测绘学报

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2024年第53卷第2期刊出日期：2024-02-20

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海洋卫星测高专栏

双星跟飞测高卫星在轨初步验证

孙中苗, 翟振和, 管斌, 阮仁桂, 黄令勇

2024, 53(2): 207-216. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230264

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卫星测高反演重力场的常规做法是利用海面高差求解垂线偏差，进一步计算海洋重力异常和海洋大地水准面高等信息。显然，提高海面高差的测量精度可以直接提升海洋重力场的反演精度。本文给出了双星跟飞卫星测高原理，通过轨道设计使双星星下点跨轨间距（即分辨率）在1'左右，双星同时测量沿其轨道的海面高差及跨轨的星间海面高差，此时轨道径向误差表现为星间或单星历元间的相对轨道径向误差，而与大气传播和地球物理效应等有关的改正项，对于地面轨间距只有1'的双星近似相等，其在海面高差中几无体现，因此海面高差的精度相比于传统的单星测量将有显著提高。利用测高A/B双星的实际观测数据，初步验证了相对轨道径向误差和海面高差中的8项改正的差值误差。结果表明，对于定标阶段约25 km的星下点间距，干对流层、湿对流层、电离层、固体潮、极潮和逆大气压等改正项的差值误差均在5 mm量级；海潮改正差值、海况偏差差值中分别有约1 cm和2 cm的残留误差；对于业务轨道约2 km的星下点间距，相对轨道径向误差约为3 mm，除了海况偏差差值有约0.52 cm的残留误差，其他改正项的差值误差均小于0.05 cm，可完全忽略不计。

兼顾内陆水体水位时空变化特性的合成孔径雷达波形重跟踪算法

高贤文, 金涛勇, 李建成

2024, 53(2): 217-230. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230266

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合成孔径雷达（SAR）测高技术已被广泛运用于内陆水位监测中，但内陆水域回波复杂，需要波形重跟踪精化才能获取有效水位。内陆水域SAR高度计回波通常包含多个子波形，重跟踪的主要思路是寻找最优子波形，在特定条件下可以获得较合理水位，但在复杂水域或小水体中容易出现最优子波形筛选错误导致水位异常。传统最优子波形筛选主要是基于沿轨或外部数据约束下进行，而本文提出一种不使用外部数据、兼顾了内陆水体水位时间变化连续且空间变化平稳特性的重跟踪算法SaTCoM，首先对波形进行插值平滑，有效提高子波形识别准确度；然后对所有周期沿轨子波形水位集合进行时间向滤波得到参考水位序列；最后将沿轨子波形水位划分为若干区间并将子波形水位“放入”最近区间，在参考水位波动约束下，根据表征沿轨水位空间稳态特性的指标函数，选择最优水位区间子波形水位计算最终水位。选择我国区域68个大中小型水体的水文站实测数据作为验证，对其附近的哨兵-3A/3B/6A卫星SAR回波数据，分别使用SaTCoM算法、OCOG、ICE1、阈值法和MWaPP+算法重跟踪后进行了比较。结果表明，SaTCoM算法所得内陆水体水位与实测数据不符值RMSE为0.34 m，相对RMSE为7.8%，相关性为0.95，在大部分内陆水体中均表现优异，较其他算法有很大优势，在中小水体中尤为明显，同时分析表明时空约束下的SaTCoM算法仍可以有效捕捉水体水位的快速变化。由此表明，本文算法SaTCoM可较好地解决小水体有效水位获取的困难，能够较大地拓展内陆测高数据的应用。

利用扰动重力数据反演海底地形的高斯曲面函数估计方法

翟振和, 孙中苗, 管斌, 马健, 李端

2024, 53(2): 231-238. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230204

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利用2017年1月—2020年12月的SARAL卫星测高数据反演得到南海海域1'×1'格网扰动重力数据，通过与船载重力数据比较，精度达到5.5 mGal。提出了利用重力数据及高斯曲面函数求解区域特征参数进而估计海底地形模型的方法，利用SARAL卫星反演获得的重力数据在南海海域开展了计算试验。结果表明，利用ETOPO-1先验模型，在10×10格网一组划分条件下估计得到的1'×1'海底地形精度相对于先验模型提高了约10 m；利用DTU18先验模型，在9×9格网一组划分条件下估计得到的1'×1'海底地形精度相对于先验模型提高了约9 m。计算结果表明，利用卫星测高反演得到的重力数据，通过高斯曲面函数解算获得的5个特征参数，可以在一定程度上代表相应区域海底地形的曲面特征，进而可在不依赖外部实测数据条件下对先验海底模型进行精化。对于曲面估计而言，格网划分越小，曲面函数就越能反映区域变化特征。因此，对于未来卫星测高技术发展而言，更高分辨率的重力场探测技术有望继续提升海底地形细节的反演能力。

