测绘学报

当期目录

2023年第52卷第8期刊出日期：2023-08-20

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大地测量学与导航

融合VMD和XGBoost算法的GNSS高程时间序列预测方法

鲁铁定, 李祯, 贺小星, 周世健

2023, 52(8): 1235-1244. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220052

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针对传统GNSS高程时间序列预测模式存在特征选取不完善、稳定性差等问题,本文提出了一种融合VMD和XGBoost算法的预测模型。该模型通过多个VMD子模型得到重构信号,再将其作为特征输入XGBoost模型中进行原始时间序列的预测。为了验证预测模型的性能,试验选取4个观测站高程时间序列数据进行预测试验,试验结果表明,VMD模型能够准确地提取特征信息。与VMD-CNN-LSTM模型相比,VMD-XGBoost模型预测结果的MAE值降低了19.74%~35.90%,RMSE值降低了22.22%~31.14%,预测结果具有更高的稳定性且与原始时间序列呈较强相关性,可以较好地预测出目标时间序列。因此,该预测模型可应用于GNSS高程时间序列预测。

GNSS连续观测站构造运动变化特征自适应提取方法

苏小宁, 石睿娟, 鲍庆华, 朱庆, 孟国杰, 闫浩文

2023, 52(8): 1245-1254. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220675

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随着GNSS连续观测站数据积累时长和空间密度的不断增加,坐标时间序列呈现出随时间变化的构造运动变化信息,因此基于现有函数模型对坐标时间序列建模已不具备普遍适用性。本文提出一种GNSS坐标时间序列中构造运动变化特征的自适应提取方法,以获取构造运动随时间变化特征。首先,构建表征GNSS坐标时间序列中构造运动随时间变化的改进函数模型,引入基于贝叶斯框架的马尔可夫链·蒙特卡洛算法自适应求解模型参数最优解及其误差;然后,试验模拟不同噪声水平和不同分段线性速率差值的坐标时间序列,分析函数模型中线性速率和时间节点参数的精度,结果表明在当前GNSS单日解水平分量定位精度下,水平分量线性速率精度为0.1 mm/a,可分辨出0.4 mm/a及以上随时间变化的差异性构造运动,时间节点的精度与分段线性速率差异值有关,差异值为0.4 mm/a时其精度为1.0 a;最后,利用青藏高原东北隅GNSS连续站观测数据对本文方法有效性进行验证,并在青藏高原东北隅最前沿区域提取出始于2017年东北向运动减缓的趋势性构造运动变化特征。

基于多频段重力扰动的惯性导航系统重力补偿方法研究

张盼盼, 武凛, 鲍李峰, 李倩倩, 刘会, 席梦寒, 王勇

2023, 52(8): 1255-1267. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220053

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重力扰动补偿技术是进一步提升高精度惯性导航系统定位精度的一种重要手段。本文针对重力扰动对高精度惯性导航系统的影响,深入分析重力扰动影响惯性导航系统的误差特征与频率特征,通过将多频段重力扰动引入惯性导航解算,对采用多频段重力扰动实现惯性导航系统重力补偿的方法进行了研究。研究表明,水平重力扰动在惯导输出中可造成舒勒振荡变化的导航误差,且误差振幅与重力扰动的大小成正比。北向或东向的重力扰动分量除了引起纬度/经度方向的速度和位置误差外,也可通过水平通道间的交叉耦合效应引起经纬度另一方向的速度和位置误差。特别对于低速运行的水下载体,水平重力扰动的高频信号对惯性导航系统的位置影响更为显著。为补偿水平重力扰动引起的惯性导航误差,提出基于重力场模型联合剩余地形模型技术确定多频段重力扰动的重力补偿方法,可有效恢复重力扰动的高频信号。通过开展船载和陆地车载动态试验,验证了该重力补偿方法的有效性,该补偿方法能减弱惯性导航的误差振荡趋势,经过补偿后的车载和船载双轴旋转调制惯性导航系统位置定位精度最大分别提高了约13.2%和17.9%。

