当期目录

2022年 第51卷 第1期    刊出日期：2022-01-20

上一期    下一期

综述

论万物互联时代的地球空间信息学

李德仁, 徐小迪, 邵振峰

2022, 51(1):  1-8.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210564

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (6016KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

随着5G/6G、云计算、物联网和人工智能等新技术的发展，人类已经进入了万物互联时代。本文探讨万物互联时代地球空间信息技术的五大特点：定位技术从GNSS和地面测量走向无所不在的定位导航定时（PNT）服务体系；遥感技术从孤立的遥感卫星走向空天地传感网络；地理信息服务从地图数据库为主走向真三维实景和数字孪生；3S集成从移动测量发展到智能机器人服务；学科研究范围从对地观测走向物联监测和对人类活动的感知。笔者基于这些特点进一步剖析新时代面临的挑战，并提出新时代地球空间信息学发展亟待解决的三大科学技术问题：测绘学科如何服务人与机器人的共同需求？遥感影像解译的机理是什么和如何突破实现技术的瓶颈？如何利用时空大数据挖掘人与自然的关系，从空间感知走向空间认知？万物互联时代的地球空间信息学，必须且完全可能为万物互联的数字地球和智慧社会做出更大的贡献！

大地测量学与导航

非完整约束的OD/SINS自适应组合导航方法

刘万科, 农旗, 陶贤露, 朱锋, 胡捷

2022, 51(1):  9-17.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210122

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (8583KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

在地面车载组合导航GNSS/OD/SINS中，全球导航卫星系统（GNSS）信号容易受到环境的干扰甚至发生中断，将非完整性约束（NHC）应用于里程计（OD）/捷联惯性导航系统（SINS）组合，可以有效抑制GNSS信号中断期间组合导航系统的误差发散。通常NHC的噪声设定基于固定的经验值，然而在实际运动过程中，车辆运行轨迹复杂多变，其运动状态不能完全满足NHC前提假设，经验给定的噪声无法准确反映车辆实际运动情况。为此，本文分析了NHC噪声与车辆运动状态的关系，构建了一种基于车辆运动状态的NHC噪声自适应方法。通过所选场景的实测数据验证表明：采用噪声自适应的NHC/OD/SINS组合导航结果相比于固定噪声的NHC/OD/SINS组合，在GNSS信号中断110 s、车辆连续转弯的情况下，最大水平位置误差减小了68.4%；在GNSS信号中断74 s、车辆直线行驶的情况下，最大水平位置误差减小了87.3%；能较好地抑制GNSS中断期间组合导航系统的误差发散。

基于抗差LM的视觉惯性里程计与伪卫星混合高精度室内定位

杨高朝, 王庆, 蔚保国, 刘鹏飞, 李爽

2022, 51(1):  18-30.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200251

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (6373KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

视觉惯性里程计（VIO）和伪卫星已经广泛应用于室内环境定位中，但在实际应用中，二者各自都有明显的缺陷。视觉里程计依赖于实际场景，在景深变化明显和光照不均匀的环境下会产生粗差，而且误差会不可避免地随着时间累积，但是在相邻帧间能保证相对高精度的位姿测量。由于受到室内多径的影响，伪卫星室内定位的精度和可靠性很难保证。为增加室内定位的可靠性和稳定性，基于抗差LM非线性优化理论，本文主要研究利用视觉惯性里程计的相邻帧间高精度位姿测量和伪卫星融合的室内高精度定位技术。该算法不仅可以抵抗粗差，而且可以减弱不同传感器间权重设置不合理带来的影响。最后使用在室内环境下搭建的高精度动态捕捉设备对组合定位方法进行实验验证。试验结果表明，该方法不依赖回环即可消除视觉惯性里程计的累积误差，有效提高室内定位精度及可靠性。利用改进的LM算法融合后场景1和场景2，相对于VIO单独定位精度分别提高了59.0%和77.5%。

顾及双程声径的常梯度声线跟踪水下定位算法

闫凤池, 王振杰, 赵爽, 聂志喜, 孙振, 李伟嘉

2022, 51(1):  31-40.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210234

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (4240KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

高精度水下声学定位通常采用声线跟踪定位算法，但传统的声线跟踪方法一般针对单程声径进行声线弯曲改正，未能顾及船载换能器在声信号往返过程中发生的位移，导致海底应答器定位解算时引入系统性偏差，从而降低海底点定位精度。针对此问题，本文提出一种顾及双程声径的分层常梯度声线跟踪水下定位算法。该方法结合水下声信号实际传播路径，根据换能器在声信号发射和接收时刻的位置，构建双程声径水下定位模型，采用顾及双程声径的分层常梯度声线跟踪算法进行解算。采用圆走航观测与交叉十字观测的海上实测数据对方法进行了验证，结果表明，本文方法能显著提高水下定位精度。

