测绘学报

当期目录

2023年第52卷第12期刊出日期：2023-12-20

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大地测量学与导航

利用GPS数据反演柴北缘断裂带现今闭锁程度与滑动亏损

刘洋, 邱雨轩, 王君毅, 李航昊, 张宇, 温扬茂, 许才军

2023, 52(12): 2015-2027. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220714

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柴北缘断裂带是青藏高原东北缘的重要地质边界,几何形态复杂。目前少有针对区域整体断层现今闭锁程度与滑动亏损的研究。本文收集并融合得到了较为密集的区域GPS数据,建立了包括赛什腾-绿梁山断裂段、锡铁山-阿木尼克山-牦牛山断裂段、北鄂拉山断裂段、南鄂拉山断裂段及阿克塞-德令哈块体、柴达木块体、鄂拉山块体的几何模型,采用负位错模型反演研究了柴北缘断裂带的现今闭锁程度与滑动亏损。结果表明:赛什腾-绿梁山断裂段闭锁程度和滑动亏损从中部(15 km深度内平均闭锁系数约0.7)向两端逐渐减小;锡铁山-阿木尼克山-牦牛山断裂段闭锁程度和滑动亏损从西北向东南均逐渐增大,中部和东南端15 km深度内平均闭锁系数约0.99,平均滑动亏损约3.34 mm/a和3.80 mm/a;北鄂拉山断裂段最北端闭锁深度较浅,中部和南端闭锁深度较深(约19 km),中部滑动亏损较大;南鄂拉山断裂段两端闭锁深度达20 km(15 km深度内平均闭锁系数约0.9和0.99),中部闭锁深度较浅,北端滑动亏损较大。综合反演结果与历史地震分布分析,锡铁山-阿木尼克山-牦牛山断裂段中部和东南端、北鄂拉山断裂段中部、南鄂拉山断裂段北端地震危险性可能较高,须加以关注。

顾及面积差的层内等效二段线替代法优化声速剖面

肖元弼, 彭认灿, 董箭, 马政伟, 刘聚

2023, 52(12): 2028-2038. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210342

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声速剖面是多波束测深系统中至关重要的参数,针对声速剖面简化层内精度不高的问题,本文提出一种顾及层间面积差的声速剖面自适应分层优化方法——层内等效二段线替代法。基于声速最大偏移量方法,构建了一种优化替代声速剖面的最优层内等效二段线计算模型,并利用实测多波束测深数据对该算法进行了验证。通过实例分析发现该方法在多处地形起伏较大的区域,还原效果更好,更有效地保留了声速剖面特征点。统计结果表明,该方法可将整体水深数据和层间水深数据的标准差百分比控制在1%以内,在声速剖面等效面积差较大的深度,其计算的水深值更加接近原始声速剖面的计算结果。该方法可对复杂多层海水声速进行精确简化,在起伏较大的特殊海底地形的高精度测量中具有重要工程应用价值。

基于最小二乘配置的陌生海域海底地形反演方法

范雕, 李姗姗, 冯进凯, 黄炎, 范昊鹏, 张金辉, 李新星

2023, 52(12): 2039-2053. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220644

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针对目前在无船测水深数据支撑的陌生海域海底地形模型构建困难的现状,提出了可将船测水深数据和重力数据已知海区协方差函数统计结果迁移、推广并应用于与已知数据海区重力异常相似的船测水深数据空白的陌生海区,运用最小二乘配置方法实现陌生海域海底地形模型构建。首先在西太平洋某1°×1°数据已知海区,依据最小二乘配置方法构建了相应的海底地形模型(BAT_LSC_1)。模型评估结果表明,BAT_LSC_1模型与导纳函数构建的海底地形模型检核精度相当,检核相对精度优于4%。海区重力异常作灰度化处理后,应用影像粗匹配和精匹配技术搜寻出与已知海区重力异常特征相似区域,迁移已知海区协方差统计结果应用于陌生海区,运用最小二乘配置方法构建陌生海区海底地形模型(BAT_LSC_2)。试验检核结果表明,BAT_LSC_2整体表现优于ETOPO1模型和应用导纳函数构建的海底地形模型,验证了本文方法思路的可行性和适用性。

北斗三号地心运动反演方法与结果

郭仕伟, 施闯, 范磊, 魏娜, 张涛, 方欣颀, 周凌昊

2023, 52(12): 2054-2065. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220518

