测绘学报

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2023年第52卷第11期刊出日期：2023-11-20

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综述

影像大地测量学发展现状与趋势

李振洪, 朱武, 余琛, 张勤, 杨元喜

2023, 52(11): 1805-1834. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20230003

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随着遥感卫星系统的逐渐增多,影像为研究地球形状和大小等大地测量参数提供了更高精度、更高分辨率的数据支持,推动了大地测量学科的发展,也衍生出影像大地测量学(Imaging Geodesy)。影像大地测量学是大地测量、遥感科学、数字摄影测量、计算机视觉等学科的交叉融合,在减灾防灾、环境保护和新能源开发利用等领域发挥了重要作用。本文梳理了其发展历程、定义内涵、关键技术、研究内容和发展趋势5方面的内容。基于遥感卫星系统和影像处理技术的发展历程,本文将影像大地测量学的发展划分为起步萌芽、初期飞跃、深度创新和全面应用4个阶段。顾及研究对象空间位置的不同,影像大地测量学的主要研究内容包括地球大气环境观测与反演、地球表面环境监测与演化以及地球内部物理结构与动力学反演。引入数字高程模型反演、大气水汽监测、活动滑坡探测与监测、地震周期研究以及土壤湿度监测等应用案例,分析了影像大地测量学的现代应用。最后,提出多源海量影像的融合和近实时化处理是目前影像大地测量学面临的主要挑战。本文研究将有助于大地测量学者对影像大地测量学内涵的了解和认识,进而更好地应用于教学和科研工作中,以及服务国家重大战略和工程建设。

大地测量学与导航

邻近海底基准站坐标时序联合处理模型

孙悦, 薛树强, 韩保民, 肖圳

2023, 52(11): 1835-1843. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220203

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海底基准站复测观测可用于海底构造和海底地震等灾害研究。然而,受观测条件和供电等因素影响,难以实现长时间不间断观测。为解决时间序列观测中新旧海底基准站替换位移补偿和站点偏移量计算问题,可采用中心点法求取相对于海底基准站网的虚拟中心点坐标的位移量,进而构造海底基准坐标时序,以监测海底构造运动。针对相同的问题,本文借鉴地球参考框架维持方式,直接利用可能存在间断的海底基准站网时序观测数据,提出了基于参考协议历元的海底基准坐标时序多站联合处理模型,即在一个区域基准站网内,各站点坐标作为局部参数,而站速度作为公共参数。本文方法适合于海底参考框架的建立与动态维持,利于对区域网内各站点坐标时序实施精细质量控制。结果表明,本文方法可以代替中心点法,且抗差估计结果更为可靠,与中心点法确定的海底基准站年速度估计之间的差值平均为3 mm/a,可为国家海底空间基准维持提供一种途径。

局域重力场球冠谐建模与联邦滤波相结合的重力匹配导航算法

黄炎, 李姗姗, 李新星, 宋星光, 范雕, 万宏发

2023, 52(11): 1844-1857. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220609

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本文提出一种基于联邦Kalman滤波器(federated Kalman filter,FKF)和局部重力场球冠谐分析(spherical cap harmonic analysis,SCHA)建模的水下重力匹配导航方法。首先基于适定边值问题构建FKF子系统滤波器的重力梯度复数组合观测量;然后采用改进球谐分析技术(adjusted spherical harmonic analysis,ASHA)优化局部重力场球冠谐建模方法,快速建立以匹配点为中心的局部海洋重力场与空间位置之间较为准确的移动窗口球冠谐模型,并依据该模型组建子滤波器量测方程;最后利用预测残差向量设计自适应信息分配因子将各子滤波器状态估值及协方差进行融合得到惯导位置误差最优估计量。试验结果表明:采用SCHA建模的重力FKF匹配算法24 h航行导航定位误差保持在1.1 n mile以内,导航定位精度提高85%以上;10 d长时间航行导航定位精度提高了88.7%。本文算法能够在一定程度上克服惯性导航系统由于时间推移误差积累的缺陷,提高系统导航定位精度,增加匹配算法的稳健性。

GRACE Level-2数据的RTS状态平滑

凤勇, 常国宾, 钱妮佳, 魏征强, 宦越洋, 杨一帆

2023, 52(11): 1858-1872. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220656