岸基条件下的星载GNSS-R干涉测高精度验证评估

黄令勇, 李世忠, 夏俊明, 王海岩, 孙越强, 杨日新, 杜起飞, 黄志勇

2024, 53(2): 239-251. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230290

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星载GNSS-R干涉测高技术通过调制GNSS卫星信号的宽带混合码，可以实现高精度宽幅海面测高。为有效验证星载GNSS-R干涉测高性能，本文设计了基于岸基GNSS-R干涉测高结果，开展星载GNSS-R干涉测高精度等效评估的策略。评估结果表明，GNSS-R干涉测高与卫星导航系统信号体制及信号信噪比相关，星载GNSS-R干涉测高可实现分米级测高精度。本文的研究成果可为后续星载GNSS-R干涉测高工程实践提供技术参考和数据支持。

基于ICESat-2多波束激光测高数据的全球海洋重力异常反演分析

李真, 郭金运, 孙中苗, 贾永君, 黄令勇, 孙和平

2024, 53(2): 252-262. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230207

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卫星测高技术是获取精细海洋重力数据的重要技术手段之一。常规卫星测高反演海洋重力异常主要是利用沿轨测高数据，而跨轨数据因较长的时间间隔或者稀疏的地面轨间距往往不能用于海洋重力异常反演，进而影响了海洋重力异常模型精度的进一步改善。新型激光测高ICESat-2能够同时获得3对光束观测数据，相邻激光束的地面间距约为3 km，为结合跨轨数据改善海洋重力异常模型提供了可能。本文首先给出了集成沿轨和跨轨数据反演海洋重力异常的处理策略；然后，分别利用沿轨数据和集成的数据构建了ICESat-2全球海洋重力异常模型（IS2Gra_alo和IS2Gra_alo_acr），结果表明通过补充跨轨数据能够有效提高沿轨数据反演海洋重力异常的精度，并验证了ICESat-2测高数据反演全球海洋重力异常的可靠性。此外，本文还探讨了ICESat-2不同跨轨数据组合对海洋重力异常模型反演精度的影响，在沿轨数据的基础上集成适当距离的跨轨观测数据能够有利于改善海洋重力异常模型的精度。本文研究为后续SWOT宽刈幅测高数据和我国双星跟飞模式测高数据反演海洋重力异常模型提供了参考意义。

2022汤加海底火山活动的测高海面观测异常分析

李倩倩, 鲍李峰, 王勇

2024, 53(2): 263-273. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230277

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2022年1月14日—2022年1月15日，汤加海底火山发生剧烈喷发并造成全球性海啸，引起了国际广泛关注。针对汤加火山喷发引起的海洋环境异常综合观测，本文提出了利用Jason-3测高卫星数据研究火山喷发对海洋环境的短期和长期影响。针对短期影响，利用距离火山最近的弧段186的重复轨道，对比不同时间观测值，分析火山喷发时期海平面变化、有效波高和电离层总电子含量（TEC）异常。结果表明：卫星测高可观测到火山喷发引起的海面异常。火山喷发期间：海平面产生短期变化，原因可能与火山活动引起的波浪、海洋环境变化和海底地形变化有关；火山喷发引起部分海域有效波高显著增加，弧段186区域电离层TEC明显降低。针对长期影响，构建了研究区域内2016年2月—2023年2月共7年区域平均海面观测时间序列，并采用小波变换、奇异谱分析方法探测时间序列中的异常扰动，分析其与火山活动的关系，从而推断火山喷发活动对海洋环境的长期影响。结果表明：火山喷发可能会对海平面变化产生长期影响，海平面变化分布与俯冲带位置相关，其影响还与EI Nino和La Nina事件产生的影响耦合，需要更多资料进一步分析；另外，汤加火山喷发对研究海域内的平均有效波高和电离层TEC分布长期影响较小。

