测绘学报

当期目录

2016年第45卷第4期刊出日期：2016-04-20

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综述

展望大数据时代的地球空间信息学

李德仁

2016, 45(4): 379-384. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20160057

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20世纪90年代,随着全球信息化和互联网的推进,地球空间信息学应运而生,推动了数字地球和数字城市的建设。21世纪以来,随着全球信息化与工业化的高度集成发展,出现了物联网和云计算,人类进入了大数据时代。本文论述大数据时代地球空间信息学的特点(无所不在、多维动态、互联网+网络化、全自动与实时化、从感知到认知、众包与自发地理信息、面向服务)和必须解决的主要关键技术问题(全球空天地一体化的非线性地球参考框架构建技术、星基导航增强技术、天地一体化网络通信技术、多源成像数据在轨处理技术、天基信息智能终端服务技术、天基资源调度与网络安全、基于载荷的多功能卫星平台设计与研制)。本文最后给出大数据时代地球空间信息学的新定义,即地球空间信息学是用各种手段和集成各种方法对地球及地球上的实体目标(physical objects)和人类活动(human activities)进行时空数据采集、信息提取、网络管理、知识发现、空间感知认知和智能位置服务的一门多学科交叉的科学和技术。从这个新定义出发,地球空间信息学将在构建智慧地球和智慧城市的大数据时代面临更多的发展机遇和艰巨的任务,必将为人类社会的进步和可持续发展作出更大的贡献。

大地测量学与导航

2015年尼泊尔地震的震前电离层异常探测

姚宜斌, 翟长治, 孔建, 刘磊

2016, 45(4): 385-395. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150384

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提出了一种基于奇异谱分析的电离层异常探测的方法。通过对尼泊尔地震震中周围GIM格网点TEC时间序列的探测,发现在2015年4月23日震中东部区域出现电离层正异常。进一步利用二维电离层地图分析异常空间分布,发现出现电离层正异常的区域为25°N-37.5°N,90°E-110°E,时间为2015年4月23日UT9:00-15:00。利用中国陆态网数据计算异常区域卫星穿刺点轨迹STEC变化情况,发现2015年4月23日穿刺点轨迹进入异常区域后STEC值比前后几天明显增大,而离开异常区域后又恢复正常。采用CIT(computerized ionosphere tomography)方法详细地呈现了电离层异常的三维形态,发现4月23日UT9:00-15:00在震中东部区域出现电离层正异常,峰值位于约30°N,115°E,高度范围为100~500 km,且异常峰值随高度变化与电离层本身垂直密度分布规律相一致。

基于GRACE卫星数据的高精度全球静态重力场模型

陈秋杰, 沈云中, 张兴福, 陈武, 许厚泽

2016, 45(4): 396-403. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150422

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应用GRACE卫星数据反演高精度静态地球重力场是大地测量学界的热点之一。考虑到经典动力学法线性化误差随弧长拉长而迅速增长,本文以GRACE卫星轨道观测值为初值的线性化方法,建立了应用GRACE卫星轨道和星间距离变率反演地球重力场的改进动力学法理论模型。利用2003年1月至2010年12月的GRACE卫星姿态、轨道、星间距离变率和非保守力加速度等观测数据,解算了一个180阶次的无约束全球静态重力场模型Tongji-Dyn01s和一个采用Kaula规则约束的全球重力场模型Tongji-Dyn01k。与国际不同机构最新发布的纯GRACE数据解算的重力场模型(包括AIUB-GRACE03S、GGM05S、ITSG-Grace2014k和Tongji-GRACE01)进行比较,并利用DTU13海洋重力异常和GPS/水准高程异常进行外部检核,结果表明,Tongji-Dyn01s与国际最新模型精度处于同一水平,然而Tongji-Dyn01k模型总体上更加靠近EIGEN6C2重力场模型。

北斗RNSS-RDSS组合模糊度解算方法

赵姣姣, 曲江华, 袁洪

2016, 45(4): 404-410. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150164

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电离层延迟较大是基线较长情况下的模糊度解算需要解决的关键问题。当基线较长时,由于基准站和流动站的电离层相关性弱使得双差电离层残差较大,易导致模糊度解算所需时间长且成功率不高。本文提出了一种模糊度解算方法,该方法将北斗无线电测定业务(radio determination satellite system,RDSS)的下行S频段信号测量值与无线电导航业务(radio navigation satellite system,RNSS)信号测量值组合来削弱电离层的影响。首先,通过RDSS信号测量值与RNSS信号测量值一起进行频率组合研究,确定了几组电离层延迟系数小且总噪声波长比(total noise level,TNL)较小的组合。然后,利用这些组合形成几何无关和电离层无关模型解算GEO卫星的窄巷模糊度。最后利用已知窄巷模糊度的GEO卫星测量值辅助求解非GEO卫星的窄巷模糊度。利用实测北斗星历对提出的方法进行了仿真验证,结果表明,本文方法可以从整体上提高模糊度解算的速度和成功率。