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精确测定地心运动是建立毫米级地心参考框架的前提。随着北斗三号全球系统(BDS-3)的建成运行及BDS-3全球跟踪站的不断完善,研究利用BDS-3估计高精度的地心运动,对建立我国独立自主的参考框架具有重要的科学价值。本文利用BDS-3全球观测数据反演地心运动,分析了BDS-3地心运动中的周期性信号及其与轨道参数之间的相关性。结果表明,BDS-3地心运动与IGS组合产品在X和Y方向具有较好的一致性,差异小于7 mm,Z方向差异较大约21.6 mm。BDS-3地心运动X、Y和Z方向估计误差分别为2.7、2.8和5.3 mm。在地心运动X和Y方向发现与BDS-3卫星轨道重复周期有关的7 d信号,振幅约3 mm;Z方向存在显著的交点年信号的奇数谐波。Z方向估计误差的量级与BDS-3卫星空间构型有关,主要变化周期为1/2、1/4和1/6交点年。当3个轨道面太阳高度角的绝对值差异较小时,地心运动Z方向和轨道参数之间的相关性显著增大,最高可达0.8。

陆地水GNSS反演的格林函数和Slepian基函数比较分析

陈超, 邹蓉, 曹家铭, 李瑜, 梁宏, 方智伟

2023, 52(12): 2066-2077. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220624

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陆地水是水资源中重要的组成部分,全球气候变暖会深远地影响陆地水分布,甚至恶化区域水资源供求关系。陆地水变化关乎人类社会发展,监测陆地水变化越来越重要。锚定在地壳上的GNSS连续观测站可直接测量地表位移的不断变化并反演水文荷载,使得GNSS技术成为研究陆地水的热点。目前GNSS反演陆地水主要有格林函数和Slepian基函数两种方法,两者在数学模型上是等价的,但实际应用上存在差异。本文在研究区域(云南地区97°E—107°E、20°N—30°N)使用相同数据,定量分析格林函数和Slepian基函数反演方法的差异,结果表明:①基于模拟数据,格林函数反演结果受GNSS测站数量和空间展布影响程度比Slepian基函数反演结果更大,而Slepian基函数反演结果受最大截断阶数的影响较大;同等情况下,格林函数反演结果总体精度比Slepian基函数反演结果更优。②基于实测的“陆态网络”和气象局的GNSS连续测站垂直时间序列数据,两种方法反演等效水高结果相关性达到0.98,Slepian基函数反演结果振幅比格林函数反演结果振幅平均大25%。③GNSS数据反演的陆地水和GRACE、GLDAS推断的陆地水相关性均大于0.65,并且与该地区月度降水数据一致性很好;GNSS反演等效水高序列波峰出现的时间比最大降雨滞后1~2个月。

Sentinel-2和ICESat-2密集时序数据反演浅平型内陆湖泊水量变化

吴浩儒, 李均力, 包安明, 张久丹, 马英莲

2023, 52(12): 2078-2088. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220602

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干旱区内陆尾闾湖泊由于湖盆地形浅平、岸线复杂等特点,采用传统的水位-面积关系法难以反演高精度的水量变化信息。本文提出了一种基于密集时序ICESat-2和Sentinel-2数据反演浅平型内陆湖泊湖盆地形和重建水量时序的方法。本文方法利用浅平型湖泊季节性变化显著的特性,筛选和计算不同时期湖盆内非水面区域的所有ICESat-2激光光子点的高程信息,并根据水面等高的特性内插得到Sentinel-2不同时相水面线的高程信息,在此基础上通过这些加密的高程点构建高精度湖盆地形信息,并结合水面时序重建湖泊的水量变化。以新疆塔里木河尾闾台特玛湖为试验区,基于132期Sentinel-2卫星影像和28个时相的ICESat-2激光脉冲数据,重建了2016—2022年的湖泊水量时序。结果表明,本文方法获取的湖盆地形高程中误差为0.103 m,可为无资料浅平型湖泊水量信息的时序重建提供一种思路。

HUST-Grace2020模型反演中国大陆区域水储量变化特征分析

马文静, 周浩, 何培培, 郑李均, 罗志才

2023, 52(12): 2089-2102. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20210693