海域重力异常模型的多尺度分析

刘焕玲, 杨蔚然, 张放, 文汉江, 胡敏章, 蒋涛, 蔺文奇, 黎晨曦

2024, 53(2): 274-285. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230309

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不同于传统的重力异常模型精度分析方法，本文以马里亚纳海沟区域（140°E—150°E，10°N—20°N）为例，利用DOG球面小波提取了DTU10、DTU17和SIO V32.1模型在不同波段内的重力异常信号，对模型间的差异进行了深入分析，并对基于径向基函数的不同深度、不同分辨率的多尺度分析进行了尝试。利用DOG球面小波对各模型多尺度分析的结果表明，随着尺度变小，模型间的差异在变大；DTU10、DTU17模型间的差异主要集中在10.9~43.6 km的波段内，分布在海岸、海沟、海底山附近，体现了Cryosat-2、Jason-1/GM观测数据和FES2014海潮模型的贡献；受模型构建方法不同、观测数据增多和波形重跟踪的影响，DTU17、SIO V32.1模型的差异大于DTU10、DTU17之间的差异。对传统径向基函数进行了改进，实现了多深度、多空间分辨率情况下径向基函数多尺度分析，结果略优于单一深度、单一空间分辨率径向基函数构建结果，有望应用于多源数据的重力场模型构建。

大地测量学与导航

GNSS高级接收机自主完好性监测随机模型精化

杨玲, 朱金成, 孙楠, 喻杨康, 沈云中, 李博峰

2024, 53(2): 286-295. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20210669

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在众多涉及生命安全的应用领域，GNSS的用户端设备都必须具备完好性监测能力。高级接收机自主完好性监测（ARAIM）是完好性监测技术在民航领域的最新进展，有望扩展至多个应用领域。然而，ARAIM算法中的接收机噪声项通常使用航空无线电技术委员会（RTCA）推荐的常系数高度角模型，只能反映民航飞行环境下符合民航特定标准的GNSS接收机噪声特性。在众多应用场景中，接收机软、硬件和应用环境通常不符合ARAIM标准规范，且差异显著，若仍采用固化的常系数随机模型，难以保证ARAIM算法的有效性。为此，本文采用最小二乘方差分量估计（LS-VCE）自适应地构建ARAIM接收机噪声项随机模型，以扩展其算法的适用范围，并以GRACE-FO（GRACE Follow-On）的星载GNSS观测数据为例进行了有效性验证。试验结果表明，采用精化后的随机模型，一方面可提升解分离故障探测和排除的有效性，另一方面可有效降低水平与垂直保护级，提高完好性监测系统的可用性。

基于滑窗初始点dSTEC定权的全球实时电离层综合

王宁波, 李子申, 李昂, 张研, 刘昂, 汪亮

2024, 53(2): 296-305. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220351

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自2017年起，国际GNSS服务组织（IGS）部分电离层分析中心先后提供全球实时电离层校正服务。针对实际应用中单一分析中心实时电离层产品存在的可靠性差问题，本文提出了基于滑窗初始点差分斜向总电子含量（dSTEC）定权的全球实时电离层综合方法。以中国科学院（CAS）、法国空间研究中心（CNES）、西班牙加泰罗尼亚理工大学（UPC）及武汉大学（WHU）实时产品为基础，实现了实时全球电离层地图（RT-GIM）产品的例行综合。从电离层延迟误差修正、单频标准单点定位（SF-SPP）及单频精密单点定位（SF-PPP） 3个方面，分析2022年2月15日至2022年3月15日综合RT-GIM产品的应用性能。以IGS事后GIM为参考，本文综合RT-GIM与UPC综合RT-GIM对应的RMS为分别为3.30和3.20 TECU，二者精度相当；以定位残差95%分位数为统计量，与IGS事后GIM产品相比，综合RT-GIM对应的SF-SPP及SF-PPP精度分别低7.7%和4.9%；与北斗三号广播电离层模型BDGIM相比，综合RT-GIM对应的SF-SPP及SF-PPP精度分别提升了15.9%和9.5%。自2022年起，CAS综合RT-GIM产品已例行提交至IGS。

