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2022年 第51卷 第11期    刊出日期：2022-11-20

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大地测量学与导航

广义带限航空矢量重力确定大地水准面的两步积分法

黄谟涛, 邓凯亮, 吴太旗, 王伟平, 欧阳永忠, 陈欣, 王许

2022, 51(11):  2245-2254.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210222

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依据物理大地测量学的广义带限水平边值问题理论,本文提出了基于带限航空矢量重力水平分量确定大地水准面的两步积分法。首先,依据广义带限水平边值问题解将带限航空矢量重力水平分量转化为飞行高度面上的带限扰动位;然后,利用带限Dirichlet边值问题解将飞行高度面上的带限扰动位向下延拓到海平面(海拔高程起算面,也称平均海面)上的带限扰动位;最后,依据Bruns公式将海平面上的扰动位转化为大地水准面高度。利用EGM2008重力位模型开展数值仿真计算试验,结果表明,广义带限水平边值问题解具有较好的低通滤波特性,能有效抑制观测高频噪声的影响;当带限航空矢量重力水平分量观测误差取3×10^-5m/s²、测量飞行高度取6 km时,基于带限Dirichlet边值问题解的带限大地水准面计算精度优于3 cm,初步验证了两步积分法的计算稳定性和有效性。

附加对流层约束的大高差区域短时GNSS网解及其性能

蒋光伟, 王盼龙, 郭春喜, 王斌, 杨元喜

2022, 51(11):  2255-2264.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210448

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大落差高山区域GNSS监测严重受制于对流层延迟影响,导致定位精度降低。本文提出附加地面点对流层延迟先验信息约束方法,实现短时同步双差观测高精度解算。该方法能充分利用远距离地面站网的增强信息,显著减少高山区域监测的观测时长,增大站间距离,降低山区测量任务的作业成本。本文从观测时长、基线距离时空特性及基站数量3方面进行适用性试验验证,试验结果表明,以地面站点长期GNSS观测获得的高精度对流层延迟作为约束,可有效削弱大落差引起的残余对流层延迟的影响,提高整周模糊度固定率,实现山顶监测点的快速高精度定位和对流层延迟参数估计;与非约束法相比,对流层先验约束后各坐标分量精度均有所提高,高程方向精度提高明显。

顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航方法

郝雨时, 孙剑伟, 隋心, 徐爱功, 施闯

2022, 51(11):  2265-2272.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210124

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为解决不同GNSS间信号差异引起的多GNSS RTK/INS紧组合导航应用中卫星系统间模糊度固定失败的问题,本文提出顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航方法,以进一步发挥多GNSS在复杂环境下的互补性和灵活性。本文推导了顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航观测方程,给出了综合利用抗差估计方法和粒子群优化的ISB/IFB参数估计方法。试验结果表明,顾及ISB/IFB参数可以在一定程度上提高卫星系统间模糊度固定成功率;结合抗差估计方法提高卡尔曼状态估计浮点解精度,可显著提高多GNSS RTK/INS紧组合导航系统在复杂环境下的系统间模糊度固定成功率与导航精度。

GNSS模糊度解算的附加缩放因子的CLAMBDA方法

卢立果, 马立烨, 刘万科, 吴汤婷, 胡伟建

2022, 51(11):  2273-2284.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210185

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针对弱GNSS模型下,约束LAMBDA(CLAMBDA)算法初始搜索空间过大,导致模糊度解算效率低下的问题,本文提出了基于缩放因子自适应调整搜索空间的ASS算法,并讨论了采用上下边界分别设置初始空间对ASS算法的影响。通过两组实测算例对ASS算法解算性能进行了试验验证。结果表明,ASS算法采用缩放因子可以有效地调整搜索空间,提高搜索效率;基于下边界设置初始空间可以进一步提高ASS算法的解算性能。

VGOS天线地平遮挡角计算及其对UT1测量的影响

吴徳, 舒逢春, 李金岭, 钟胜坚, 甘江英

2022, 51(11):  2285-2293.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210314