顾及水声误差的UUVs协同定位构型设计及分析

杜祯强, 柴洪洲, 向民志, 章繁, 惠俊

2023, 52(8): 1268-1277. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210597

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由于水介质的特殊性及水下的弱通信条件,水下无人航行器编队构型的优劣直接影响着协同定位的精度。针对传统UUVs构型设计方法未考虑水声声线弯曲和声速变化误差,且忽略了UUV之间距离变化引起的入射角差异的问题,本文提出了顾及水声误差的UUVs协同定位模型,通过引入平面位置精度衰减因子的概念分析UUVs最优编队构型。选取了位于日本南海海槽的实测数据作为水下真实声速场,分析了5种UUVs编队构型在不同深度下的协同定位精度,指出了UUVs水平距离和水深的比值与协同定位结果的关系。试验结果表明,传统方法在UUVs分离角为90°时达到最优构型,考虑到水声测距误差后,UUVs分离角在25°~30°达到最优。UUVs水平距离与水深的比值越大时,协同定位精度越高。考虑到波束入射角的限制,推荐在1.5~2.0倍比值,即55°~63°的波束入射角为最优构型。较之传统构型设计方法,顾及水声误差的编队构型使得UUVs协同定位精度平均提升24.3%。

基于抗差因子图的AUV多源信息融合定位方法

黄紫如, 柴洪洲, 向民志, 杜祯强

2023, 52(8): 1278-1285. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210735

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面向AUV搭载的传感器信息频率不一致与有效性易动态改变的情况,因子图算法相较于扩展Kalman滤波算法表现出更好的稳定性、灵活性与扩展性。本文首先比较了FGO与EKF算法分别应用于AUV多传感器信息融合定位的性能,再针对复杂水下环境中,传感器的异常观测值影响FGO算法定位精度的问题,提出了一种基于抗差因子图的AUV多源信息融合定位方法,利用动态协方差缩放策略对粗差因子进行降权处理,在海测数据的基础上模拟观测粗差进行算法验证。分别采用普通FGO算法、基于DCS的抗差FGO算法对受到粗差干扰后的数据进行解算。统计结果表明,相较于不进行抗差处理,该算法降低了14.6%的平面位置误差,对异常观测具有良好的稳健性能。

粒子群优化卷积神经网络GNSS-IR土壤湿度反演方法

何佳星, 郑南山, 丁锐, 张克非, 陈天悦

2023, 52(8): 1286-1297. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220277

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全球卫星导航系统干涉测量法(GNSS-interferometric reflectometry,GNSS-IR)是一种新兴对地观测遥感技术,利用该方法能实现土壤湿度监测,具有很高的应用潜力。针对土壤湿度反演的建模问题,本文构建一种集成粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)和卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的GNSS-IR土壤湿度反演模型,将多颗GPS卫星两个频点信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)观测数据提取的特征参数作为模型输入,通过粒子群算法求解卷积神经网络超参数,对模型进行优化实现高精度反演。以P041站点为例详细描述了模型建立过程,本文方法的均方根误差为0.015 0,相较于基于单星线性、多星线性、未优化CNN和BP神经网络模型分别降低约60%、27%、31%和21%;并通过位于不同地理环境的COPR、P183、P341站点验证模型的可靠性和适用性。试验结果表明,融合多源观测数据建立PSO优化CNN的GNSS-IR土壤湿度反演模型,能有效反演土壤湿度,一定程度上抑制了不同下垫面环境的影响,具有较强的适用性。

北斗多频观测最小噪声系数组合法

元荣, 谢胜利, 高峰, 李珍妮, 黄汉军

2023, 52(8): 1298-1304. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220467