多元总体最小二乘问题的牛顿解法

王乐洋, 赵英文, 陈晓勇, 臧德彦

2016, 45(4): 411-417. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150246

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为提高多元总体最小二乘问题参数估值的解算效率,推导了基于牛顿法的多元加权总体最小二乘算法;分析比较了基于牛顿法的多元加权总体最小二乘解和基于拉格朗日乘数法多元加权总体最小二乘解之间的关系,根据协因数传播律给出了多元总体最小二乘平差的16种协因数阵的近似计算公式。新算法能够解决观测矩阵和系数矩阵元素具有相关性的问题,并且可以把观测矩阵和系数矩阵的随机元素和常数元素纳入到一个协因数阵中进行处理。算例结果表明,本文提出的多元总体最小二乘问题的牛顿解法可行且收敛速度更快。

摄影测量学与遥感

一种闭合条件约束的全局最优多视点云配准方法

闫利, 谭骏祥, 杨容浩, 李少达

2016, 45(4): 418-424. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150018

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针对已有多视点云配准存在的问题,提出了一种严密的闭合条件约束配准方法。该方法首先采用"点-切平面"迭代最近点算法分别求解各对应点云间的坐标转换参数;再以单站点云为配准单元,并将转换参数视为随机观测值构建条件方程,采用条件平差方法对转换参数作改正以达到全局最优。通过地面三维激光扫描仪实测两组点云数据进行试验,验证了该方法有效且可行。试验结果表明,对采样间隔为毫米级和厘米级的点云,增加扫描重叠度能够提高配准精度和可靠性。

定角圆锥扫描式机载激光测深系统定位模型与精度评价

李凯, 张永生, 童晓冲, 申二华

2016, 45(4): 425-433. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150161

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从定角圆锥扫描式机载激光测深系统激光测距仪内部结构出发,推导了棱镜、大气、海水中激光光线方向矢量方程,结合GPS/INS定位定姿系统,推导出激光脚点在成图坐标系中的定位模型。充分考虑对机载激光测深系统定位精度产生影响的各个因素,通过误差传播定律给出了圆锥扫描式机载激光测深系统的综合精度评价模型。参照国际上应用广泛的相关仪器系统参数、指标,对机载激光测深系统的定位精度进行实际计算,并对定位模型中涉及的主要误差源进行分析和讨论。

HCT变换与联合稀疏模型相结合的遥感影像融合

许宁, 肖新耀, 尤红建, 曹银贵

2016, 45(4): 434-441. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150372

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提出了一种基于HCT变换和联合稀疏模型的遥感影像融合方法,可更有效地利用多光谱所需谱段的光谱信息,最终得到所需谱段的融合影像。该方法将所需谱段的多光谱影像进行HCT变换,获取其亮度分量和角度分量;然后利用亮度分量和全色影像小波变换的低频分量进行联合稀疏模型的构建、系数求解和融合,得到融合的全色低频分量;最后将该低频分量与前面步骤所得其他分量分别进行小波逆变换和HCT逆变换,得到高质量的融合影像。试验利用Pleiades-1和WorldView-2两种卫星数据进行验证,并通过视觉效果和量化的融合评价指标进行对比和分析,验证了本文算法的有效性。

总体最小二乘用于线阵卫星遥感影像光束法平差解算

余岸竹, 姜挺, 郭文月, 秦进春, 江刚武

2016, 45(4): 442-449. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150354

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顾及像点观测方程的系数矩阵中存在随机误差,提出了基于总体最小二乘的线阵卫星遥感影像光束法平差模型。在假定像点观测误差和系数矩阵误差均为独立、等精度分布的基础上,利用拉格朗日条件极值法推导了包含外方位元素虚拟观测方程和控制点误差方程的总体最小二乘光束法平差算法的具体公式和计算方法。该方法利用方差分量估计确定各类虚拟观测值的方差,可求解包含多类虚拟观测量的平差问题,并可用先验信息或岭迹法确定系数矩阵观测值的权比例系数,从而克服了现有总体最小二乘虚拟观测方法不能处理多类虚拟观测值的不足,确保了光束法平差可正确有效求解。分别利用模拟算例与两组真实影像进行了试验验证。结果表明,相比于常规最小二乘虚拟观测法以及现有总体最小二乘虚拟观测方法,本文方法具有更高的求解精度与适应性。相较于传统线阵卫星遥感影像光束法平差方法,本文方法可以获得更高的平差计算精度。

地图学与地理信息

河网线要素与DEM综合的三维Douglas-Peucker算法

窦世卿, 赵学胜, 刘成军, 林亚文, 赵艳芹

2016, 45(4): 450-457. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20140584

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目前三维Douglas-Peucker(3D_DP)算法主要应用于单一类型的DEM综合。本文引入"弯曲调节指数"来改进3D_DP算法,提出了一种三维空间河网要素与DEM综合的新方法,即将河网线矢量提取成三维离散点数据集(增加高程属性),与DEM三维离散点数据集合并,在河网层次化选取基础上,利用改进的3D_DP算法对合并数据集进行综合操作。通过试验结果的对比和分析表明,该方法通过弯曲调节指数的调节使河流自身所具有的弯曲形态与地形的主要特征得以同时保留,试验效果良好,实现了三维空间河网要素与DEM数据在同一简化因子作用下的综合,提升了地图综合的质量。

