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2022年 第51卷 第4期    刊出日期：2022-04-20

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序

序

张祖勋

2022, 51(4):  0-0. 

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同济大学测绘学科创建90周年

智能遥感深度学习框架与模型设计

龚健雅, 张觅, 胡翔云, 张展, 李彦胜, 姜良存

2022, 51(4):  475-487.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220027

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近年来,随着遥感技术的快速发展,遥感对地观测数据获取量与日俱增。在对海量遥感数据的特征提取与表征上,基于深度学习的智能遥感影像解译技术展现出了显著优势。然而,遥感影像智能处理框架和信息服务能力还相对滞后,开源的深度学习框架与模型尚不能满足遥感智能处理的需求。在分析现有深度学习框架和模型的基础上,针对遥感影像幅面大、尺度变化大、数据通道多等问题,本文设计了嵌入遥感特性的专用深度学习框架,并重点讨论了其构建方法,以及地物分类任务的初步试验结果等。本文提出的智能遥感解译框架架构将为构建具备多维时空谱遥感特性的深度学习框架与模型提供有力支撑。

从地球测绘到地外天体测绘

童小华, 刘世杰, 谢欢, 许雄, 叶真, 冯永玖, 王超, 柳思聪, 金雁敏, 陈鹏, 洪中华, 栾奎峰

2022, 51(4):  488-500.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220117

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随着人类空间探测技术的不断发展,月球与深空探测已成为测绘遥感科学与技术的前沿和新战场。在多类型深空探测任务的驱动下,测绘遥感技术也得到了新的发展。本文结合国内外深空探测的各类任务,对地外天体环绕遥感测图、着陆导航遥感避障、巡视环境感知与视觉导航定位方面的研究现状和成果进行了系统总结;结合未来月球与深空探测任务需求,对深空遥感测绘技术的发展,包括地外天体海量全球遥感数据智能处理、全球控制网精化、月球南极精细三维形貌测绘、多传感器融合的着陆导航避障和巡视环境感知与定位等进行了探讨。

基于无几何电离层滤波模型的北斗三号系统相位周跳与中断修复方法

李博峰, 秦园阳, 陈广鄂

2022, 51(4):  501-510.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220036

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高精度位置服务依赖模糊度正确固定的载波相位观测值,而复杂环境的相位周跳和中断给模糊度固定和数据处理带来了巨大挑战。北斗三号系统向全球播发四频和五频信号,为提升周跳处理性能提供了机遇。本文建立了探测多频超宽巷周跳的伪距-相位无几何组合模型,以及探测窄巷周跳的相位-相位无几何组合模型,并以周跳探测成功概率最大为准则确定了多频最优超宽巷和窄巷组合。由于电离层延迟制约了数据中断和电离层变化剧烈情况下的窄巷周跳探测,进而建立了顾及电离层延迟的窄巷周跳探测滤波模型。试验结果表明,对30 s采样间隔,基于无几何组合模型探测周跳的成功率均优于96%;对于3 min的数据中断,基于无几何组合模型的周跳探测成功率仅为70%,但补偿电离层延迟的滤波模型将成功率提升至95%以上。

北斗卫星导航系统精密定位报告算法与性能评估

陈俊平, 张益泽, 于超, 丁君生

2022, 51(4):  511-521.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220024

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RDSS短报文是北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)的特色服务,实现了用户报文通信和位置报告。北斗系统早期的位置报告基于双星RDSS观测值,其精度受限于数字高程数据的精度。从BDS-2开始,北斗系统发展了融合RNSS和RDSS体制的位置报告方法,其基于北斗RDSS体制,将用户接收机的观测数据向中心站进行回传,并在中心站实现精密位置的解算和报告,提升了服务覆盖范围和定位精度。本文介绍了北斗精密定位报告系统采用的中心站处理算法,并采用分布于中国不同区域的50个北斗观测站数据对系统性能进行评估。分析了RDSS入站频度、用户站与监测站的基线长度等因素对用户定位的影响。结果表明,基于北斗分区综合改正数的精密单点定位的精度最优,其在2 min响应时间内的平面和高程精度(RMS)分别为0.51 m和0.94 m。北斗精密定位报告精度与基线长度相关性较小,在仅采用BDS-2数据的情况下,定位精度下降可达1倍以上,而在相同时长情况下,提高RDSS入站申请频度对定位性能不产生影响。