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在卫星高精度定位中,采用多频观测量组合可以构建长波长、无电离层延迟、无几何距离等组合,有效解决定位过程中的载波相位模糊度、电离层延迟、周跳等问题。本文在多频实系数组合方面,提出一种多频最小噪声系数组合方法,以组合后噪声系数最小为基本原则,并根据电离层延迟的影响分析了忽略电离层延迟和综合电离层延迟的组合。在多频最小噪声系数组合过程中,采用的频点个数越多,组合后的观测量精度越高。忽略电离层延迟组合主要考虑观测噪声的影响,北斗双频、三频、四频、五频、六频的最优组合相比于单频观测量,理论观测量精度分别提升了40%、53%、58%、62%、64%;综合电离层延迟组合兼顾电离层延迟和噪声系数的影响,通过适当放大噪声系数来降低电离层系数。在实际接收的观测量验证时,最小噪声系数组合的观测量精度提升效果与理论分析的变化趋势基本一致,采用实际数据进行北斗PPP定位分析,结果表明,双频最小噪声系数的定位精度略优于非差非组合。

摄影测量学与遥感

多视角翻转拍摄物体的完整三维重建

雷臻, 张帆, 向瀚宇, 杨冲, 黄先锋

2023, 52(8): 1305-1316. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220439

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为解决近景摄影测量中物体翻转拍摄导致的前后景图像不一致而引起的空三解算失败、物体模型变形、破损、背景干扰等问题,本文提出了一种基于物体翻转判断和影像分组的完整三维重建方法,讨论了旋转单位四元数的分布模式与物体翻转的关联性,并以此实现了影像分组。基于分组结果,利用同名点匹配的几何一致性约束去除影像中背景部分的干扰,对物体区域进行重建,得到了准确的空三结果和完整的网格模型。试验表明,本文方法能有效地提升相对于背景发生翻转变化的物体三维模型重建的完整性和准确性,具有显著效果。

结合测地距离场与曲线平滑的遥感图像道路中心线快速提取

连仁包, 张振敏, 廖一鹏, 邹长忠, 黄立勤

2023, 52(8): 1317-1329. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220002

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从高分辨遥感图像中快速提取道路信息在地图绘制、城市规划和更新GIS数据库等方面至关重要,半自动道路提取作为道路测绘内业的主要方式,是一项劳动密集型工作。为了降低人工介入代价,提高工作效率,本文提出了一种基于测地距离场的道路中心线快速提取算法。首先,利用最佳圆形模板算法,自动估计道路宽度的同时将人工种子调整到道路中心;然后,为了定位道路中心线,提出基于道路显著图的柔性道路中心核密度估计算法,克服了传统道路中心核密度估计中道路分割阈值预设困难的问题;本文提出快速生成测地距离场算法,可快速跟踪种子之间的测地线,大大提高了道路中心线提取的效率;最后对测地线坐标进行均值滤波平滑,获得了光滑的道路中心线。大量的试验和对比数据表明,本文算法能够在保证精度的前提下快速提取道路中心线,大幅降低人工介入代价,提高道路提取的工作效率;值得强调的是,本文算法在图像分辨率固定的前提下,提取任意长度道路中心线的耗时近乎相同,且无须设置超参数,具有较好的人机交互体验。

利用车载GNSS轨迹大数据的U-Turn道路结构信息获取方法

王梓豪, 唐炉亮, 杨雪, 戴领, 李朝奎

2023, 52(8): 1330-1341. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220063

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随着智慧交通和精细化导航技术的迅速发展,人们对道路地图要素的覆盖度、精准度、丰富度与新鲜度需求越来越高,而U-Turn作为城市路网连通关系的重要因素,成为道路地图更新的重要内容之一。现有专业道路测绘模式对U-Turn数据存在采集成本高、更新周期长、数据处理繁等问题,导致U-Turn数据无法满足智慧交通导航需求。本文采用车载GNSS轨迹大数据,提出了一种U-Turn道路结构信息获取方法。首先通过轨迹跟踪提取车辆掉头点对与行为;然后利用DBSCAN聚类算法提取U-Turn掉头类簇;再依据U-Turn流量占比等特征构建支持向量机二分模型,自适应剔除违规掉头类簇,并区分出U-Turn结构有无通行时间限制;最后根据掉头类簇在道路结构中的分布特征,识别U-Turn位置与空间结构。试验以武汉市滴滴网约车GNSS轨迹,对江汉区183个路段采用本文方法进行探测,U-Turn结构信息识别召回率为88.3%,精确率为87.6%,位置识别的横向和纵向精度分别为3.40 m和5.90 m,试验结果表明本文方法可以有效地从车载GNSS轨迹数据中获取U-Turn的位置与结构类型,为U-Turn数据获取提供了周期短、成本低的有效解决方案。