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GRACE Level-2球谐系数反演得到的全球地表质量变化存在明显的南北条带噪声,严重影响区域地表质量异常估计的精度。DDK滤波引入信号协方差矩阵和正则化因子,能较好地削弱条带误差,同时保留更多的真实信号。采用状态空间模型表示球谐系数在相邻月份之间的联系,进而通过卡尔曼滤波实现去条带,即为状态空间DDK滤波方法(SS-DDK)。本文提出的SS-DDK方法状态向量只包含球谐系数,反映条带误差统计信息的协方差矩阵被用作状态空间模型中观测噪声协方差矩阵,采用幂律模型设计过程噪声协方差矩阵,通过迭代法求解方差分量因子,最后输出RTS平滑解代替卡尔曼滤波解作为最终数据处理结果。结果表明,在全球范围内,SS-DDK结果不存在明显的条带误差;计算各约束解与mascon解质量异常差异的均方根(RMSD),SS-DDK的RMSD为10.36 cm,小于任意一种DDK滤波。对比五大区域135个月所有约束解的等效水柱高、年振幅及RMSD发现,在格陵兰岛,SS-DDK所导致的信号失真更少,仅为49.8 cm;在其他区域,SS-DDK的去条带和保留信号的能力与DDK3—5滤波有不同程度的相似,在某些时段优于所有DDK滤波。对估计结果进行不确定性分析,SS-DDK解全球的不确定性大小为2.20 cm,其在所选区域的不确定性大小介于DDK2和DDK3之间。对比大地水准面阶误差的结果说明,SS-DDK解的噪声水平低于DDK4—8,保留信号能力与DDK2—3相当。增添仿真试验进一步说明SS-DDK在去条带和保留信号方面具有较好的性能。

膨胀土边坡GNSS实时监测技术

黄观文, 陈孜, 徐永福

2023, 52(11): 1873-1882. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220562

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膨胀土滑坡因其广泛性、破碎性、反复性、隐蔽性等特征,对工程危害严重。对其开展长期实时变形监测是实现膨胀土灾害防控的前提。在第一代膨胀土边坡GNSS监测技术试验的基础上,进行了两项改进:①设计了分层式GNSS/全站仪一体化监测装置,实现了膨胀土土质边坡分层式实时监测。②提出了综合多源参数的膨胀土边坡GNSS实时监测技术,提升了实时变形监测结果的可靠性和精度。相关技术和设备在广西宁明膨胀土公路边坡中进行了示范应用,分析了GNSS形变与多源监测数据的动态响应特征及诱滑原因,成功监测到一起膨胀土滑坡,研究成果具有可复制性和推广性。

GNSS/GRACE/GRACE-FO/气象数据结合反演干旱指数

姚朝龙, 陈涌鑫, 罗志才, 李琼, 叶雪淼, 温进杰

2023, 52(11): 1883-1891. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220484

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构建融合多源数据的综合干旱指数对准确、客观、全面监测与评价干旱具有重要意义。本文利用主成分分析方法,将基于GNSS测站垂向形变和GRACE/GRACE Follow-On(GRACE-FO)重力卫星数据的单一水文干旱指数与我国常用的综合干旱指数(CI)进行融合,在西南地区构建反映水文气象要素的新型综合干旱指数(CDI)。结果表明,相比于CI和基于GNSS、GRACE/GRACE-FO数据的单一干旱指数,CDI指数与改进的帕默尔干旱指数(scPDSI)的相关性均有较大提升,最大相关系数达到0.84,相关系数提高的站点数占比分别达到100%、93%和67%,所有站点相关系数的平均值从0.48、0.34、0.57提高到0.64,表明本文构建的CDI指数能有效融合多源数据包含的干旱信息,提升区域干旱监测的效果。

摄影测量学与遥感

结合改进Laplacian能量和参数自适应双通道ULPCNN的遥感影像融合方法

龚循强, 侯昭阳, 吕开云, 鲁铁定, 夏元平, 李威俊

2023, 52(11): 1892-1905. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220541

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融合SAR影像的后向散射信息和光学影像的光谱信息是提高土地覆盖分类精度的重要手段之一,其中多尺度变换是一种有效的融合方法。然而,多尺度变换方法的融合规则通常根据局部特征信息和脉冲耦合神经网络模型进行设计,存在结构信息和细节信息提取能力有限,以及脉冲耦合神经网络参数设置复杂和空间相关性差等问题。为此,本文提出一种结合改进Laplacian能量和参数自适应双通道单位连接脉冲耦合神经网络(ULPCNN)的遥感影像融合方法。该方法混合成分替换方法和多尺度变换方法,首先对多光谱影像进行IHS变换得到亮度分量I,将亮度分量I与SAR影像通过非下采样剪切波变换(NSST)分解得到高低频子带。然后对低频子带采用结合加权局部能量和八邻域修正拉普拉斯加权和的融合规则,同时对高频子带采用参数自适应双通道ULPCNN的融合规则,将高频子带的多尺度形态梯度作为链接强度,并根据OTSU阈值和影像强度来实现其他参数的自适应表示。最后依次进行NSST重建和IHS逆变换得到融合影像,并选择随机森林分类器对融合影像进行土地覆盖分类。试验结果表明,本文方法相较于13种其他方法在11个融合评价指标和土地覆盖分类精度上总体表现最佳,土地覆盖分类的总体精度和Kappa系数在区域1中比原多光谱影像分别提高了8.350%和0.107,在区域2中比原多光谱影像分别提高了6.896%和0.091。