国土综合整治三维模型碎片加载优化与调度

刘小波, 涂建光, 张海峰, 李治江

2022, 51(4):  522-533.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220115

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国土整治作为一项国家战略,是解决社会经济发展过程中土地利用问题的重要手段,能有效促进国土空间优化和治理土地退化,对于实施乡村振兴战略和推进生态文明建设具有重大意义。随着我国工业化、城镇化的推进,生产、生活、生态之间矛盾日益凸显,国土整治在全国各地广泛开展,尤其是三维可视化技术的应用发展迅速。但对于国土整治业务而言,三维模型存在数据量大、数据复杂且碎片化程度高等特点,使得三维数据的存储管理和加载调度难度大,制约了其在国土整治中的应用。本文针对国土整治三维数据,提出了存储结构优化方法、三维模型碎片加载优化方法和三维模型调度优化方法,并开展了试验验证和应用示范,验证了本文提出的方法能够有效支撑国土整治中的三维可视化相关业务。

陆地卫星遥感监测体系及应用前景

王权, 尤淑撑

2022, 51(4):  534-543.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210714

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我国陆地卫星的快速发展和人工智能等高新技术的广泛应用为重构卫星遥感监测体系奠定了重要基础。针对我国自然资源保护、国土空间规划实施监督、生态修复及全球变化研究等对土地利用、土地覆盖及其相关地表参数指标动态变化信息的需求,基于当前我国陆地卫星观测能力,设计了全球宏观尺度监测及我国陆域范围季度监测、重点区域月度监测及应急事件即时响应的卫星遥感监测体系框架;针对自然资源卫星遥感监测需求,充分运用大数据、人工智能、云计算等高新技术,本文提出了基于工作流的监测生产线智能流转与可插拔模块调度控制、遥感影像样本知识库构建、复杂场景自然资源变化自动提取、自然资源特定目标自动提取和自然资源变化图斑全生命周期管理等技术解决方案,构建了遥感监测业务化应用技术流程,实现了我国陆域范围自然资源全要素季度监测、重点区域高频次精准监测、特定目标即时监测能力,并在自然资源执法督察和地表水变化等监测中得到应用。

GBM快速轨道产品及非差模糊度固定对其精度的改进

邓志国, 王君刚, 葛茂荣

2022, 51(4):  544-555.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220022

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GNSS是实时定位导航最重要的方法,精密卫星轨道钟差产品是GNSS高精度服务的前提。国际GNSS服务中心(IGS)及其分析中心长期致力于GNSS数据处理的研究及高精度轨道和钟差产品的提供。GFZ作为分析中心之一,提供GBM多系统快速产品。本文基于2015—2021年GBM提供的精密轨道产品,阐述了数据处理策略,分析了轨道的精度,介绍了非差模糊度固定的原理和对精密定轨的影响。结果表明:GBM快速产品中的GPS轨道精度与IGS后处理精密轨道相比的精度约为11~13 mm,轨道6 h预报精度约为6 cm;GLONASS预报精度约为12 cm,Galileo在该时期的精度均值为10 cm,但是在2016年底以后精度提升到5 cm左右;北斗系统的中轨卫星(medium earth orbit,MEO)在2020年以后预报精度约为10 cm;北斗的静止轨道卫星(geostationary earth orbit,GEO)卫星和QZSS卫星的预报精度在米级;卫星激光测距检核表明,Galileo、GLONASS、BDS-3 MEO卫星轨道精度分别为23、41、47 mm;此外,采用150 d观测值的试验结果表明,采用非差模糊度固定能显著改善MEO卫星轨道精度,对GPS、GLONASS、Galileo、BDS-2和BDS-3的MEO卫星的6 h时预报精度改善率分别为9%~15%、15%~18%、11%~13%、6%~17%和14%~25%。