机载LiDAR监测黄土高原土壤侵蚀的能力评估

李朋飞, 李豆, 胡晋飞, 姚顽强, 臧宇哲

2023, 52(8): 1342-1354. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210698

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黄土高原土壤侵蚀严重、地形破碎复杂。受限于监测技术,以往侵蚀研究多基于径流小区开展,流域尺度的土壤侵蚀定量研究较少。机载激光雷达(LiDAR)技术为黄土高原流域尺度的土壤侵蚀高效监测提供了可能,然而其监测复杂地形变化的不确定性有待考究,导致其监测土壤侵蚀的能力缺乏深入研究。鉴于此,本文以黄土高塬沟壑区董庄沟流域内典型坡沟系统为研究区,连续获取地形无变化时段内4架次无人机LiDAR点云并生成DEM。在此基础上,定量评估了不同架次DEM求差(DoD)不确定性的空间分布特征;对比分析了DoD不确定性量级(即DoD不确定性绝对值,DoD_ua)与文献中不同类型土壤侵蚀所致地形变化量,初步确定机载LiDAR监测土壤侵蚀的能力。结果表明:①不同架次间DoD不确定性差异不显著,且整体空间分布和量级相近,仅局部存在明显差异;②梁峁坡区域DoD_ua为0.023~0.034 m,明显小于沟谷坡区域的0.057~0.077 m,切沟DoD不确定性的极值大多位于切沟的陡峭沟壁。DoD_ua越大,面积占比越小,其中0.05 m以下占比超40%,大于0.3 m占比小于7%;③基于无人机LiDAR点云,采用DoD方法可监测场次暴雨引起的切沟和冲沟侵蚀、浅层滑坡和中/深层滑坡,有可能监测到浅沟侵蚀,但不适合用于监测细沟侵蚀。结果可为复杂地形区域流域尺度土壤侵蚀高效监测和机理研究提供参考。

地图学与地理信息

基于知识图谱的直线型建筑物模式识别方法

魏智威, 肖屹, 童莹, 许文嘉, 王洋

2023, 52(8): 1355-1363. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220121

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建筑物空间分布模式是物质和社会经济功能等综合作用于地域形成的重要空间结构,以往研究多基于图同构方法利用规则识别分布模式,识别效率不高。知识图谱利用图模型表达实体和实体间关系,并支持高效推理获取图谱中特定子图模式。因此,本文试图结合知识图谱高效识别直线型建筑物模式。首先,利用属性图数据模型构建表达建筑物间邻近、相似和沿直线排列空间关系的知识图谱;其次,将直线排列识别的结构化规则表达为知识图谱推理的规则,基于规则推理识别直线模式。试验结果表明,本文方法能实现和已有方法相同的准确率和召回率,在包含1286个建筑物的数据集上识别效率能提高5.98倍。

河流要素比例尺变化与中位数Hausdorff距离的关系

张鑫港, 闫浩文

2023, 52(8): 1364-1374. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210573