GNSS辅助风云三号卫星MERSI近红外通道的大气可降水量反演方法

赵庆志, 马智, 姚宜斌, 杜正

2024, 53(2): 306-320. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220538

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大气水汽是对流层中的重要参数之一，已被广泛应用于短临天气预警和长期气候监测等领域。我国风云三号（FY-3）系列卫星搭载的中分辨率光谱成像仪可用于大气水汽监测，但反演大气可降水量（PWV）时存在大气透过率参数低估、水汽与大气透过率回归系数经验选取的缺陷，无法满足在短临降雨监测、数值同化等高精度PWV应用方面的需求。针对该问题，本文提出一种GNSS辅助FY-3卫星的高精度PWV反演方法。本文方法引入高精度实测GNSS PWV作为大气透过率计算模型的回归拟合参数，辅助FY-3 L1级数据精确估计PWV和大气透过率的模型回归系数；同时，该方法顾及季节和高程因素对FY-3-L1 PWV反演的影响，分季节反演PWV并引入数字高程模型修正由于部分大气透过率参数低估导致的FY-3 L1 PWV相对不准确的现象。选取中国区域2013—2014年FY-3A卫星的L1数据和中国地壳运动观测网络的260个GNSS测站数据进行试验。结果表明，本文提出的GNSS辅助FY-3系列卫星PWV反演方法优于传统方法（FY-3A-L2 PWV），其整体精度改善率为74.5%，可得到更加可靠、稳健性更强的PWV格网产品，对于其在短临降雨监测和数值同化等方面具有重要意义。

摄影测量学与遥感

融合深度特征的无人机影像SfM重建

姜三, 刘凯, 李清泉, 江万寿

2024, 53(2): 321-331. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220636

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可靠特征匹配是无人机影像运动恢复结构（SfM）的重要环节。近年来，深度学习被用于特征提取和匹配，在基准数据集表现优于SIFT等手工特征。但是，公开模型往往采用互联网照片进行训练和测试，鲜有用于无人机影像SfM三维重建的性能评价。利用多组不同特点的无人机数据集，本文对比分析手工特征和深度学习特征在无人机影像特征匹配和SfM三维重建的综合性能。试验结果表明，利用公开的预训练模型，结合手工特征的高精度定位和深度学习的特征描述能力，可实现更准确和完整的特征匹配，并在SfM三维重建中取得与SIFT等手工特征相当，甚至更优的性能。

摄影测量局部场景稳健合并的并行式运动恢复结构方法

肖腾, 王鑫, 梅熙, 叶志伟, 颜青松, 邓非

2024, 53(2): 332-343. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220321

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针对并行式运动恢复结构（SfM）在局部场景合并时稳健性差的问题，提出一种摄影测量局部场景稳健合并的并行式SfM方法。对整个场景的影像关联图进行分块及扩展处理，得到相互重叠的子区块，并利用一种改进的增量式SfM方法生成局部场景重建结果。在局部场景合并时，首先利用局部场景的重叠关系构建子区块关联图，并以子区块三元组为单元，进行粗差剔除；然后，利用子区块三元组的代数性质，优化得到更符合几何一致性的子区块间的相对变换；最后，从上述结果中计算得到更准确的局部场景到统一坐标系下的尺度、旋转、平移变换。试验采用无人机影像，结果表明本文方法在局部场景合并时有更好的稳健性，而且SfM结果的精确度也要优于其他并行式方法和COLMAP，在摄影测量和实景三维重建中有较大的应用潜力。

基于Swin Transformer-CNN的单目遥感影像高程估计方法及其在公路建设场景中的应用

廖钊宏, 张依晨, 杨飚, 林明春, 孙文博, 高智

2024, 53(2): 344-352. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220607

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目前，在遥感影像几何条件和辐射质量良好的情况下，通过多视遥感影像的逐像素立体密集匹配对场景进行高程估计的技术相对比较成熟，无论是精度还是效率均达到了较高水平。然而，当具有良好几何条件和辐射质量的多视遥感影像难以获取时，经典摄影测量和计算机视觉的几何处理方法可能会面临较大的挑战。本文对该问题进行了研究，针对大幅遥感图像中各部分高程分布差异大，模型训练难度大的问题，提出了一种基于Swin Transformer和卷积神经网络（convolutional neural network，CNN）的单目遥感影像高程估计方法。一方面Swin Transformer利用滑动窗口和层级设计，兼具了卷积神经网络处理大尺寸图像和提取多尺度特征的能力及Transformer的全局信息交互能力。另一方面针对大幅遥感图像中各部分高程分布差异大带来的训练不稳定问题，本文方法能针对每张输入图像自适应地划分高程值，将高程估计问题转化为分类-回归问题，最终图像各像素点的高程值由划分的高程值及其分布概率得到。试验结果表明：本文所提出的基于Swin Transformer-CNN的遥感影像高程估计方法无论是定性还是定量的结果都取得了很好的效果，且能应用于公路建设施工场景中，具有良好的泛化性。

