测绘学报

当期目录

2023年第52卷第4期刊出日期：2023-04-20

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综述

从国家自然科学基金项目资助探讨大地测量学的学科架构与发展

程惠红, 姚宜斌, 赵倩, 吴云龙

2023, 52(4): 523-535. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220663

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大地测量学是地球科学的一个重要发展领域,通过对地球和行星几何与物理量的观测与分析,研究地球和行星几何形状、物质运动状态及其空间环境响应,为国家基础设施和国防建设提供时空和重力基准保障。随着大地测量学向地球科学基础研究和交叉应用等方面的不断延伸和快速发展,其研究水平得到了显著提高,在描绘、构建和认知地球和行星中占据了越来越重要的地位。本文基于历年来国家自然科学基金申请和资助项目,从项目类型、分支领域、依托单位、研究方向和关键词等方面进行了统计分析,梳理了学科发展特点,构建了学科架构知识图谱——大地测量学科树,以期为大地测量学领域相关学者提供参考。

大地测量学与导航

GNSS-声学位置服务中声速误差修正方法

陈冠旭, 高柯夫, 赵建虎, 刘经南, 刘焱雄, 刘杨, 李梦昊

2023, 52(4): 536-549. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220097

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声速误差是GNSS-声学定位中的主要误差源,制约了GNSS-声学位置服务的精度。基于海洋时空基准网的思路,本文研究了GNSS-声学位置服务中声速误差的修正方法。首先,提出了一种声速剖面时域变化分层模型,以削弱声速的时空代表性误差;然后,针对没有声速剖面的海域,借鉴GNSS对流层误差的处理方法,提出了GNSS-声学位置增强服务的方法;最后,面向潜航器位置增强服务,进行了海洋声速层析方法的分析。利用南海水深3000 m海域的实测数据对上述声速误差修正方法进行验证,结果表明:经验正交函数法分层构建的声速场能以分米级精度确定海底控制点的位置;基于海底的控制点,利用本文所提出的GNSS-声学位置增强服务方法可为水平距离3000 m范围内的测船提供分米级精度的位置增强服务;层析的海洋声速剖面,在深度大于潜航器的区间内精度优于3.5 m/s。

地影期间卫星姿态四元数产品对北斗精密单点定位的影响分析

刘天骏, 陈渠森, 姜卫平, 陈华, 夏凤雨, 范曹明

2023, 52(4): 550-558. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220245

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与分析中心保持一致的卫星姿态模型是精密单点定位(PPP)获得高精度定位的关键因素。本文基于武汉大学分析中心(WUM)提供的卫星姿态四元数产品,详细阐述了利用卫星姿态四元数计算偏航角的方法。针对卫星在太阳高度角较低的情况,分析了WUM对BDS-2/BDS-3所采用的姿态模型策略,并基于开源定位软件GAMP深入研究了不同的卫星姿态模型策略对BDS-2/BDS-3 PPP定位的影响。研究表明,在深地影时期,不一致的姿态模型会导致偏航角出现360°的差异,进而使相位缠绕和卫星天线相位中心改正出现分米级的偏差。在此期间,使用卫星姿态四元数产品,与名义姿态相比PPP的定位精度在东、北和天顶方向能分别提高约32%、29%和38%;相较于剔除姿态异常卫星策略(剔除远日点和近日点的卫星),PPP的定位精度在3个方向分别能提高约29%、25%和28%。因此,PPP用户应采用各分析中心提供的卫星姿态四元数产品进行天线相位中心改正(PCO)和相位缠绕改正,避免使用不一致的姿态模型导致PPP定位结果的可靠性降低。

GNSS-A水下定位的动态非线性Gauss-Helmert模型及其抗差总体卡尔曼滤波算法

邝英才, 吕志平, 李林阳, 王方超, 许国昌

2023, 52(4): 559-570. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210467

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GNSS-声学组合式观测是确定海底控制点位置的重要手段,但会受到声速不确定性、海面平台定位偏差等误差因素的干扰,而基于误差传播定律的常规方法对各类误差的处理策略使得海底点坐标解算不准确。针对这一问题,本文将声速测距误差非时变项设为待解参数,在水下观测方程的系数矩阵中讨论声速测距误差时变项与换能器位置误差的影响,构建了GNSS-声学水下定位的动态非线性高斯-赫尔默特(Gauss-Helmert,GH)模型,并推导了该模型的总体卡尔曼滤波解。在此基础上,进一步考虑扩展后的观测信息受到粗差污染的情况,给出了模型的抗差处理方法及解算步骤。最后分别通过仿真试验和胶州湾海域实测试验进行了验证,试验结果表明,在不同深度或不同换能器位置误差大小的无粗差设定下,本文方法解算精度及稳定性较常规方法均更高;当观测信息含有粗差时,模型的抗差滤波算法能更准确地识别及定位异常信息,其三维点位精度明显更优,解算效果达到最佳。