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中国水资源呈现人均水量少且水资源分布不平衡等特点,研究中国大陆区域水储量及其变化特征,对水资源管理与调控意义重大。本文主要利用华中科技大学最新发布的HUST-Grace2020模型计算2003年1月—2016年7月中国大陆区域水储量的变化,并将计算结果与瑞士伯尔尼大学最新发布的COST-G联合解算模型结果、CSR发布的CSR RL06模型结果、ITSG发布的ITSG-Grace2018模型结果和同济大学发布的Tongji-Grace2018模型结果进行对比。结果表明:①利用HUST-Grace2020模型得到的中国大陆15个子流域的水储量变化与COST-G、ITSG-Grace2018、Tongji-Grace2018模型计算结果的一致性均很好。②西南地区边界处的雅鲁藏布江、澜沧江流域水储量变化最大,周年振幅分别为13.75、9.37 cm。长江流域、珠江流域和东南沿海水储量呈明显增长趋势,增加速率分别为0.54、0.78和0.70 cm/a;淮河、海河和雅鲁藏布江水储量呈现减少趋势,减小速率分别为-0.47、-0.88和-1.30 cm/a。③中国大陆水储量变化具有明显的季节性,整体表现为夏秋水储量富足、冬春水储量匮乏。④基于典型流域的水储量变化特征可知,长江流域在2006年与2011年发生极端干旱事件,2010年与2016年发生洪水事件;黄河流域在2003年出现极端干旱事件,2013年出现洪水事件。

摄影测量学与遥感

高分七号影像大场景DSM生成深度学习方法

何升, 张建凯, 陈凤, 李绅弘, 江万寿

2023, 52(12): 2103-2114. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220567

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立体匹配是利用卫星影像生成DSM的重要步骤,近年来基于深度学习的立体匹配方法有较好的性能,然而,由于模型预测的视差范围固定有限及缺少训练数据,深度学习很少直接用于大场景卫星影像的立体匹配。本文提出了一种分层动态匹配策略,根据上一层匹配结果来动态确定本层影像分块的区域,使左右核线影像块的视差相对较小,利于深度学习模型进行预测;本文提出了一套卫星影像立体匹配样本制作方案,利用人工编辑的DSM或LiDAR点云获取视差真值,构建了一个高分七号立体匹配数据集。使用该数据集和现有数据集训练Stereo-Net和DSM-Net并基于分层匹配策略,实现了结合深度学习技术的高分七号影像高质量DSM生成。3个城市的影像试验表明,本文方法匹配的视差图的平均视差绝对误差为1像素左右,错误视差像素比例不超过3.8%,生成的DSM质量优于传统方法。

遥感图像跨域语义分割的无监督域自适应对齐方法

沈秭扬, 倪欢, 管海燕

2023, 52(12): 2115-2126. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220483

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深度学习模型依赖于大量同源标记样本,即限定训练数据与测试数据服从同一分布。但是,面对大范围、多样化的遥感图像时,数据之间的同分布要求难以保证,深度学习模型的分割精度下降明显。针对这一问题,本文提出了一种面向遥感图像语义分割的无监督域自适应方法,在训练数据(源域)与测试数据(目标域)分布不同的情况下,仅利用源域标签训练深度学习模型,提高目标域语义分割精度。本文方法引入最优传输理论,在图像空间、特征空间和输出空间进行全局对齐,以减轻源域和目标域之间的域偏移。试验采用国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)所提供的Potsdam和Vaihingen数据集进行验证。结果表明,相比于现有方法,本文方法取得了更高的分割精度。此外,通过消融分析,在深度学习驱动的语义分割无监督域自适应框架下,证明了最优传输理论的有效性。

洞庭湖软土区域时序InSAR形变与环境物理参数联合估计方法

朱珺, 朱凌杰, 邢学敏, 张锐, 鲍亮, 张腾飞, 鲍皓丹

2023, 52(12): 2127-2140. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220287

