测绘学报

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2023年第52卷第6期刊出日期：2023-06-20

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大地测量学与导航

顾及载体航向约束的单站BDS-3相位测速模型

王潜心, 胡超, 王泽杰

2023, 52(6): 871-883. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220355

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速度是载体运动状态的重要表征,高精度定速能力是BDS-3系统高性能服务的重要体现。针对传统单站历元间相位差分模型易受误差积累与观测环境影响等问题,本文提出了顾及载体航向约束的单站BDS-3相位测速模型。首先,在传统BDS-3历元间相位差分方程矢量分解的基础上,构建载体位移增量微分表达式,联合非差模型与微分方程综合估计载体速度;其次,利用载体水平面内位移矢量与航向角之间的相关性,建立顾及航向角约束的N与E方向位移参数约束条件;最后,综合3组独立的函数方程进行载体速度分量逐历元解算。通过静态与动态试验表明,静态条件下,BDS-3相位不同方向均可实现mm/s的测速精度,相较于传统历元间差分模型,E与N方向分别提升了62.9%和87.5%,且有效避免了水平方向测速误差的积累效应,但U方向由于缺少约束导致精度提升不显著。动态条件下,BDS-3相位测速在直线运动状态水平面内可获得mm/s级的测速精度,且E与N方向较传统历元间差分模型分别提升了35.2%和21.8%,而转向状态E、N、U方向测速精度分别为2.81、2.03和1.91 cm/s,较传统模型分别提升了41.2%、45.9%和56.2%。因此,本文提出的顾及航向约束的单站相位测速模型可有效地提升BDS-3系统测速性能。

顾及地球曲率及椭球高的GNSS-R几何计算方法

宋敏峰, 何秀凤, 王笑蕾, 肖儒雅, 贾东振, 李伟强

2023, 52(6): 884-894. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210563

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全球卫星导航系统反射测量 (GNSS-R) 技术中,观测几何计算不仅涉及GNSS反射信号的在轨实时处理,而且与观测值的地理位置计算直接相关,对其进行精确计算十分重要。当前GNSS-R技术逐步向陆地场景拓展,已有几何计算方法难以满足多场景(海洋、陆地、冰川等)应用的需求。针对此,本文提出了一种顾及地球曲率和椭球高的几何计算方法。该方法同时也集成了一种镜面点初始估计模型,在不同轨道高度(300~900 km)和观测几何条件下,初始估计误差精度可降低至5 km以内。本文方法可基于WGS-84椭球面和顾及反射面椭球高精确计算镜面反射点,精度可控在1 mm以内,计算效率相比已有方法有显著提升,可对未来考虑地形高度的高效计算需求提供借鉴。本文方法通过变换迭代方程可进行反射信号的几何路径计算,实现从反射信号延迟观测到镜面反射点和椭球高的一体解算。与已有方法相比,本文方法考虑了地球曲率及反射点随椭球高度变化的空间偏移误差,可避免测高应用中测量值定位不准确的问题。