点云场景认知模式——泛化点云

刘春, 贾守军, 吴杭彬, 黄炜, 郑宁, 艾克然木·艾克拜尔

2022, 51(4):  556-567.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220019

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随着传感器技术和观测平台的迅速发展,点云大数据作为新型遥感的主要数据形式,已经逐渐成为场景感知的重要信息载体,并在地质灾害态势感知、自然资源定量调查和道路交通安全服务等国家重大战略需求中发挥了越来越显著的作用。与此同时,点云观测装备和国家重大战略需求的双重驱动促使空间场景从感知迈向了认知,也对认知处理的算法和算力提出了新的要求。为此,本文以点云场景认知的基本框架为线索,分析了多源点云耦合观测的研究现状,总结了点云场景认知处理的关键进展及其在国家重大战略需求中的典型应用,并凝练了点云场景认知当前面临的主要问题。在此基础上,本文聚焦点云场景认知的前沿挑战,避开传统欧氏空间而转到高维张量流形空间进行点云数据处理,提出了“泛化点云”的科学概念和技术框架,为突破点云场景认知处理的算法和算力提供研究思路。

智能手机影像支持的水质监测算法与应用

李俊生, 高敏, 张兵, 张方方, 王胜蕾, 殷子瑶, 谢娅

2022, 51(4):  568-576.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220049

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智能手机为基于公众科学的水质监测提供了新的手段,但是目前还缺乏基于智能手机拍摄的水体影像的水质参数反演的系统性研究。针对这种情况,本文首先构建了基于水面数码照片的典型水质参数反演和水体污染识别模型,包括水色指数、透明度、营养状态等级、蓝藻水华、黑臭水体;然后,基于这些模型开发了基于智能手机安卓系统的“观水色”app,并在一些典型研究区对“观水色”app进行了应用及评价,获得了较好的水质监测精度;最后,分析了白平衡、不同数码相机设备、照片存储格式对于基于智能手机的水质监测的影响及其应对策略。本文的研究成果将有利于推动智能手机在水质监测中的广泛应用。

城市典型要素遥感智能监测与模拟推演关键技术

冯永玖, 李鹏朔, 童小华, 席梦镕, 柳思聪, 许雄

2022, 51(4):  577-586.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220086

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城市典型要素遥感智能监测与模拟推演的理论、方法与应用,对于国土空间规划与管理,城市规划与综合治理,区域决策与管理等均具有关键支撑作用。针对覆盖要素和驱动要素复杂非线性,本文研发了协同多源遥感数据的智能识别方法,实现了精细化高可信覆盖要素分类;协同遥感、POI兴趣点和时空大数据等多源数据,有效探测和识别了要素变动的驱动力。在此基础上,开展了空间演变机理挖掘、空间统计建模、启发式智能建模,并应用于土地利用、城市扩张、生态演变、碳储量等。同时,研发了聚焦城市生长推演的UrbanCA平台以及聚焦多类土地利用变化推演的Futureland平台,集成了自主研发的模拟推演系列方法并以长三角为主要区域进行了验证。

空谱协同多尺度顶点成分分析的高光谱影像端元提取

孙伟伟, 常明会, 孟祥超, 杨刚, 任凯

2022, 51(4):  587-598.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210718