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地图综合本质上是一种相似变换过程,针对该变换过程的定量化分析具有重要实践意义。本文通过大批量样本统计的方式,获得了河流要素比例尺变化与中位数Hausdorff距离之间的普适函数规律。首先,在1∶1万矢量河流数据库中随机选择河流样本,并经由制图员手工化简构建多尺度河流要素数据集。然后,采用中位数Hausdorff距离测度河流要素的多尺度相似性,并探究了中位数Hausdorff距离随比例尺变化的定量函数关系。最后,给出了将上述函数关系应用于地图综合过程控制的初步探索,实现了BS 算法、DP算法及WA (weighted-area)算法的阈值自动确定。试验结果表明,本文所提出的函数关系具有较强的普适性,可以较好地指导已有半自动综合算法的全自动化。

语义信息与地理配准相结合的实例目标定位

吕可枫, 张永生, 于英, 闵杰

2023, 52(8): 1375-1386. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220008

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随着地理空间科学的迅速发展,面向地理空间智能感知应用的研究日益增多。本文以三维模型为先验数据,提出了一种基于语义信息和地理配准的实例目标智能感知与定位的方法。首先,使用载体上搭载的GNSS和IMU(inertial measurement unit)获取传感器的位姿,并利用初始位姿从先验的三维模型实时渲染图像,同时用深度相机获取当前帧的真实场景图像;其次,对真实图像和渲染图像进行全景分割,使用语义分割结果对两幅图进行匹配,获取匹配点对;然后,使用匹配点信息得到两个图像的运动关系,并根据运动参数和三维模型的地理坐标信息对传感器位姿进行优化;最后,使用更新后的传感器位姿、实例分割结果及对应深度信息对目标进行感知和定位。针对不同类型三维模型,使用不同类型图像数据进行了测试,并与多种匹配算法进行了对比,结果表明本文算法能够提高匹配准确率和定位精度,并能有效对目标进行感知和定位。

地理实体与重叠空间关系联合抽取的改进CasRel模型法

蒋萌, 杨春成, 尚海滨, 秦志龙, 王泽凡

2023, 52(8): 1387-1397. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210722

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地理空间文本中蕴含丰富的位置信息,这些信息对地理实体的定位提供重要支撑,地理实体和空间关系抽取是位置信息获取的关键。针对地理空间关系语料库构建问题,本文从《中国大百科全书地理分册》中以包含空间关系的句子为单位,通过标注句中空间关系,完成地理空间关系语料库的构建。针对管道式(pipeline)关系抽取模型忽略了地理实体与空间关系之间的相关性问题,本文采用融合ERNIE(enhanced representation through knowledge integration)预训练模型和BAB(BiLSTM+self-attention mechanism+BiLSTM)模块改进CasRel模型实现地理实体与空间关系的联合抽取,并通过级联标注的方式解决地理空间文本中重叠空间关系的抽取。试验表明,在DuIE数据集和本文构建的地理空间关系语料库上,相较于CasRel联合抽取模型,本文模型的F₁值分别提升了4.81%和1.97%,并有效地提升重叠空间关系的抽取效果。

文本中空间信息的结构化建模与语义定位

王大力, 童晓冲, 孟丽, 雷毅, 郭从洲, 张有为

2023, 52(8): 1398-1410. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220066

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互联网上存在大量包含空间信息的文本,本文针对此类文本中描述事件位置的空间语义建模方法不统一、模糊处理方法不恰当等问题,利用方形离散格网建立结构化语义表达模型,使用统一的形式对方向、距离、拓扑3类基本语义及其组合形成的复杂语义进行表达,并使用卷积方法定量化空间语义中的模糊概念,将不确定的语义描述投影到地理空间,最终通过多句空间语义确定事件发生的地理位置。试验表明:①结构化语义表达模型能适用于包含多种空间关系的语义,在多语义联合建模求并时能确定未知事件发生的地理范围;②语义定位的可信度与语义类型、参考实体类型、参考实体数量及正确语义占比等因素有关,当参考实体数量较多时,能在正确语义数量小于错误语义数量的情况下确定事件发生的地理位置范围。

博士论文摘要

视频运动分割关键技术及其应用研究

赵茜

2023, 52(8): 1411-1411. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210702

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视觉自主导航及融合导航技术研究

陈宇

2023, 52(8): 1412-1412. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220025

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