对流层延迟模型的残差包络建模

符运日, 杨玲, 沈云中, 李博峰

2023, 52(6): 895-903. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220231

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全球导航卫星系统(GNSS)的信号在穿过对流层时会产生延迟,通常使用经验模型对其进行修正。为确保定位结果安全可信,需建立经模型改正后的对流延迟残余误差的包络模型,用于位置服务的完好性监测。航空无线电技术委员会(radio technical committee for aeronautics,RTCA)推荐航空中使用0.12 m作为天顶对流层延迟残差的包络标准差。这一常值设定忽略了对流层延迟残余误差的地理和季节性变化,一定程度上降低了GNSS在涉及生命安全(safety of life,SoL)应用中的连续性和可用性。本文同时考虑经模型改正后的对流层延迟残余误差的地理和季节性变化,利用极值分析法建立了这些残余误差的包络模型。首先,将2000—2017年间共18 a的对流层延迟残差以10°为一带分纬度带进行日标准化,以提取对流层延迟残差的季节性变化信息;然后,用广义极值(general extreme value,GEV)分布分别拟合标准化残差和原始残差日均值的年最大、最小值,进而计算在10^-7概率水平下的残差限值;最后,将残差限值转化为包络标准差。本文分别建立了GPT2w、UNB3和Saastamoinen模型的残差包络模型,并利用IGS对流层天顶总延迟(total zenith path delay,ZPD)产品验证了包络模型的有效性。试验结果表明,建立的残差包络模型是保守且可用的,对于UNB3模型,所计算的包络标准差变化区间为0.05~0.12 m,相较于MOPS规定的0.12 m常值,降幅达4.1%~57%,有效提高了GNSS服务在SoL应用中的连续性和可用性;对于GPT2w和Saastamoinen模型而言,其残差的包络标准差分别在0.03~0.08 m和0.06~0.14 m区间内。

FY-4A GIIRS数据与ERA5再分析资料融合的中国区域大气加权平均温度模型

王新志, 陈发源

2023, 52(6): 904-916. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210717

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大气加权平均温度(T_m)的精度直接影响全球导航卫星系统(GNSS)水汽反演的结果。针对现有T_m模型的参数、建模数据源有待优化及模型构建时仅依赖于单个探空站点或单一格网点数据等问题,本文提出融合FY-4A GIIRS数据与ERA5再分析资料,在此基础上引入滑动窗口算法对融合数据进行处理同时顾及经度、纬度和高程因子构建空间分辨率为0.5°×0.5°的T_m经验模型(FY-ET_m模型)。采用偏差(Bias)和均方根误差(RMS)作为精度评定指标,联合未参与建模的2020年探空数据、ERA5再分析资料及天顶对流层延迟产品,对FY-ET_m模型及其反演的大气可降水量进行精度评定。结果表明:以探空数据为参考值,FY-ET_m模型的年均Bias、RMS分别为-0.02、5.79 K,相比较于Bevis和GPT3模型分别提高了3.62(Bias)、0.8(RMS)和2.54(Bias)、0.63 K(RMS);以ERA5再分析资料为参考值,FY-ET_m模型的年均Bias、RMS分别为0.01、3.32 K,相比较于Bevis和GPT3模型分别提高了0.97(Bias)、0.13(RMS)和2.94(Bias)、1.71 K(RMS),同精度优异的GPT3模型相比,FY-ET_m模型在中国西部和北部地区也表现出了明显的精度改善;以GNSS站点得到的PWV为参考值,FY-ET_m模型反演的PWV与GNSS站得到的PWV值精度相当,Bias变化范围为-0.5~0.5 mm。FY-ET_m模型准确度高稳定性良好,只需输入位置和时间信息就能获取目标点的T_m,能够在GNSS水汽反演中发挥重要的作用。

双站InSAR和ICESat-2测高相结合的西昆仑山近20年冰川物质平衡变化监测

李涛, 李超, 沈翔, 江利明, 汪汉胜, 李刚, 林珲

2023, 52(6): 917-931. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210213

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山地冰川物质平衡是研究冰川变化的重要参数。自21世纪初,全球气候变暖背景下大部分山地冰川消融加速,而青藏高原西昆仑山冰川却呈现稳定甚至冰量增加趋势,被认为是“喀喇昆仑异常”的中心,但该地区近年来冰量变化是否仍延续正平衡趋势还存在一些争论。因此,本文利用新近发布的ICESat-2卫星测高和TanDEM-X 90m DEM数据,定量估算了2013—2019年间西昆仑山冰川厚度变化和物质平衡,并结合SRTM DEM、冰流速资料和Landsat光学影像分别分析了该地区近20 a冰川物质平衡变化趋势、冰川跃动情况和冰川面积变化。结果表明:①2013—2019年间,西昆仑山大部分冰川仍处于积累或平衡状态,物质积累速率为0.228±0.055 m w.e./a;②近20 a内,冰川整体呈正平衡趋势,但2013—2019年冰川物质年均积累速率大于2000—2013年(0.173±0.014 m w.e./a);③2013年后,冰川跃动仍广泛分布,发现5Y641F0046冰川首次发生跃动,西昆仑冰川东支和5Y641F0073冰川近20 a内一直处于活跃期,中峰冰川由2013年前的活跃状态转为静止且冰量开始增加。

