节点的连线为蜂群搜索路径，构造以If-Then形式表达的遥感分类规则。该智能式遥感分类方法不需使用数学公式，能更清晰地表达地物分类中的复杂关系。将该方法应用于长江口北岸ALOS影像分类中，取得了较好的分类结果，并与See5.0决策树方法进行了对比分析。研究表明，蜂群智能遥感分类的总体精度和Kappa系数均比See5.0决策树方法更高，该智能遥感分类方法具有更好的分类效果。

利用Munsell-HCV模型进行顾及土地利用专题信息的多色等高线配色研究

黄丽娜 郑斌 何亮

2013, 42(5):  752-759. 

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为改善专题图色彩协调的配色效果，本文基于Munsell-HCV色彩调和理论提出一种与土地利用图斑色彩调和的多色等高线配色方法。将等高线调和配色问题分解为类属调和、秩序调和和色差调和三个子问题。首先根据专题图用色习惯设置等高线基本色调并建立等高线调和色域，然后采用Munsell调和秩序算法计算调和色区间中与各图斑普染色协调的颜色作为候选等高线调和色，在此基础上结合图斑和等高线分布的区域差异分析建立等高线配色优先级，并根据人眼对色彩差别的感受规律进行多色等高线的配色平衡。实验对比和问卷调查研究表明，采用多色等高线的调和配色方法在土地利用专题图制作中是可行的，并取得了丰富细腻的图面视觉效果。

基于水流扩展思想的网络空间Voronoi图生成

艾廷华 禹文豪

2013, 42(5):  760-766. 

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Voronoi图是地理空间设施分布特征提取的重要几何模型，基于不同的空间距离概念可建立不同的Voronoi图。本研究顾及城市网络空间中设施点的服务功能及相互联系发生于网络路径距离而非传统的欧式距离的事实，针对网络空间Voronoi图模型，建立一种网络空间Voronoi图生成的栅格扩展算法。首先对图结构的边目标剖分为细小的线性单元，称作网络空间的栅格化，引入水流扩展思想，将事件点发生源视为“水源”，以栅格单元长度为扩展步长，让水流方向沿着网络上的可通行路径同时向外蔓延，直至与其他水流相遇或者到达边的尽头。该算法可方便地加入网络图结构中的多种约束，如街道边的单向行驶、结点的限制性连接等实际空间限制条件。通过大规模实际数据的“数字城市”POI点服务范围的试验表明该算法的效率高。

基于层次信息量的线要素化简算法性能评价研究

邓敏 樊子德 刘慧敏

2013, 42(5):  767-773. 

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化简算法是地图综合的一类基本算法，而算法性能评价是解决算法优化和算法选取的一个重要问题。现有评价指标更多地考虑要素化简前后的位置偏移，难以客观地评价算法性能。为此，本文以线要素为例，全面考虑线要素化简原则，从信息传递的角度，提出一种基于层次信息量的线要素化简算法性能评价方法。首先将线要素的信息划分为三个层次来描述，即：元素层次、邻域层次和整体层次，并发展相应的信息量计算方法。然后，从化简后各层次信息量的保持能力（或信息传递能力）来评价线要素化简算法的性能。其中，元素层次信息传递比评价关键点保持性能；邻域层次信息传递比评价弯曲保持性能；整体层次信息传递比评价整体形态保持性能。最后，以河网为例，采用层次信息量指标，对四种经典化简算法进行评价，分析验证了层次信息量评价指标的合理性，与经典评价指标的对比分析进一步验证了该指标的优越性。

地图水系综合中等高线簇与河网协同的汇水区域提取方法

舒方国 龙毅 周侗 曹阳

2013, 42(5):  774-781. 

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在地图水系自动综合中河流选取需要建立对不同河流重要性程度的有效判别。由于河流汇水区域直接反映河流的作用空间，因而其面积大小成为关键性的量化指标。目前基于河流的汇水区域自动提取方法主要从河流单一要素出发，按“空间均衡竞争”思想平分河流之间的区域，由于未考虑地形因素使得提取的汇水区域往往存在偏差，而传统基于DEM的汇水区域提取虽然考虑了地形，但没有与河流目标建立显性的对应关系。河流是一种天然的沟谷地性线，与山脊线具有对生互补的空间耦合关系，本文提出了一种等高线簇与河网双要素协同的河流汇水区域提取方法，该方法对河流与等高线的目标集合构建约束Delaunay三角网(CD-TIN)并将三角形分类，对不同类型的三角形分别采用骨架线提取规则与梯度向量引导的分水线搜索规则提取分水线段，连接形成网络结构并依此计算各河段的汇水区域。实验结果表明，本算法能更准确地提取河流汇水区域，从而为河流综合选取提供有效支持。

基于本体属性的基础地理信息概念语义相似性计算模型

谭永滨 李霖

2013, 42(5):  782-789. 

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语义相似性对于知识自动共享与集成起着非常重要的作用。在许多地理信息的应用领域，通常直接将分类体系作为领域(或任务)本体，并基于此计算概念间的语义距离以实现相似度计算。该方法虽然能够快速、简便地计算概念间的语义相似度，但是有时却因为分类体系的改变而造成相同概念间的相似度产生差异，甚至可能是错误的计算结果。本文面向基础地理信息领域，利用属性枚举方法表达概念的本质语义特征，从基础地理信息概念的内涵出发，提出基于本体属性的语义相似性计算模型。该模型将每个概念表达为本体属性集合，利用相关本体属性的相似性，结合权重信息计算概念的相似性。最后从基础地理信息概念中提取出100组样本，计算概念间的语义相似度并验证基于本体属性模型的有效性。实验结果表明基于本体属性的模型能更合理地计算出基础地理信息概念的相似度。