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洞庭湖生态经济区是国家级重要发展片区,是国家战略发展的重要部分,但洞庭湖区域土质以软土为主,必须对区域内密集分布的基础设施开展长期持续的安全稳定性监测。目前使用PSInSAR进行监测时普遍是采用线性速率模型,但洞庭湖软土区域基础设施形变随时间演化具有明显的非线性特征,并且还受热膨胀、降水等环境物理因素影响。针对这一问题,本文提出一种用PSInSAR同时估计变形和环境物理参数的方法。该方法利用洞庭湖软土形变预测的双曲线模型和热膨胀效应先验模型代替原方法中的线性速率模型,同时融入热膨胀参数和环境降水参数,在PSInSAR解算过程中将形变与环境物理参数一并求解。在此基础上本文还提出了基于LAMDBA-SVD的时间维参数估计和基于雅可比迭代的空间维参数估计的解算策略。试验选取了覆盖岳阳市洞庭湖区的24景TerraSAR-X雷达卫星遥感影像,设计了包含PS点选点、基线网络构建、InSAR时序建模、时空维参数估计、时序总形变的生成这一完整算法流程,获取了此区域典型基础设施的热膨胀系数,以及2011年12月至2013年4月的时间序列形变场。利用模型的残余相位来评估建模精度,结果显示本文方法的残余相位为0.4 rad,相比传统线性速率模型提升了36.5%。

SAR图像独立极化方位角整合的极化目标分解法

李能才, 胡粲彬, 王威, 全斯农, 项德良

2023, 52(12): 2141-2153. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220552

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基于物理模型的极化目标分解方法由于其物理意义明确且易于实现,成为了极化SAR非相干极化目标分解的主流方法之一,然而这类方法在大方位角城市建筑区域往往存在体散射过估计和散射机制模糊问题,为此,本文提出了一种基于独立极化方位角整合的六分量极化目标分解方法。该方法不再采用极化方位角补偿的策略,而是引入3个独立的极化方位角分别对偶次散射模型、偶极子模型和四分之一波模型进行描述,得到了更一般的改进的偶次散射模型、广义偶极子模型及广义四分之一波模型。本文方法简化了表面散射模型和偶次散射模型,在降低未知变量的同时,有效地解耦了各散射分量;所采用的6种模型完全解释极化相干矩阵的9个元素,充分利用了极化相干矩阵信息;分析了极化相干矩阵主对角线元素的旋转不变性,利用该性质避免了极化方位角参与计算,同时分解过程避免了除法导致的计算异常,保证了极化分解结果的稳定性。利用GF-3和UAV SAR全极化数据进行试验,试验结果表明,本文方法能够在保证森林植被、海洋水体等自然区域的主导散射正确提取的情况下,有效地改善城市建筑特别是大方位角建筑区域的体散射高估问题,总体分解结果更为符合实际地物散射过程。

能量属性与引导滤波结合的遥感影像融合

宋加文, 朱大明, 付志涛, 陈思静

2023, 52(12): 2154-2163. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220470

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针对多光谱与全色影像融合容易出现空间和光谱信息失真的问题,本文提出一种基于能量属性与引导滤波的全色锐化方法。首先,对多光谱影像进行强度-色调-饱和度变换提取强度分量,强度分量与全色影像通过均值滤波和差分算子得到高频分量和低频分量,其中高频信息通过引导滤波增强;然后,使用像素最大值规则获得决策图;最后,高频图像通过像素加权平均规则与决策图融合。低频分量通过EA策略融合,结合新的低频分量与高频分量替代原强度分量并逆IHS变换得到融合影像。本文在SPOT-6、WorldView-2和Pléiades NEO遥感影像上进行大量试验,并与4种先进方法进行定量定性对比。本文方法的光谱角度映射、相对无量纲全局误差、相对平均光谱误差、均方根误差、通用图像质量指数和峰值信噪比指标值较次优值分别平均提高了77.13％、10.78％、9.57％、12.20％、1.35％及0.39％。试验结果表明,本文方法可以在保持多光谱影像光谱信息的同时充分融入全色影像的空间信息,并在视觉感知、定量指标和时间效率上都取得最优的融合效果。

基于地形断裂线约束的机载激光点云高精度滤波方法

杨宇妍, 臧玉府, 肖雄武, 管海燕, 彭代峰

2023, 52(12): 2164-2177. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220616