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上海新建的2台VGOS(VLBI global observing system)天线被其附近原有的大天线遮挡,为了开展VGOS站网的联合观测,提出了一种基于天线几何位置关系的地平遮挡角计算方法。根据台站相对位置、天线口径及天线参考点到边缘点的距离等参数,即可得到VGOS天线的地平遮挡角。天马VGOS天线的最大遮挡角为22.3°,遮挡天区面积占5°以上天区面积的比值为2.19%;佘山VGOS天线的最大遮挡角为23.4°,遮挡天区面积占5°以上天区面积的比值为3.14%。通过在观测纲要中添加天线的地平遮挡角信息,成功实施了VGOS站网的联测。利用VieVS软件仿真分析了天马-维泽尔基线上VGOS天线的UT1测量精度,结果表明,天马VGOS天线的地平遮挡对UT1的测量精度没有显著的影响。

利用聚类算法实现多波束水深数据异常值的自动识别与清理

魏源, 金绍华, 李树军, 王磊, 边刚, 王沫

2022, 51(11):  2294-2302.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210113

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借鉴人工交互处理视角下多波束测深后视图中异常值的图像特征,利用密度聚类算法实现了无效数据的剔除及存疑数据的识别定位。利用聚类算法将多波束测深数据自动划分为可信、存疑和无效3类数据,可信数据保留,无效数据自动剔除,存疑数据人工判断。通过这种部分人工介入的异常值自动清理算法可较好地解决自动处理算法可信度低而人工交互处理效率低这一矛盾问题。实例计算表明:该算法在一定程度上提高了自动处理算法所得结果的可信度,对实现高可信度、高效率的多波束测深异常值清理具有重大意义。

加乘性混合误差模型精度评定的SUT法

王乐洋, 陈涛

2022, 51(11):  2303-2316.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200514

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已有加乘性混合误差模型参数估计方法能达到二阶精度,但精度评定方法只能达到一阶精度,若通过传统泰勒级数展开近似函数法来获取参数估值的二阶精度信息,由于加乘性混合误差模型中参数估值与观测值为一个复杂的非线性关系,必然需要复杂的求导运算。针对该问题,本文使用一种无须求导、无须了解非线性函数构成的比例无迹变换(scaled unscented transformation,SUT)法来计算参数估值的二阶精度信息。通过算例分析表明,利用SUT法求解加乘性混合误差模型能够有效避免复杂的求导运算,所求得的参数估值及其协方差阵均能达到二阶精度,从而验证了本文方法的可行性和优势。

基于矩阵分解的可分离非线性最小二乘问题求解方法及其应用

王路遥, 刘国林, 王凤云, 王珂, 韩宇

2022, 51(11):  2317-2327.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200502

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针对可分离非线性函数模型的特殊结构,本文使用变量投影法(VP)将线性参数与非线性参数分离开来,并分别与矩阵的满秩分解、QR分解、奇异值分解和施密特正交化相结合,对两类参数分别求解,缩短了计算机解算方程组的运算时间,使算法更加高效,同时也使得具有一定病态程度的方程组在解算过程中保持相对较好的稳定性。本文利用Mackey-Glass时间序列拟合试验和空间直角坐标转换参数解算试验对比分析了基于不同矩阵分解方法的算法优劣性。试验结果表明,基于矩阵分解的改进变量投影法具有高效的运算效率与稳定的解算过程,也适用于解算空间直角坐标转换参数问题。

多模多频GNSS-IR水位反演中的频间偏差分析及改正

王笑蕾, 何秀凤, 宋敏峰, 陈殊, 牛紫瑾

2022, 51(11):  2328-2338.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210461