多源遥感影像学习型特征双向一致性配准

张永显, 马国锐, 訾栓紧, 门行

2023, 52(11): 1906-1916. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220412

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针对多源遥感影像之间非线性辐射和几何畸变的差异严重影响配准质量的问题,本文提出一种具有双向一致性变换适用于多源遥感影像的配准方法。首先,利用微调的ResNet101网络模型提取多源遥感影像学习型特征,在特征匹配阶段,为提高同名特征匹配的可靠性,设计了一种双向一致性特征匹配网络模型;然后,基于小型轻量级网络加权回归变换模型参数,实现多源遥感影像稳健可靠的配准。试验利用Google Earth影像、卫星影像、无人机影像、Google Earth-卫星-无人机混合影像4种不同数据源对本文方法进行测试,并与具有代表性的多种方法进行比较,结果表明本文方法在配准精度、效率、稳健性方面具有优势,基本实现了2像素以内的自动配准精度。

低秩表示与深度学习结合的裂缝检测与样本生成方法

赵旭辉, 谢梦洁, 杨飚, 杨刚, 高智

2023, 52(11): 1917-1928. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220490

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随着社会的快速发展,越来越多高质量桥梁、公路、隧道等大型基础设施显著提高了人民生活水平。但大量新增或既有的基础设施也给传统基于人工的安全巡检带来新的挑战:如何自动获得它们的健康状态、对异常情况进行精准测绘成为一大难题。本文以桥梁道路裂缝为研究对象,针对现有方法智能化水平低、泛化性不够的问题,提出低秩表示与深度学习结合的裂缝检测与样本生成方法。一方面,通过低秩表示,可自动从具有相似背景的路面影像序列中挑选出包含裂缝的影像,再结合灰度与几何信息进行后处理,获得像素级裂缝掩膜。另一方面,针对现实中各类复杂场景,进一步从影像语义分割角度,提出一种融合多层级特征和空洞空间金字塔池化的裂缝检测深度网络,并使用由低秩表示获得的裂缝样本进行训练。大量试验表明,本文方法在裂缝识别精度和自动化方面显著优于现有方法,不仅可用于各类桥梁的裂缝检测、定位与测绘,还可用于隧道、水坝等其他场景,泛化性能良好。

面向高分三号全球正射影像生成的无控定位精度提升方法

李欣, 蒋博洋, 汪韬阳, 张过, 崔浩, 程前

2023, 52(11): 1929-1940. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220512

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高分三号(GF-3)是我国首颗C频段多极化高分辨率合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)卫星,由于GF-3卫星影像初始几何定位精度不高,难以直接满足大区域高精度制图需求。本文提出了一套面向全球正射影像生成的无控定位精度提升方法,首先通过几何再定标提升单景SAR影像的初始定位精度,其次利用SAR-SGFM匹配算法,结合自适应区域网平差方法精化影像几何模型参数,显著提升大规模SAR正射影像生成中的几何精度和处理效率。通过大规模数据生产验证,GF-3正射影像绝对几何精度优于10 m(1个像素),相对几何精度优于1个像素。结果表明,本文方法在超大规模星载SAR正射影像生产中具有有效性和可行性。

高光谱影像少样例分类的无监督元学习方法

高奎亮, 刘冰, 余岸竹, 徐佰祺, 胡伟, 胡家玮

2023, 52(11): 1941-1952. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220410

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针对高光谱影像少样例分类问题,本文提出了一种无监督元学习方法。该方法能够利用无标记样本进行无监督元学习,在显著减少深度学习模型对大量标记样本依赖的同时有效提高高光谱影像少样例分类精度。首先,基于自监督学习思想利用主成分分析和数据增强方法构造同一样本的不同增强特征,以形成大量不同的任务并对模型进行元训练。然后,分别利用目标影像中随机选择的少量标记样本和全部样本对模型进行微调和分类测试,评估模型在少样例条件下的分类性能,并在微调和分类过程中引入投票策略进一步提高分类精度。本文方法能够在零标记样本的条件下对模型进行充分的无监督元训练,突破了监督元学习方法需要大量源标记样本的瓶颈和限制。3组公开数据集上的试验结果表明,本文方法在少样例条件下能够获得较现有方法更为优异的分类结果。

建筑物单体结构化重建的变尺度网格基元提取法

刘海兵, 曲英杰, 颜青松, 邓非

2023, 52(11): 1953-1961. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220275