一种耦合DeepLab与Transformer的农作物种植类型遥感精细分类方法

林云浩, 王艳军, 李少春, 蔡恒藩

2024, 53(2): 353-366. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220692

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如何精细遥感监测复杂的不同类型农田作物种植情况，是智慧农业农村领域实现农耕面积调查与农作物估产的关键。目前的高分辨率影像的作物种植像素级语义分割中，深度卷积神经网络难以兼顾空间多尺度全局特征和局部细节特征，从而导致各类农田地块之间边界轮廓模糊和同类农田区域内部完整性不高等问题。针对这些不足，本文提出了一种耦合DeepLabv3+和Transformer编码器的双分支并行特征融合网络FDTNet，以实现农作物种植类型的精细遥感监测。首先，在FDTNet中并行嵌入DeepLabv3+和Transformer分别捕获农田影像的局部特征和全局特征；其次，应用耦合注意力融合模块CAFM有效融合两者的特征；然后，在解码器阶段应用卷积注意力模块CBAM增强卷积层有效特征的权重；最后，采用渐进式多层特征融合策略将编码器和解码器中的有效特征全面融合并输出特征图，以实现晚稻、中稻、藕田、菜地和大棚的高精度分类识别。为了验证FDTNet网络模型在高分辨率作物分类应用的有效性，本文选择不同高分辨率的Yuhu数据集和Zhejiang数据集验证，mIoU分别达到74.7%和81.4%。相比于已有的UNet、DeepLabv3、DeepLabv3+、ResT和Res-Swin等深度学习方法，FDTNet的mIoU可分别高2.2%和3.6%。结果表明，FDTNet在纹理单一、大样本量，以及纹理多样、小样本量的两类农田场景中同时表现出优于对比方法的性能，具有较全面的多类别农作物有效特征提取能力。

地图学与地理信息

路段级导航属性信息挖掘

张彩丽, 向隆刚, 李雅丽, 高松峰, 潘传姣

2024, 53(2): 367-378. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220649

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大量的自动或半自动道路提取方法如雨后春笋，但生成的产品通常缺乏导航属性信息，如路段的等级、限速等，制约“大路优先”“限速提醒”等智能导航服务。因此，本文以路段为分析单元，考虑上下游邻接路段强相关性，提出一种改进的路段等级、限速属性信息挖掘方法。首先进行轨迹、路网数据预处理，实现轨迹点与归属路段的连接。然后基于对数据和任务的认识进行多模态道路互补特征设计。最后顾及目标路段及其上下游邻接信息，利用随机森林开展面向路段的等级、限速信息分析。与单类特征相比，集成路网与轨迹特征之后提高了路段等级、限速分类准确率。与仅顾及目标路段进行路段等级、限速分类相比，顾及空间邻接信息进行路段等级、限速分类效果更好。

适应不同轨迹数据场景的道路线形组合优化提取方法

姚志鹏, 彭程, 唐建波, 刘国平, 杨学习, 刘慧敏, 邓敏

2024, 53(2): 379-390. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220606

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车辆轨迹数据是当前城市导航路网地图动态更新的一种重要数据源，从杂乱无序的轨迹点或轨迹线中提取并拟合道路几何形态，进而生成结构化的道路矢量地图是基于轨迹数据进行道路网地图构建与更新的关键步骤。现有的道路中心线提取方法主要采用单一的线形拟合算法进行轨迹数据拟合，然而真实道路的几何形态复杂多样和车辆轨迹数据质量参差不齐，导致单一的道路线形拟合算法只能在某些特定的数据场景下适用，无法针对不同的数据场景自适应的拟合出理想的道路中心线。此外，相比于专业测量方式采集的高频轨迹数据，出租车等采集的低频轨迹数据存在轨迹点稀疏、噪声多、定位误差大等问题，这使得从低频轨迹数据中提取理想的道路中心线仍具有挑战，尤其是针对复杂的交叉口区域。为此，本文基于分治策略的思想，提出了一种适应不同轨迹数据场景的道路线形组合优化提取方法。该方法在轨迹数据预处理的基础上，根据轨迹数据的分布特点对数据进行场景分类；进而，针对不同的数据场景匹配最优的线形拟合算法，通过组合优化策略生成理想的道路中心线。本文方法融合不同拟合算法的互补优势，可以有效解决数据分布稀疏、道路结构复杂（如自相交立交桥）等不同数据场景下的道路线形拟合问题。采用北京市出租车轨迹数据进行试验与对比分析，本文方法生成道路的平均位置精度为1.24 m，显著优于现有代表性方法。

博士论文摘要

可分离非线性最小二乘计算方法及其在LiDAR波形分解中的应用研究

王珂

2024, 53(2): 391-391. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220697

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BDS-2/BDS-3卫星观测数据联合处理关键技术研究

胡超

2024, 53(2): 392-392. doi:10.11947/j.AGCS.2024.20220698

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