重力异常向上延拓严密改化模型及向下延拓应用

黄谟涛, 邓凯亮, 吴太旗, 欧阳永忠, 陈欣, 刘敏, 王许

2022, 51(1):  41-52.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200547

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (3968KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

重力异常向上延拓全球积分模型在航空重力测量数据质量评估和向下延拓迭代计算等领域具有广泛的应用。为了消除积分核函数奇异性影响，需要对该模型进行基于积分恒等式的移去-恢复转换及全球积分域的分区改化处理。在此过程中，传统改化处理方法往往忽略了全球积分过渡到局域积分引起的积分恒等式偏差影响，从而导致不必要的计算模型误差，最终影响向上延拓计算结果的可靠性，甚至影响向下延拓迭代解算结果的稳定性。针对此问题，本文开展了重力异常向上延拓积分模型改化及向下延拓应用分析研究，依据实测数据保障条件和积分恒等式适用条件要求，导出了重力异常向上延拓积分模型的分步改化公式，提出了补偿传统改化模型缺陷的修正公式，并将最终的严密改化模型应用于重力异常向下延拓迭代解算。使用超高阶地球位模型EGM2008作为标准位场开展数值计算检验，分别对重力异常向上延拓分步改化模型的计算精度及在向下延拓迭代解算中的应用效果进行了检核评估，验证了采用严密改化模型的必要性和有效性。

利用垂直重力梯度异常反演海底地形的解析方法

徐焕, 于锦海, 安邦, 万晓云

2022, 51(1):  53-62.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200578

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (3878KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

目前，基于重力数据反演海底地形方法的主要原理是利用测深数据拟合出海底地形与重力（或重力梯度）数据之间的线性关系，这会导致对不同的海底地形会有不同的线性关系。为了克服这种不确定性的制约，本文基于长方体海山产生的垂直重力梯度的表达式，通过将研究海域进行格网化，建立了垂直重力梯度（vertical gravity gradient，VGG）与海深之间的函数关系，即关于海深的观测方程组，在此基础上，通过模拟计算，验证了观测方程组的解不仅唯一可解，而且具有较好的抗误差干扰性质。由于观测方程组受到研究海域外海山的影响（分为边界效应、远区影响），因此，需要相应的数学方法来处理这些影响。本文将研究海域进行扩充得到扩展区域，然后在扩展海域上研究观测方程组，此时为了避免观测方程组出现奇异性，引入了正则化方法对扩展后的观测方程组进行求解，并从中截取研究海域上的海深。模拟试验表明，使用正则化方法后，边界效应对反演海深的均方根误差为0.48 m。最后，对南中国海真实海底地形进行了反演计算，将反演的海深与研究海域内的289个船测数据点进行对比，反演结果的均方根误差达到109 m。

超导重力数据检测到的2011年日本东北大地震(M_w 9.0)震前重力异常及同震重力变化

董杰, 张泽宇, 文汉江, 孙文科

2022, 51(1):  63-70.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210014

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (4555KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

高精度的超导重力数据已广泛应用于地球动力学的研究，对大地震前重力异常和同震重力变化的探测有助于震源机制和地震预警的研究，同时高精度的同震观测数据可用于断层滑动模型的反演。本文利用日本、中国及欧洲7个超导台站2011年3月的秒采样数据研究日本东北大地震（M_w 9.0）产生的重力变化，经潮汐、气压、漂移等预处理改正后，得到改正后的重力变化。对比同时段日本岛附近发生的2861次M_b≥4级地震，分析滤波后的重力变化数据，排除非主震的影响，发现0.12 Hz≤f≤0.18 Hz频段显示了明显的震前重力异常扰动信息，所有台站在震前89 h均开始出现重力异常扰动，Medicina站的震前最大异常扰动振幅达到28×10^-8 m/s²。另外，利用球形位错理论及地震的CMT解计算得到的地表同震重力变化理论值与超导重力观测值非常接近，同震重力变化绝对值与震中距成反比，近场站点的观测值比远场站点更接近于理论计算值，前者可作为断层反演的约束条件。

航空重力测网交叉点的非遍历逼近方法

屈进红, 姜作喜, 周锡华, 罗锋, 李芳

2022, 51(1):  71-79.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210037

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (1575KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