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准确的水位监测对于水资源调控、水灾监控及气候气象研究十分重要。近年来,随着全球导航卫星系统的不断发展,一种GNSS干涉遥感水位反演技术被提出。目前,GNSS-IR水位反演中主要有3类误差:高度变化误差、高度角弯曲误差和对流层延迟误差,相关的改正方法也被陆续提出。本文研究了4个GNSS跟踪站(HKQT、SW50、SW51和SW52)的多模多频反演结果,发现除了已经发现的3类误差外,还存在一种明显的频间偏差。现有研究对于GNSS-IR频间偏差的研究很少,尚未达成将其归为GNSS-IR误差源的共识。为了进一步挖掘频间偏差的特性、加深对该误差的认识,本文计算了不同信号的有效高度(reflector height,RH),发现不同频率信号的RH反演值间存在差距;将该差距与波长进行对比分析,发现该差距与信号波长存在显著的线性关系(相关系数>95%)。该偏差量级在分米级,表现出了明显的频间偏差系统特性。针对发现的频间偏差及其相关特性,本文提出了相关的误差改正方法,结果表明:顾及频间偏差的改正结果比未顾及频间偏差的反演结果的均方根误差高1.5~12 cm。同时,改正后的融合反演值的精度较未改正的独立信号的反演值提高了30%~80%;精度的提高得益于多模多频信号提供的大量冗余数据以及对各类误差(包括系统误差、粗差和随机误差)的正确处理。

GNSS大气加权平均温度经验模型精化方法的建立和分析

杨飞, 郭际明, 陈明, 章迪

2022, 51(11):  2339-2345.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210269

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加权平均温度T_m作为对流层湿延迟转换为大气可降水量的关键参数,在GNSS气象学研究中发挥着重要作用。T_m经验模型的构建,可以通过将测站位置和时间信息作为输入参数快速获取T_m估值,但其精度往往受限,尤其在某些局部区域。本文提出了一种T_m经验模型精化方法,引入了地表气温数据,通过最小二乘快速获取精化系数,达到T_m的误差补偿作用。基于我国及邻近区域180个探空测站2011—2015年的数据,本文构建了基于GPT3的精化模型,并对其进行分析。数值结果表明,与Bevis模型、区域线性模型和GPT3模型相比,本文提出的精化模型估计T_m的精度分别提高了16.2%、13.5%和21.1%。另外,基于GPT3的精化模型估计T_m表现出最优的时空分布结果,显著提高了高纬度地区T_m估计精度,有效解决了GPT3模型只能表现T_m季节性变化的缺陷。本文方法计算公式简便,可以快速推广至任意T_m经验模型,具有较高的使用价值。

摄影测量学与遥感

无人机影像DSM自动生成随机传播COLVLL算法

张春森, 葛英伟, 郭丙轩, 张月莹

2022, 51(11):  2346-2354.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210325

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针对现有密集匹配方法在弱纹理及高差较大区域表现不佳,以及密集匹配融合生成DSM时导致信息丢失等问题,本文提出基于随机传播COLVLL的DSM生成方法。在对空三加密后的影像进行有效像对筛选的基础上,利用随机传播机制对DSM像素区域进行扫描迭代,结合VLL算法对随机生成的高程值进行迭代更新得到DSM。以弱纹理、大高差区域无人机影像为试验数据与现有生成DSM商业软件进行试验对比,并以ISPRS WGII/4提供的Vaihingen数据集为参考对本文方法生成DSM及真正射影像数据进行试验分析,结果均证明了本文方法的有效性和适用性。

结合多尺度共享编码的半监督网络航空影像语义分割

李佳田, 杨汝春, 姚彦吉, 贺日兴, 阿晓荟, 吕少云

2022, 51(11):  2355-2364.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200522