顾及时空异质性的缺失数据时空插值方法

樊子德, 龚健雅, 刘博, 李佳霖, 邓敏

2016, 45(4): 458-465. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150123

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时空插值方法被广泛应用于缺失时空数据集的插值与估计。时空插值是时空建模与分析的一个重要内容,当前该研究关注的热点之一是异质条件下的时空插值与估计问题。因此,本文从时空数据的异质性出发,提出了一种顾及时空异质性的缺失数据时空插值方法。该方法首先对数据集进行时空分区,然后分别在时间和空间按照异质协方差模型计算缺失数据的估计值,进而利用相关系数确定时空权重、融合时间和空间估计值得到缺失数据的最终估计结果。最后通过两组气象数据集进行交叉验证对比分析试验。试验结果表明本文方法对比其他插值方法具有更高的精度和适用性。

叠置运算支持下的跨比例尺城区居民地数据变化发现与更新

杨敏, 艾廷华, 晏雄锋, 杨伟, 周校东, 周启

2016, 45(4): 466-474. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150302

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以城区居民地为例,提出了一种面向跨比例尺新旧地图数据变化发现与更新方法。首先,从产生效应、发生源头、依附上下文关系、更新策略4个方面剖析大比例尺新数据与小比例尺旧数据间的变化;在此基础上,引入叠置运算与数据增强方法构建变化信息提炼与融合模型,形成"叠置分析与变化发现→增量提取→增量融合更新"的技术框架;最后,通过试验数据验证表明了方法的有效性,以及可扩展性强、适于图层级批处理更新等优点。

多层次空间同位模式自适应挖掘方法

蔡建南, 刘启亮, 徐枫, 邓敏, 何占军, 唐建波

2016, 45(4): 475-485. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150337

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空间同位模式挖掘旨在从空间数据中发现频繁发生在邻近位置的事件集合,对于揭示地理现象间的共生规律具有重要价值。由于地理现象的空间异质特质,空间同位模式也存在区域性分异的特点,在不同空间层次上的分析结果各异。然而,现有方法仅从全局视角挖掘空间同位模式,发现局部空间同位模式依然是一个亟待解决的难题。为此,本文基于由整体到局部的思想,提出了一种多层次空间同位模式自适应挖掘方法。首先,从全局视角提取频繁的空间同位模式,将全局不频繁的空间同位模式作为候选的局部空间同位模式;然后,通过对候选局部同位模式进行自适应聚类自动识别其局部分布区域,并在这些局部区域内度量候选模式的频繁程度;进而,提出了一种叠置推绎的方法,从频繁子模式的局部区域中进一步推绎获得超模式的局部分布区域,最终生成所有频繁的局部空间同位模式集合。通过试验分析与比较发现,本文方法不仅可以发现全局的空间同位模式,还能有效提取具有区域性分布特征的局部空间同位模式,可以从多个空间层次上反映地理事件间的共生规则。

提高线要素匹配率的动态化简方法

陈竞男, 钱海忠, 王骁, 何海威, 胡慧明

2016, 45(4): 486-493. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150074

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矢量线要素匹配是当前空间数据匹配领域的研究焦点之一。本文提出了一种提高已有匹配算法正确率的线要素动态化简方法。首先,对待匹配双方利用开方根规律分别确定各自的化简阈值范围;其次,令化简参数在线要素各自的阈值范围内以一定的步长变化,对每条线要素分别进行化简,每完成一次化简,重新计算待匹配双方的匹配相似度,并与上一次化简后的匹配相似度进行比较,最终得到最高的匹配相似度值;最后,根据获取的最高匹配相似度来判断其是否成功匹配。该算法是一种以动态化简来带动动态匹配的过程。通过化简提取线要素主要形态,降低了局部细节对已有匹配算法的影响,从而提高了匹配正确率。试验验证及对比分析证明了本方法的科学性和普适性。

顾及拓扑一致性的水系三维曲线化简

刘民士, 龙毅, 费立凡

2016, 45(4): 494-501. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150288

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鉴于常规曲线化简方法应用于水系曲线化简时难以顾及水系要素的三维特征及其拓扑关系,本文提出了一种顾及拓扑一致性的水系三维曲线化简方法。该方法首先对D-P算法进行三维扩展,实现水系中单条河流三维曲线化简,然后构建水系树结构表达其拓扑关系,最后按照水系树的层次顺序依次进行河流曲线化简和干流与支流的拓扑关系重构。试验结果表明,该方法化简精度高,既能保持水系的三维形态特征,又能保证河流交汇处的拓扑一致性。

博士论文摘要

并行化矢量多边形叠加算法研究

范俊甫

2016, 45(4): 502-502. doi:10.11947/j.AGCS.2016.20150495

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