摄影测量学与遥感

高光谱图像稀疏约束与自编码器特征提取相结合的异常检测方法

宋尚真, 杨怡欣, 王会峰, 王晓艳, 荣生辉, 周慧鑫

2023, 52(6): 932-943. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210604

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高光谱图像的异常检测在军事、农业、勘探、防火等领域具有重要的应用价值。传统的高光谱图像异常检测算法未能有效地挖掘图像光谱的深层特征,而深度学习方法具有良好的提取深层特征信息的能力。由于异常检测问题一般无法获取地物先验信息,因此无监督网络相比于监督网络要更为适用。而现有的基于自编码器的异常检测算法没有对局部信息进行有效利用,导致检测效果受限。针对这一问题,本文提出一种基于稀疏表示约束的自编码器深度特征提取方法。首先通过栈式自编码器得到深层次语义信息;然后利用稀疏表示作为约束与编码器进行有效结合,挖掘了潜在隐藏空间中的特征元素的局部表示特性;最后采用分数傅里叶变换,通过空间-频率表示获得原始光谱与其傅里叶变换的中间域中的特征,进一步增强了背景和异常的光谱区分度,且能有效去除噪声的影响。在Hymap、AVIRIS、ROSIS、HYDICE这4种光谱仪采集的5幅高光谱遥感影像上进行了性能验证,得到的曲线下覆盖面积(area under curve,AUC)分别为0.990 5、0.998 3、0.999 0、0.992 8和0.911 0,相比于对比算法都有了不同程度的效果提升。结果表明本文方法具有更好的检测精度。

机载激光测深近水面渗透误差修正的半经验波形分解方法

王丹菂, 徐青, 邢帅, 林雨准, 张国平

2023, 52(6): 944-955. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210603

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信号检测精度是影响机载激光测深最终测量成果的一项关键因素。针对绿激光在水面存在的近水面渗透现象,为提高水面信号检测精度,本文提出一种半经验波形分解方法。该方法通过简化激光辐射传输过程构建一种符合波形实际情况的半经验信号卷积模型,并利用基于航迹和影像数据人工选取的深水波形样本估计模型中水体参数初值及取值范围,在波形先验的约束下基于信赖域算法实现波形各组成部分的精确重构,从而确定水面信号位置并修正近水面渗透误差。试验结果表明,本文方法在波形分解中将理论与经验结合,可较好地适应不同水深下的波形,能够在保证高拟合度的同时提升水面信号的检测精度,相比去卷积算法和传统波形分解方法,本文方法在精度上分别提高了44%和51%。

变形分析中点云虚拟基准的确定方法

孙文潇, 王健, 靳奉祥, 杨以坤

2023, 52(6): 956-965. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210463

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针对传统基于固定点的基准构建方法难以适用于点云整体基准探测的问题,本文提出了基于格网质心稳定性和分布相似性的点云虚拟基准确定方法。首先依据常规变形监测网中基准点的变化模式分析稳定区域和变形区域的点云分布特性,探讨点云虚拟基准的概念及探测原则;然后根据测距、测角和光斑面积引起的点位误差定权,以对应格网最小转动惯量对应轴线向量夹角为准则分析点云分布相似性,并利用平方型M_split相似变换检验对应格网质心的稳定性,从而确定多时相激光点云的参考基准;最后结合地面三维激光扫描技术获取的储罐、滑坡和规则几何体点云验证其可行性。结果表明,结合点云质心稳定性和转动惯量对应转轴向量的相似性可以探测不需要现场布设、更不需要定期维护的点云虚拟基准,为多时相点云坐标统一和变形分析等提供基础。