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针对顶点成分分析方法无法实现复杂地表环境下的高光谱影像端元精确提取问题,提出了一种基于空谱协同多尺度顶点成分分析的端元提取方法,通过影像空谱特征融合和聚类分割,对不同分辨率空间尺度下的分割影像进行端元协同提取,并考虑噪声对影像端元提取精度的影响,提升端元提取的精度。首先,对影像进行预处理,采用低秩矩阵分解去除噪声。其次,对高光谱影像进行空谱多特征提取,利用多特征融合和K-means算法进行聚类分割,获取地物分布的空间异质性信息,提升后续端元提取的精度。然后,对高分辨率影像空间降采样,利用顶点成分分析方法对降采样后的低分辨率分割图像进行端元提取,并利用坐标映射寻找高分辨率影像中的相应端元,利用光谱角来判定是否为纯端元。最后,遍历上述方法至所有分割影像以获取最终的端元集合。使用模拟数据和真实的高分五号高光谱数据对提出的方法进行实验验证。实验结果表明,空谱协同多尺度顶点成分分析方法可提取高精度的纯净端元,且计算效率较高。

全球气候变化背景下极地冰盖关键参数遥感观测验证

乔刚, 郝彤, 李洪伟, 陆平, 安璐, 陈秋杰, 李荣兴

2022, 51(4):  599-611.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220116

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在当前全球气候变暖背景下,极地冰盖关键过程和重要参数研究对揭示极地冰盖对全球海平面变化的影响,提高海平面上升贡献的预测精度至关重要。极地科学考察的实地观测数据可以为遥感观测提供校准和验证,降低遥感反演的不确定性。本文基于同济大学全球变化研究团队近年来针对极地冰盖关键参数的测绘遥感与现场考察工作,重点阐述在极地科考观测验证和数据处理方面的研究,包括在南极冰盖的新型测高卫星的空-地协同验证、卫星角反射器布设、粒雪层内部温度观测与模型验证、多平台无人机海冰探测和雪冰环境调查,以及格陵兰冰盖质量变化评估等。最后,本文对未来的极地科考验证计划进行了展望。

融合多光谱影像的高光谱影像厚云去除方法

王蓝星, 王群明, 童小华

2022, 51(4):  612-621.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220017

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云遮挡对高光谱影像的应用造成了不可忽视的影响。现有云去除方法通常利用时域近邻的同源影像提供辅助信息。然而,高光谱影像(如GF-5和EO-1高光谱影像)较低的时间分辨率导致同源辅助影像中可能存在较大的地物覆盖变化。时间分辨率更高的多光谱影像(如Landsat 8 OLI影像)能提供时间上更接近于高光谱云影像的辅助信息,从而减少地物覆被变化带来的影响。为应对高光谱和多光谱波段之间差异较大的问题,本文基于空谱随机森林(spatial-spectral-based random forest,SSRF)方法,提出一种利用多光谱影像(Landsat 8 OLI影像)对高光谱影像进行厚云去除的方法,将其简记为SSRF_M。SSRF_M较强的非线性拟合能力使其能够综合利用多光谱影像所有波段的有效数据对各个高光谱波段进行重建。本文使用GF-5和EO-1高光谱影像进行模拟云去除试验,视觉和定量评价结果均表明,与利用时间间隔更长的同源辅助影像的方法相比,本文方法能获得更高精度的云下信息重建结果。

红柳江区域陆地水储量变化及其驱动因素分析

张林, 沈云中, 陈秋杰, 王奉伟

2022, 51(4):  622-630.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20220030

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本文利用CSR-RL06和Tongji-Grace2018时变重力场模型反演了2003年1月—2016年12月红柳江区域陆地水储量变化,并联合降水、蒸散、径流和人类活动耗水等多源数据建立了区域水量平衡方程,定量评估了该区域陆地水储量变化的主要驱动因素。结果表明:①考虑人类活动耗水为区域陆地水储量输出项时,由水量平衡方程闭合差计算的均方根误差降低了39%。②气象水文因素贡献率仅于2009、2011和2016年为负,其均值为-22.5%,其余年份正贡献率均值为47.7%;人类活动耗水贡献率始终为负,其均值为-34.8%。③龙滩水库蓄水变化与该区域陆地水储量变化相关系数为0.66,均存在一年和两年主周期信号。