基于星点位置预测的线阵全站仪天文测量异常数据剔除方法

张旭, 张超, 詹银虎, 毛庆洲

2023, 52(4): 571-578. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210675

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针对天文测量仪器小型化、自动化的发展趋势,本文提出了一种基于线阵式国产全站仪的天文测量数据处理方法。首先,介绍了星点质心提取方法和观测时刻计算方法;然后,分析了数据粗差的产生原因,提出了一种基于星点位置预测的粗差剔除方法;最后,设计并开展了两次野外试验,对比粗差剔除前后的定位精度。结果表明,经粗差剔除后,单时段间定位结果较为稳定,且8个时段的定位中误差小于±0.3",满足一等天文测量要求;同一测站4个夜间联测的平均天文经度与准确值之差为0.23",平均天文纬度与准确值之差为0.61"。相较于传统天文测量仪器,本文方法不仅实现了小型化、自动化及精准化,且摆脱了人眼观测的束缚,观测效率提升了一倍。

基于空地影像多层级匹配的火星巡视器定位与地面验证

曹子龙, 童小华, 许雄, 叶真, 肖长江

2023, 52(4): 579-587. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210635

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深空探测巡视任务中巡视器的高精度定位对于巡视器的自身安全与持续运行至关重要。巡视器定位主要包括相对定位和绝对定位两种方式,其中绝对定位方法主要是利用轨道器/着陆器的数据为基准确定巡视器在全局坐标系下的位置。美国Mars 2020任务携带的机智号无人机在火星环境下完成了飞行验证,它能够获得高分辨率的火星表面影像,从而为火星巡视器绝对定位提供了新思路。据此,本文提出了一种卫星-无人机-巡视器影像协同的多分辨率影像匹配绝对定位框架。首先,利用运动恢复结构(structure from motion,SFM)方法对无人机影像进行三维重建,获取局部高分辨率三维地图;然后,开展巡视器影像与无人机影像的多视角匹配,并基于匹配结果利用后方交会实现巡视器在无人机局部地图中的高精度定位;最后,通过局部无人机影像与卫星影像的配准,实现卫星影像全局坐标系下的巡视器绝对定位。为验证本文方法的可行性,开展了巡视器定位仿真试验,试验结果验证了本文方法的可行性,能够为后续我国开展类似工程任务提供参考。

利用单向多普勒确定“天问一号”轨道

孔静, 张宇, 段建锋, 陈略, 王宏, 樊敏

2023, 52(4): 588-595. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220085

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“天问一号”任务中,单向多普勒轨道确定在我国深空探测任务中得到首次实际应用。本文提出了基于单向多普勒的“天问一号”轨道确定方法。首先对单向多普勒进行观测建模和误差理论分析,然后利用“天问一号”中继轨道段的单向多普勒进行定轨计算,最后使用定轨结果与基准轨道的星历进行比较及重叠弧段轨道比较两种方法,分析仅利用单向多普勒的定轨精度,验证了单向多普勒的定轨能力。分析表明,星载频率源的不稳定和太阳相位闪烁噪声是影响单向多普勒测速精度的主要误差源,“天问一号”中继轨道段,仅利用单向多普勒数据可以实现优于1 km的定轨精度,这为未来我国更遥远的深空探测任务实施提供了重要技术存储。

BDS-2和BDS-3系统间伪距分层及其技术对策

曾辉艳, 艾伦, 成洁, 耿鹏飞, 张如伟, 陈陌寒, 孙树杰, 李明哲

2023, 52(4): 596-604. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210518

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BDS-2和BDS-3卫星不仅存在与其他导航系统一样的星间伪距偏差问题,还存在两个系统之间的分米级伪距分层现象。为了最大限度降低伪距分层影响,本文选用两台环路参数可配置的接收机进行试验分析,分析了接收机环路参数设计与伪距分层的影响关系。结果表明,当接收机选择0.3 chip及以上的相关器码间距来跟踪B1I信号时,能使BDS-2和BDS-3之间B1I信号的伪距分层由分米级降低到厘米级;对于B3I信号而言,则需要采用0.6 chip及以下的相关器码间距来进行跟踪。根据本文研究可知,通过配置合理的接收机相关器码间距值跟踪B1I/B3I信号,可以使BDS-2和BDS-3之间的伪距分层现象得到明显改善,同时也能提高接收机定位精度的一致性。本文研究对推进北斗导航接收机和芯片的发展与完善具有参考意义。