航空重力测网交叉点上的重力差值是客观评价测线测量质量的重要依据，也是调整测线之间重力场水平差异的重要途径。随着测网大型化和不规则化，测网交叉点精准、快速搜索变得至关重要。现有方法均采用缩小交叉点范围后进行逐一遍历，无法保证快速、准确搜索到所有的交叉点。本文提出的非遍历逼近方法，是通过快速逼近和微调逼近的组合进行迭代式逼近，避开逐一遍历直接快速逼近交叉点。试验表明，该方法搜索不仅适用于测点连续、均匀的常规测网，也适用于不规则、非常规测网，搜索速度较现有方法提升3～4个数量级，也远优于加拿大著名商业地球物理软件Oasis Montaj。

顾及有色噪声的光纤陀螺随机噪声自适应滤波方法

靳凯迪, 柴洪洲, 宿楚涵, 向民志

2022, 51(1):  80-86.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200614

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (2729KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

作为光纤陀螺误差的重要组成部分，随机噪声严重影响着光纤陀螺的精度，对光纤陀螺随机噪声进行准确建模和补偿是提升陀螺精度的有效方式。本文针对光纤陀螺随机噪声的复杂性，难以对其进行精确分析，ARIMA （auto-regressive moving average）模型Kalman滤波中有色噪声不能使用状态扩充法建模的问题，扩展了Harvey方程，实现有色噪声白化。同时，考虑先验噪声的不确定性以及模型参数在线更新导致的参数与状态噪声相互耦合，分析了动态Allan方差估计量测噪声的不足，使用VBAKF （variational Bayesian adaptive Kalman filter）实时修正滤波状态噪声与量测噪声。试验表明，Harvey法较传统滤波建模方式，随机噪声序列方差降低40%，Harvey法结合VBAKF使序列方差降低了54%；VBAKF较动态Allan方差，可以更好地估计量测噪声。结果表明，此方法可有效抑制随机噪声Kalman滤波中有色噪声和随机模型不准确的影响，提高随机误差补偿精度。

空间碎片激光测距微弱信号实时识别方法

马天明, 赵春梅, 何正斌, 张浩越

2022, 51(1):  87-94.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200527

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (1703KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

针对传统二次滤波算法在空间碎片激光测距微弱信号实时识别中表现出误检率高的问题，基于空间碎片激光测距回波信号时间相关性的特点，本文提出采用一次滤波和线性拟合相结合的方法，顾及微弱信号实时识别的搜索代价与识别精度，实现了空间碎片激光测距微弱信号的实时识别。利用空间碎片激光测距实测数据进行了算法验证，结果表明：本文提出的激光测距微弱信号实时识别算法能够快速准确提取空间碎片的微弱信号，误检率由原来的5.72%降低到0.12%，漏检率由原来的0.77%降低到0.34%，对提高空间碎片的探测成功率具有重要意义。

地图学与地理信息

多尺度地图空间居民地语义相似度计算方法

高晓蓉, 闫浩文, 禄小敏

2022, 51(1):  95-103.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210074

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (4269KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

地图综合的本质是一种空间相似变换，制图者在相似原则的指导下实施概括，读图者从包含相似性的地图中形成心象地图、重构现实世界。因此，多尺度地图空间中的相似关系研究非常重要。然而，由于相似的可计算性差，且其计算的目的在于揭示更深层次的信息，地图综合中相似关系尤其是语义相似关系的研究相对较少。针对这一问题，本文以语义功能区约束下的大比例尺街区式居民地合并（1∶1750至1∶4000）为例，基于匹配距离模型计算建筑物合并中的语义相似度，得到语义相似度在关键比例尺节点的值，并对结果进行分析、评价。试验表明，语义功能区约束下的建筑物合并符合读图者的地图认知需求，本文所述方法有助于地图更好地发挥信息传输载体的作用。

三维Hilbert曲线层级演进模型与编码计算

吴宇豪, 曹雪峰, 余岸竹, 孙万忠

2022, 51(1):  104-114.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200241

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (2191KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

格网单元的编码计算是全球离散网格系统的核心，支撑着网格快速索引及应用分析的高效计算。Hilbert曲线具有聚簇性高、连续性强的特点，是研究设计全球离散网格编码的重要工具。利用Hilbert曲线进行格元编码实现了坐标等效降维表达，但是对Hilbert曲线不同层级之间的变换关系、一维Hilbert码如何刻画格元多维空间结构与关系等网格编码基础理论问题的研究尚不完备。本文以八叉树立体网格中三维Hilbert曲线层级演进关系为突破口，使用状态矩阵与演进矩阵构建层级演进模型，进而分别设计笛卡儿坐标至Hilbert码计算以及邻近格元Hilbert码计算方法。与现有算法对比，本文算法以层级演进模型为理论基础，避免了烦琐迭代步骤以及转换步骤，算法流程简明直接。试验结果表明，本文笛卡儿坐标至Hilbert码计算效率较迭代算法提高为7%~23%，邻近格元Hilbert码计算效率较转换算法提高4.0~4.5倍。