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现有滤波方法在地形复杂、高程突变等区域往往会错误滤除大量地面点,降低了滤波结果的准确性且严重影响了后续应用。为此,本文提出一种融合断裂线约束模型的采样线高效滤波方法。首先,基于点曲率及邻域范围内距离之和创建约束能量项,改进Snake能量模型,并通过能量函数最小化提取断裂线特征;然后,从测区中获取点云序列等间距构成采样线,构建正三角模型、计算点云平坦度融合断裂线约束过滤每条采样线上的点;最后,根据采样线上的地面点通过改进最小二乘法拟合全局曲面,并结合其实际高程值过滤区域非地面点。为验证本文方法的有效性,本文采用5份不同区域场景的机载激光点云数据进行试验分析。结果表明,本文方法在效率和精度方面优于参照方法,平均滤波精度高达96.58%,尤其在地形断裂区域处滤波效果显著。

地图学与地理信息

叙事地图的基本理论问题——逻辑理据、概念界定、表征机制与研究议题

苏世亮, 王令琦, 杜清运, 张江玥, 亢孟军, 翁敏

2023, 52(12): 2178-2196. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220324

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叙事地图正成为当代地图学蓬勃发展的分支。然而,由于对“什么是叙事地图”和“地图是否能叙事”等基本问题缺乏深入的剖析,引发了学术界对其逻辑理据的质疑,更造成了叙事地图在“如何叙事”这一关键问题上悬而未决。针对这些局限性,本文首先系统考察了叙事学和地图学源流演化的发展历程与交叉融合的现实路径,论证了叙事地图产生的逻辑理据;其次,立足于叙事学研究范式及语言符号学视角下的地图概念,在诠释地图“文本”叙事能力的基础上,界定了叙事地图的概念与基本内涵,并甄别出叙事地图的时空性、故事性、修辞性3大基本特征;再次,运用(后)结构主义观点厘清叙事行为过程,解析了叙事地图的叙事系统构成,进而通过集成地图信息传输模型、三维话语分析框架及叙事传输理论的耦合互补优势,构建了叙事地图的叙述模型,从“文本”分析、话语实践和社会实践3个维度阐明了叙事地图的表征机制;最后,对后续叙事地图研究的重点议题进行了展望,以期为叙事地图迈向系统化、体系化和学科化发展提供参考。

典型时间规整算法支持下的建筑物形状相似性度量

李精忠, 毛凯楠

2023, 52(12): 2197-2208. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220539

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本文提出了一种基于典型时间规整(canonical time warping,CTW)算法的形状相似性度量模型,该模型运用动态时间规整(dynamic time warping,DTW)算法和典型相关分析(canonical correlation analysis,CCA),对齐具有不同节点个数的建筑物坐标序列,并综合评价不同形状轮廓之间的相似性。该方法直接以矢量坐标作为模型输入而无须复杂的形状编码,顾及了建筑物图形原始的轮廓特征,可高效地应用于形状检索等场景。试验表明,CTW算法在度量形状相似性时具有平移、旋转、缩放和镜像不变性,能有效度量建筑物形状之间的形状相似性,其结果符合人类的空间视觉认知。

基于区域候选网络的矢量线要素自动化简方法

江宝得, 许少芬, 巫勇, 王淼

2023, 52(12): 2209-2222. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220363

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针对现有矢量线要素化简算法智能化程度不高的问题,本文提出了一种基于区域候选网络的矢量线要素自动化简方法。首先利用深度可分离卷积神经网络实现矢量线要素栅格化后的卷积特征提取;然后结合线要素的坐标信息改进区域候选网络中候选框的生成方式,以实现候选框与可能的弯曲组合的对应;最后在统一线要素弯曲特征图大小的基础上,根据候选框对应的卷积特征进行二分类判断,完成弯曲单元的自动识别,并通过删除弯曲单元实现线化简。本文在海岸线数据集上进行了模型的训练和测试,并通过不同栅格化参数、不同骨干网络、跨尺度化简,以及不同类型线要素化简等对比试验验证了模型的有效性。试验结果表明,本文方法能够自动学习已有线化简案例中的化简知识,并充分利用线要素的矢量特征及栅格特征,自动完成线要素弯曲特征的准确定位,最终实现可端到端训练的矢量线要素自动化简。

博士论文摘要

国产星载激光雷达全链路森林回波仿真及森林结构参数反演研究

蔡龙涛

2023, 52(12): 2223-2223. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220517

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陆地时变微重力数据处理与场源模型解释

杨锦玲

2023, 52(12): 2224-2224. doi:10.11947/j.AGCS.2023.20220524

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