顾及残差约束的多面函数法融合卫星测高和船载重力

赵闯, 金涛勇, 秦朋波, 杨连俊

2023, 52(4): 605-613. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210444

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融合多源重力数据是精化局部区域重力场的必要手段。本文通过引入残差约束因子,改进了基于多面函数的多源海洋重力数据解析融合方法。以日本群岛附近海域为例,使用卫星测高反演重力场模型和船载重力数据,分析了分块大小、融合船载重力数据量及其分布对该方法的影响,并与改进前多面函数法及最小二乘配置法的结果进行比较,验证了改进方法的可靠性和有效性。与验证船载重力数据相比,顾及残差约束的多面函数法精度最好,极值和标准差均显著下降。与多面函数法相比,不仅较好地改善了控制船载测点附近的不符值,而且将其较好地推估至整个区域的船载观测数据之间,残差分布合理,且无明显测线状误差。

摄影测量学与遥感

机载LiDAR测深点云SVB联合滤波算法

宿殿鹏, 闫豆豆, 陈亮, 陈雨, 董箭, 吴迪, 于孝林

2023, 52(4): 614-623. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220248

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机载LiDAR测深(airborne LiDAR bathymetry,ALB)数据质量受海面破碎波浪、水体浮藻、鱼群及海底二次回波等多种因素影响。为剔除这些干扰产生的噪点,本文提出一种顾及水面、水体和水底(surface,volume,bottom,SVB)的联合滤波算法。针对水面噪点,通过构建双层布料模拟滤波模型分离水面点云;针对水体噪点,采用SOR(statistical outlier removal)滤波器剔除水体离群点;针对靠近地形主体的小尺度水底噪点,通过构建移动趋势面模型进行去噪平滑。为验证本文所提ALB滤波算法的性能,采用青岛胶州湾海域RIEGL VQ-840-G无人机载LiDAR测深数据进行验证,试验结果表明:SVB联合滤波算法对水面、水体、水底噪点一体化处理总体滤波精度和Kappa系数分别能够达到97.45%和0.947,在保证准确率的同时具有较高的效率。本文所提滤波算法可以较好地解决ALB点云滤波问题,能够为ALB测深数据点云滤波提供有效的解决方案。

注意力引导特征融合与联合学习的遥感影像场景分类

余东行, 徐青, 赵传, 郭海涛, 卢俊, 林雨准, 刘相云

2023, 52(4): 624-637. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210659

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为充分利用遥感影像的多尺度特征,解决遥感影像尺度差异、类间相似和类内差异等现象给高精度场景分类造成的困难,本文提出了一种注意力引导特征融合和联合学习的遥感影像场景分类方法。首先,利用深层卷积神经网络提取影像不同层次的特征图;然后,利用设计的残差注意力机制增强不同层次特征图的语义信息、抑制冗余噪声信息;最后,使用全局均值池化获取不同层次特征图的全局信息以构建特征向量,并将不同层次的特征向量融合,3个不同层次的特征向量及融合后的特征向量分别采用独立的全连接层进行分类。利用联合损失训练网络参数,采取多分类器决策级融合的方式提高预测的稳健性。在UC Merced、AID和NWPU-RESISC45数据集上的试验结果表明,本文方法显著改善了对相似场景及类内差异显著场景的辨识能力,与使用多尺度特征的同类型场景分类方法相比,总体分类精度分别提高0.84%、4.04%和4.43%。

高分辨率遥感图像双解耦语义分割网络模型

刘帅, 李笑迎, 于梦, 邢光龙

2023, 52(4): 638-647. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210455

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语义分割是高空间分辨率遥感图像分析和理解的核心内容之一。现有基于深度学习的语义分割网络会导致遥感图像高频信息损失,边界分割不准确。针对此问题,本文提出一种双解耦语义分割网络模型,将提取的两级特征图解耦为具有高频特性的边界特征和具有低频特性的主体特征,并将解耦后的边界和主体特征图进行融合,从而改善高分辨率遥感图像语义分割性能。进一步提出了一种顾及边界和主体的损失函数,对地物要素及其边界和主体部分进行优化学习。在ISPRS Vaihingen和Potsdam 2D高空间分辨率遥感图像数据集上进行试验,与已有的遥感图像语义分割网络模型结果比较,双解耦语义分割网络模型能有效提高地物要素分割精度。