影像处理与重建

分区优化混合SfM方法

许彪, 董友强, 张力, 孙钰珊, 刘玉轩, 查冰, 韩晓霞

2022, 51(1):  115-126.  doi:10.11947/j.AGCS.2021.20210105

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (11754KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

针对大规模无序影像稀疏三维重建问题，本文提出一种稳健、高效且易于并行的分区优化的混合式SfM方法。首先，利用SIFT算法进行影像匹配，无须GPS/INS等其他辅助信息，仅利用影像间的匹配结果计算得到的影像关联度完成影像分区。然后，提出一种改进的增量式SfM方法实现每个分区内快速重建，以及提出多项标准自动剔除不可靠分区并将这些分区内影像重新划分至其他分区，实现分区的动态调整。最后，提出一种稳健高精度的分区融合算法，实现相机参数、影像姿态和场景三维信息的准确融合。多组不同规模、不同影像类型以及不同场景的典型数据试验结果表明本文方法对不同数据集具有很好的稳健性，在保持高精度的同时能大大提高重建效率，尤其适用于大规模影像数据集。

附加傅里叶补偿项的卫星遥感影像RFM平差方法

余俊鹏, 吴伟东, 孙佳明, 满益云, 沈刚

2022, 51(1):  127-134.  doi:10.11947/j.AGCS.2021.20200429

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (3390KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

卫星光学遥感影像的几何畸变是制约其定位精度的重要原因。采用一般系统误差补偿模型难以从根本上消除影像复杂畸变。本文在有理函数模型RFM平差方案基础上，根据傅里叶级数的逼近特性，提出用二元傅里叶多项式代替一般多项式作为系统误差补偿项，以适用符合连续条件的任意形式畸变。仿真和实际数据平差试验结果表明，本文方法能够有效补偿由于影像内外方位元素误差造成的像方定位系统误差及不同大小的畸变。在控制点充足的条件下，附加3阶傅里叶补偿项的RFM平差定位精度显著优于附加一般多项式补偿项的常规方法，其中SPOT-5异轨立体像对平差后平面和高程定位精度可分别达到3.34 m和2.48 m，QuickBird同轨立体像对平差后平面和高程定位精度分别达到0.77 m和0.54 m，均达到了子像素精度水平。二元傅里叶多项式可作为一种通用的影像系统误差补偿模型，拓展应用于航空和近景影像的畸变校正。

高分辨率遥感影像建筑物提取多路径RSU网络法

张玉鑫, 颜青松, 邓非

2022, 51(1):  135-144.  doi:10.11947/j.AGCS.2021.20200508

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (3371KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

针对卷积神经网络在提取建筑物的过程中，存在建筑物边界不准确和建筑物内部空洞等问题，提出以RSU模块（residual U-block）为核心的MPRSU-Net （multi-path residual U-block network）。该模块利用编码器-解码器结构和残差连接，实现了局部特征和多尺度特征的融合。由于一个RSU模块提取的信息有限，MPRSU-Net进一步通过多路径结构并行了不同尺度的RSU模块，并在这些模块之间进行信息交换，提高了特征聚集效率。在分辨率为0.3 m的WHU和Inria建筑物数据集上进行试验，精度分别达95.65%和88.63%，IoU分别达91.17%和79.31%，验证了本文方法的有效性。此外，本文方法相较于U²Net，计算量明显降低，模型参数量减少68.63%，表明本文方法具有一定的应用价值。

斑点抑制与多分辨率拓扑分析相结合的SAR图像河流水体提取

杨蕴, 李玉, 赵泉华

2022, 51(1):  145-158.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20190395

摘要 ( )   HTML ( )   PDF (16924KB) ( )  

参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

针对由于斑点噪声和建筑遮挡造成的高分SAR图像河流水体提取的不连续问题，本文提出一种结合自适应斑点抑制和多分辨率拓扑分析的河流水体提取方法。首先，在斑点抑制各向异性扩散中引入Beta度量以实现SAR图像的自适应滤波；其次，利用局部阈值分割和连通域标识对去噪图像中的河流水体段进行快速提取；然后，以河流水体段的最小外接凸多边形为对象构建高斯金字塔，并由此进行多分辨率拓扑分析来获得河流间断点信息；最后，由区域生长策略逐层地对间断点进行判别，实现相邻河流水体段的自动连接。采用TerraSAR-X和GF-3高分SAR图像验证提出的方法。结果表明，该方法可有效地提取完整河流水体。对多幅SAR图像提取结果的定性和定量评价验证了提出方法的有效性与稳健性。