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在半监督语义分割中,主要采用编码-主从解码器结构使无标签样本参与计算以提高分割精度,但编码器的连续下采样操作易丢失浅层细节特征,从而导致地物边界分割不完整。为此,本文提出结合多尺度共享编码的半监督网络架构对航空影像进行语义分割,该网络的编码器采用ResNet-50获取影像浅层特征,并通过在ResNet-50末端嵌入多尺度共享编码模块来链接浅层特征,以构建密集特征金字塔和扩大感受野,从而获取目标地物多尺度细节信息。将本文网络与UNet、DeepLabv3+、FCN监督网络和CCT、XModalNet、VLCNet半监督网络在LandCover.ai和DroneDeploy数据集上分别进行了对比试验和精度评估。结果表明:本文网络在标签数量与精度方面均具有明显优势,对于LandCover.ai数据集,在6000张标签样本和6500张无标签样本的前提下,整体mIoU提升1.15%,对于DroneDeploy数据集,在30张标签样本和5张无标签样本的前提下,整体mIoU提升0.94%,同时显著提升影像地物的分割精度,得到更清晰、完整的地物边界。

SAR影像变化检测的前景特征流形排序法

罗卿莉, 崔峰志, 魏钜杰, 明磊

2022, 51(11):  2365-2378.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20200512

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SAR影像变化检测的差异图分析法存在的两个问题:①连通区域内的部分变化区域易被误判为未变化区域;②中心先验假设并不适用于检测位于SAR影像边界的变化区域。本文针对以上两个问题设计了一种超像素分割和前景特征流行排序(manifold ranking,MR)的SAR影像变化检测方法(MRSFCD)。首先,通过单像素和邻域对数比算子进行加权融合构造差异图,可以保持变化区域内部的一致性并抑制噪声干扰。其次,对差异图进行超像素分割。然后,改进超像素的无向图连接方式,不对边界四周的超像素进行连接,利用超像素分割结果和灰度信息进行三次邻接。最后,将基于前景特征流行排序后得到的显著性图与单像素对数差异图进行点乘,对其进行阈值分割得到最终的二值变化图。本文通过采用3组双时相影像进行试验。结果表明,相较于其他变化检测算法,本文方法有效地提高了变化检测的精度。

地理学与地理信息

基于区间映射和最大扰动区域的矢量地图可逆水印算法

奚旭, 张新长

2022, 51(11):  2379-2389.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210552

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针对传统矢量地图可逆水印算法往往因片面追求水印容量而容易暴露水印的问题,本文设计了一种扰动程度可控的矢量地图可逆水印算法。首先,基于量化索引调制的思想设计了坐标点的状态区间轴,利用水印信息调制坐标点的状态值实现水印的嵌入;然后,利用最大扰动区域方法限定坐标点状态区间的范围,确保水印信息的嵌入对数据的扰动控制在合理范围内,不会对数据质量造成较大影响;最后,将二进制水印信息十进制化,利用十进制数在最大扰动区域范围内调制坐标点的状态值,实现水印信息的大容量嵌入。试验结果表明,本文提出的矢量地图可逆水印算法不仅容量大,而且扰动程度可控,对常规几何攻击、坐标点攻击等具备较强的稳健性,能够较好地处理水印容量、不可见性及稳健性之间的相互制约关系。

面状居民地形状分类的图卷积神经网络方法

于洋洋, 贺康杰, 武芳, 许俊奎

2022, 51(11):  2390-2402.  doi:10.11947/j.AGCS.2022.20210134

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形状识别和分类是地图制图综合的重要内容之一,面状居民地要素作为地理空间矢量数据的重要组成部分,其形状认知是制图综合的基础。本文针对当前几何和统计形状分类方法的不足,借助图卷积神经网络的图数据分类能力,提出了一种基于图卷积神经网络的面状居民地形状分类方法。该方法首先从面状居民地轮廓多边形入手,提取其轮廓的多个特征,获取形状的图表达;然后,利用图卷积神经网络对居民地形状信息进行多轮次提取和聚合,将形状信息嵌入一个高维向量中;最后利用全连接神经网络对高维形状向量进行分类。试验表明,该方法能够有效提取居民地形状信息,克服了传统分类方法人为设置指标的不足,实现了端到端的居民地形状信息提取与分类。