顾及全局特征和纹理特征的遥感影像超分辨率重建方法

胡安娜, 刘睿, 吴亮, 张进, 徐永洋, 陈思琼

2023, 52(4): 648-659. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210571

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由于遥感设备的性能限制,使得采集的遥感影像质量受到影响,低分辨率的遥感影像限制了遥感解译应用的精度。当前针对遥感影像的超分辨率重建研究仍然存在重建后的遥感影像地物全局信息和纹理细节不足的问题。因此,本文提出顾及全局特征和纹理特征的遥感影像超分辨率重建方法,该方法利用生成对抗网络的特征学习能力,并对模型全局和纹理进行增强。一方面,地物全局特征增强部分用于解决当前研究中超分辨率重建模型对低分辨率遥感影像中全局遥感地物信息没有重视和利用的问题。在生成网络中引入自注意力模块,以获取全局地物注意力图的方式将遥感影像中相距较远的地物信息作为重建过程的参考。另一方面,遥感影像纹理增强部分用于解决超分辨率重建模型中超分辨率影像纹理信息不足的问题。本文方法引入纹理损失以优化生成网络参数并增强超分辨率重建后影像中的纹理信息。另外,为避免重建结果中的“伪影”现象,研究采用权值归一化代替批量归一化方法。试验结果表明,本文方法在遥感影像超分辨率重建过程中能增强遥感地物特征,同时可以实现地物的纹理细节精细化恢复,而且超分辨率重建结果的图像质量评价指标SSIM、FSIM和PSNR值分别达到了0.756、0.595和26.005。

融合卫星与地面数据研究京津冀地区弹性骨架储水系数

张玉鹏, 张永红, 吴宏安, 刘青豪, 魏钜杰, 康永辉

2023, 52(4): 660-669. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210454

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地下水的过量开采已经对京津冀平原地区的土层结构造成严重的破坏。本文旨在了解京津冀地区目前土层结构的健康状况,并对地下水的适宜取水位置提出建议。首先,利用GRACE-FO数据与MCTSB-InSAR技术,分别提取了2017—2019年的京津冀地区的地下水变化时序和沉降变化时序。然后,利用邻域平均方法,使得二者数据空间分辨率一致,并首次获得了京津冀地区2017、2018和2019年的弹性骨架储水系数图。最后,结合京津冀地区的地形地貌、土壤类型及各年内降雨和温度情况,对弹性骨架储水系数图进行了时空维度对比分析。研究发现,京津冀地区土层结构的平均情况正在逐渐变好,但是该地区东南方向土层结构还在继续恶化;京津冀西北地区的土层结构相对于东南地区更适合开采地下水。

地图学与地理信息

基于地理空间感知型表征学习的轨迹相似度计算

吴晨昊, 向隆刚, 张叶廷, 吴华意

2023, 52(4): 670-678. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220026

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度量轨迹间的相似性不仅是一项基础的研究问题,同时也为众多轨迹数据挖掘应用提供支持。传统相似性度量方法面临数据噪声敏感、算法效率低等问题,难以进行大规模数据计算。当前研究开始尝试使用深度表征学习方法,将高维轨迹数据映射到低维向量空间,通过度量表征间的距离高效地完成相似度计算任务。本文在轨迹表征学习中引入Transformer机制,提出了一种地理空间感知的深度轨迹表征学习方法。首先,使用Geohash编码将二维空间坐标点转换为一维编码序列,使轨迹点在嵌入过程中保留空间相关性。然后,引入Transformer框架构建轨迹表征的深度学习模型,并采用一种隐轨迹点训练模式,以保证模型能从低频、噪声的数据中习得更稳健的向量表示。最后,设计了一个空间感知损失函数,通过距离因子调整模型误差,拉近空间相近轨迹的表征。试验表明,本文方法在轨迹相似性计算任务中超越了基准模型,并且计算效率远高于传统度量方法。

室内POI显著度评价的Fisher判别法模型

李华蓉, 郑嘉欣, 李天童

2023, 52(4): 679-688. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210547

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随着社会经济的快速发展,大型建筑物内部结构越来越复杂,室内空间的位置服务愈显重要。地标作为室内空间中的基础要素,能够帮助人们在室内认清方向和定位。但是,现有的室内地标的选取方式大多牵引于室外准则,未考虑室内POI独有的特点,导致所选取出的地标与用户的认知不匹配。针对这一问题,本文在室内空间POI显著度影响因素探究试验基础上,采用Fisher判别法(FDA)对试验数据进行语义信息量化、构建模型、模型回判和交叉互判处理,确定了室内POI显著度评价模型,并用于室内地标的提取。结果表明,建立的判别模型对室内POI显著度的判别和分级效果显著,选取出的地标能够与用户认知结果相一致。

博士论文摘要

海洋潮汐演化及其对海岸洪灾的影响研究——以美国沿海为例

李思达

2023, 52(4): 689-689. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210476

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北斗星基增强分米级定位与multi-GNSS实时单频精密单点定位研究

王阿昊

2023, 52(4): 690-690. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210477

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