顾及场景连通性的混合式SfM方法

屈文虎, 刘振东, 蔡昊琳, 张帅哲

2023, 52(6): 966-979. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220448

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SfM方法在三维稀疏重建方面获得了巨大的成功,但面对大规模场景重建问题时,该方法仍面临着严重的挑战。针对现有混合式SfM方法场景划分影像分布松散、子簇扩展效率低,以及子簇合并稳健性差等问题,本文提出一种顾及场景连通性的混合式SfM方法。首先,提出一种基于归一化割的多因子联合场景划分算法,有效地解决了场景划分后子簇内影像空间分布松散的问题;其次,提出一种顾及分区连通性的子簇均衡扩展算法,提高了扩展的效率及子簇间的连通程度;然后,通过在局部重建阶段引入质检及二次重建机制,消除了局部重建质量不合格子簇对合并的影响,并提出一种顾及簇间连通性的子簇合并算法,实现子簇间的稳健合并;最后,利用多组公开数据集和多视倾斜摄影数据集进行试验验证。结果表明:本文方法在稳健性和效率等方面均优于目前先进的方法,具有较好的可行性和先进性。

改进U-Net的遥感图像语义分割方法

胡功明, 杨春成, 徐立, 尚海滨, 王泽凡, 秦志龙

2023, 52(6): 980-989. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210684

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利用深度神经网络进行遥感影像语义分割是遥感智能解译的一个重要内容,在城市规划、灾害评估及农业生产等领域具有十分重要的作用。高分辨率遥感影像具有背景复杂、尺度多样及形状不规则等特点,使用自然场景语义分割方法处理遥感图像往往存在分割精度低的问题。针对上述情况,本文在U-Net模型基础上,提出了一种多尺度跳跃连接方法来融合不同层次的语义特征,获取准确的分割边界与位置信息;引入注意力机制和金字塔池化解决复杂背景下的精细分割问题。为了验证本文方法的有效性,在WHDLD和LandCover.ai数据集上进行试验,并与主流语义分割方法进行对比。试验结果表明,本文方法的mIoU分别达到74.28%和82.04%,F₁均值达到84.47%和89.76%,均优于其他对比方法;相比于U-Net的分割结果,IoU在建筑物、道路等占比较少的类别上提升明显,且优于其他对比方法。

神经网络学习与灰度信息结合的跨视角影像线特征匹配算法

宋佳璇, 范大昭, 董杨, 纪松, 李东子

2023, 52(6): 990-999. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220468

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跨视角影像几何形变大,同名线段单侧邻域易产生明显差异,传统线特征匹配算法难以获得可靠线对。为此,本文提出了一种针对跨视角影像的神经网络学习与灰度信息结合的线特征匹配算法。首先,获取影像的像素级方向梯度直方图特征,并结合神经网络融合影像灰度信息形成特征描述格网;然后,在线段上提取离散点,根据离散点单侧特征描述格网信息计算点的单侧描述,采用深度学习方法聚合点单侧描述符形成线的单侧抽象表达;最后,利用已知同名点约束匹配区域进行分组匹配,通过比较线对拓扑一致性进行匹配结果核验,得到最终匹配线对。选取多组具有代表性的异源跨视角影像公开数据进行线匹配试验,并与主流线匹配算法进行对比分析。结果表明,本文算法能够针对内容差异明显的异源跨视角影像,获取分布均匀且正确率较高的匹配线对,实现跨视角影像线特征的稳健匹配。

地图学与地理信息

顾及轨迹密度分布异质性的道路交叉口提取方法

邓敏, 罗斌, 唐建波, 姚志鹏, 刘国平, 温翔, 胡润波, 柴华, 胡文柯

2023, 52(6): 1000-1009. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210173