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现有的区域生长算法提取平面基元不准确不规则,忽略了尺度较小的几何结构。本文提出了一种建筑物单体结构化重建的变尺度网格基元提取方法,采用多尺度区域生长算法从网格不同尺度大小的几何结构中提取出对应的平面基元,提升了平面基元提取的准确性和完整性。通过平面基元拓扑优化进一步改善平面基元的拓扑质量,提升多边形表面模型的重建精度;并采用面积优先级策略提高共面平面基元合并效率。试验结果表明,本文方法能够更准确地进行平面基元的提取,保留了建筑物较小尺度的几何结构,生成了更简洁紧凑、结构化的建筑物多边形表面模型。

地图学与地理信息

空间相似关系的理论体系与潜在研究方向

闫浩文

2023, 52(11): 1962-1973. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220695

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空间相似关系在空间目标的描述与匹配、空间数据库的查询与更新及空间认知和推理等方面被广泛应用,但由于其综合性和复杂性,其形式化描述和表达困难,可计算性偏弱,导致目前研究成果少而零散,未见成形的理论体系。为此,本文构建了空间相似关系的理论体系框架,在此基础上首先阐释了空间相似关系的定义、分类、性质与影响因子,然后论述了同尺度空间相似关系和多尺度空间相似关系的计算方法,进而探讨了空间相似关系的重要应用领域,最后给出了空间相似关系潜在的研究方向。本文成果是对空间关系理论的有益补充,有助于空间相似关系的未来研究更加严谨、深入和系统。

时空和语义结合的船舶轨迹数据压缩方法

刘海砚, 郭漩, 刘俊楠

2023, 52(11): 1974-1982. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210658

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大数据时代积累了覆盖范围广、时效性强的船舶轨迹数据。对海量冗余轨迹数据进行压缩,可提高检索效率,降低数据存储和传输负担;然而现有方法容易忽略移动对象的运动特征。因此,本文提出一种顾及轨迹时空特征和航行语义特征的压缩方法。首先,分析船舶轨迹的空间、时间和语义特征,设计顾及时空语义特征的轨迹数据压缩流程;其次,通过道格拉斯-普克和滑动窗口法计算轨迹点的时空和语义特征值;然后,加权融合轨迹点的时空和语义特征,构建轨迹点的重要性排序,并通过指定压缩比例获取保留轨迹点数目,实现船舶轨迹数据压缩;最后,根据压缩算法效率、质量和实例分析,表明本文方法可保留行驶的动态语义信息和时空形态特征,既可根据压缩比例控制压缩过程,又可显著减少数据冗余,为后续轨迹挖掘等应用提供数据基础。

一种顾及视觉层次的电子地图自适应节能显示方法

吴明光, 成梓铭

2023, 52(11): 1983-1993. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220460

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电子地图显示能耗过高是当前地图设计与应用领域亟须解决的问题之一。针对现有电子地图节能显示方法难以保持视觉层次的问题,本文归纳了地图颜色的3种视觉层次结构,设计了视觉层次的定量表达模型,提出了一种电子地图自适应节能显示优化方法。本文方法同时考虑视觉层次质量和地图能耗,将地图节能问题定义为一个“质量-能耗”双目标优化问题,利用启发式搜索算法寻找节能配色方案,在轻微改变地图外观的情况下显著降低显示能耗。将本文方法与语义约束的颜色调整方法进行对比,采用不同比例尺的电子地图设计读图试验。结果表明,本文方法在有效性、效率、颜色一致性方面均优于对比方法,可广泛应用于电子地图、移动导航地图的节能显示,提高设备的续航能力。

一种城市路网多层次复合网格模式识别方法

王安东, 武芳, 巩现勇, 翟仁健, 刘呈熠, 邱越, 张寒雪

2023, 52(11): 1994-2006. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220528

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道路网作为城市骨架,其模式识别对于地图综合、空间数据挖掘与多尺度表达具有重要意义。针对大比例尺数据中局部异质性明显的道路网格模式识别问题,提出基于网眼的城市道路多层次复合网格模式识别方法。首先分析了道路网眼直线和网格模式的多层次认知特点,提出了“基础网眼→复合网眼→规则模式”的多层次认知顺序;然后考虑复合直线模式的组合性、延伸性和直线性约束,设计了道路网眼直线模式、包含关系和并列关系的识别方法;最后通过对直线模式的组合分解,提取道路网眼的网格模式。试验表明本文方法能有效识别路网数据中的复合网格模式,识别结果符合人类认知特点。

博士论文摘要

城市群高分辨率不透水面时空连续感知方法研究

黄敏

2023, 52(11): 2007-2007. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220191

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基于卫星测高技术的南极冰盖变化及影响因素研究

杨全明

2023, 52(11): 2008-2008. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220427

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