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车辆轨迹大数据为道路网生成与更新、道路状态信息感知提供了新机遇,从轨迹数据中准确提取道路交叉口是基于车辆轨迹数据构建精细化道路网地图的关键步骤。当前已有学者根据轨迹点的转向、速度变化等特征,基于空间聚类提出了一些道路交叉口识别的经典方法,但由于轨迹数据密度分布的异质性、噪声干扰及最优聚类参数设置等问题,从不同采样频率、分布密度的轨迹数据中提取不同大小、形态的交叉口仍是一个挑战。为此,本文首先针对轨迹密度的空间分布异质性提出基于层次划分的轨迹栅格化策略,进而从视觉角度出发,提出一种基于“转换-分割-优化”全流程的道路交叉口层次提取方法。通过对不同采样频率的真实轨迹数据进行试验分析,验证了本文方法对低频轨迹数据中道路交叉口提取的准确度与有效性,识别结果优于现有代表性方法。

顾及形态差异的TIN-DDM地形复杂度度量方法

季宏超, 董箭, 李树军, 张志强, 唐露露

2023, 52(6): 1010-1021. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220074

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地形复杂度是海底地形形态研究领域的一个综合性参数,合理构建TCI计算模型是实现度量DDM表面地形形态变化的重要环节之一。目前TIN-DDM地形复杂度度量方法所建立的TCI计算模型,均无法较好地以采样点TCI值比较的方式反映出其所在不同地形单元间形态变化特征的差异。针对此问题,本文提出了一种充分顾及形态差异的TIN-DDM地形复杂度度量方法。该方法在分析滚动球变换原理的基础上,阐明了TIN-DDM在滚动球变换过程中采样点的深度变化与其TCI的关联性,分析了最佳滚动球半径的选取原则,构建了采样点TCI计算模型并进行优化处理,最后通过TCI内插复杂场的方式实现了TIN-DDM地形复杂度的有效度量。试验结果表明,本文方法具有良好的地形复杂度度量效果,所构建的TCI计算模型可较好区分采样点所表达局部地形形态的差异,且相对于对比方法,依据本文方法TCI重构的DDM具有更高的精度。

兼顾要素正确分类及精准定位的栅格海图水深注记自动提取方法

马梦锴, 董箭, 唐露露, 彭认灿, 周寅飞, 王芳

2023, 52(6): 1022-1036. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220258

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针对当前水深注记自动提取实现困难、精度不高及效率过低等问题,将卷积神经网络(convolutional neural networks,CNN)模型应用于水深注记的自动识别,结合水深注记空间分布及几何特性对传统模式识别算法进行了改进,提出了一种兼顾要素正确分类及精准定位的栅格海图水深注记自动提取方法。通过对海图切片邻域的定量扩张,建立了顾及要素完整性的海图自适应切分模型,克服了CNN模型应用于大幅面海图要素识别的局限性;结合预测框角点位置的空间关系分析及评估,设计了面向空域冲突的要素唯一性判定原则,解决了邻域扩张引起的水深注记重复识别问题;在此基础上,进一步论证了水深注记主点位置的空间分布规律,建立了考虑要素几何分布特征的连通域分析改进模型,实现了水深注记的精准定位及数值提取。试验结果表明:①本文方法较好地实现了水深注记的自动提取,在CNN模型实现水深注记分类及粗定位过程中,具有较高的查全率和分类查准率。同时,最终水深注记数值提取结果正确率较高,且主点位置能满足水深注记提取的特殊要求。②通过多种CNN模型应用于本文自动提取模型中的对比试验,对比不同CNN模型在本文自动提取模型中的效能,分析并给出CNN模型采用的建议。同时,选取表现较好的CNN模型,作为本文模型采用的CNN模型与传统模式识别方法做对比,根据处理时间和查准、查全率结果,证明本文方法具有较高的识别准确率和效率。

博士论文摘要

基于GNSS和再分析资料的ZTD/PWV精度评定与模型构建方法研究

王帅民

2023, 52(6): 1037-1037. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210594

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基于SAR技术的电离层反演及其应用研究

李冰

2023, 52(6): 1038-1038. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210598

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