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当期目录

    2024年 第53卷 第7期    刊出日期:2024-08-12
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    大地测量与导航
    基于ROTI和AATR的测地型GNSS接收机监测北半球高纬度区域电离层闪烁准确性分析
    赵东升, 张雪礼, 崔双雷, 王潜心, 李冠青, 李龙江, 李宸栋, 张克非
    2024, 53(7):  1251-1264.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230253
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    当前,第25个太阳周期已进入强活跃时期,能引发大量电离层不规则体,进而对使得穿行其中的GNSS信号产生电离层闪烁。这已成为影响GNSS全球稳定导航定位服务的重要干扰源。对全球电离层闪烁进行广泛且全面的监测是消除闪烁对GNSS干扰的重要前提,然而传统电离层闪烁监测接收机(ISMR)分布有限,无法满足闪烁全球监测需求;测地型接收机分布广泛,但从其低采样数据中提取的闪烁因子缺乏新太阳周期长时序监测数据验证,导致其闪烁监测可靠性存疑。为此,本文基于近3 a新太阳周期测地型接收机数据,以ISMR提供的闪烁因子为参考,从代表性空间天气事件闪烁响应、日闪烁发生率、闪烁持续时间概率分布、闪烁日发生规律及其随极昼、极夜、地磁指数的特征变化等方面,对比研究了两种测地型接收机电离层闪烁因子(即电离层总电子含量变化率指数ROTI和沿弧段电子含量变化率指数AATR)监测北极高纬度区域电离层闪烁的准确性,并给出了ROTI和AATR在高纬度区域判断闪烁发生的经验阈值。结果表明,ROTI和AATR均能较为准确探测到地磁扰动、太阳活动等因素驱动的区域电离层闪烁,并能有效表征电离层闪烁统计学上的日变化规律,但两种闪烁因子不能准确区分闪烁和电离层电子密度梯度变化,导致在电子密度梯度变化剧烈期间存在较高虚警。该研究成果可为准确选择区域电离层闪烁监测因子提供指导。

    基于GRACE/GRACE-FO数据降尺度方法反演库尔勒东区地下水储量变化
    刘东旭, 胡立堂, 孙建冲, 程琦, 马艺瑄, 刘鑫
    2024, 53(7):  1265-1277.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230354
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    GRACE与GRACE-FO重力卫星为全球中大尺度地下水反演监测提供了新的手段,但难以提供小尺度上较高空间分辨率的地下水储量变化(GWSA)信息。本文针对新疆库尔勒东部缺资料区,采用动力降尺度方法提高GRACE/GRACE-FO反演GWSA数据的空间分辨率,分析GWSA的时空分布规律。首先,基于数据融合方法构建了库尔勒东区GWSA数值模型;然后,利用优化后的模型将GWSA反演数据的分辨率从1°降尺度至0.25°和0.05°,将反演的GWSA与水井监测的地下水位(GWL)数据进行对比验证;最后,利用0.05°GWSA数据分析研究区GWSA态势。结果表明:①与降尺度前1°GWSA数据相比,降尺度转换后的高分辨率GWSA数据在空间上更加平滑、展示了更加丰富的细节,且提高了与水井GWL监测数据的相关性,改进了反演精度和可靠性;②小尺度上,降尺度后的GWSA数据能够反映水源地地下水的季节性、年际和长期开采下的亏损等动态特征;③研究区GWSA呈现出时空分布差异性,2005—2020年区内地下水储量变化率为-1~1 mm·a-1,总体上呈南增、北减态势,南、北部山区的变幅大于中部相对平坦区域。

    利用恒星与低轨卫星同时成像实现地面定位的算法
    朱容蔚, 詹银虎, 李广云
    2024, 53(7):  1278-1287.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230079
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    天文定位技术抗干扰性强,隐蔽性好,误差不随时间积累,在陆基、海基、空天基平台上应用广泛。近些年,低轨巨星座技术迅猛发展,为导航技术的发展提供了契机。本文提出了一种基于低轨卫星光学观测的定位算法,以星间角距作为基本观测量,详细推导了定位模型,分析了影响定位精度的主要误差源,给出了误差传播公式。基于星链星座的仿真试验表明,本文算法平均定位精度可达30.5 m,其中北向、东向、天向平均定位精度分别为4.3、6.3、29.5 m。本文算法不仅保留了传统天文定位技术的优点,而且无须水平基准,为小型化、快速化和自动化天文导航装备的研制提供了一种思路,具有潜在的应用价值。

    “天问一号”探测器轨道确定及精度评估
    满海钧, 曹建峰, 鞠冰, 李勰, 孔静, 刘山洪
    2024, 53(7):  1288-1297.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230126
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    “天问一号”是我国首个自主火星探测任务,高精度轨道确定是圆满完成工程任务和科学数据分析的基础。针对“天问一号”不同飞行阶段的轨道特性、力学环境及测量水平,本文采用不同策略进行轨道确定并评估精度,在地火转移阶段轨道精度优于4 km,环火停泊阶段轨道精度优于1 km,中继通信阶段轨道精度优于100 m;双程测距数据精度约为0.5 m,1 s积分双程测速数据精度约为0.2 mm/s,VLBI时延数据精度约为0.3 ns。“天问一号”定轨精度主要受到太阳光压和姿控模型误差影响,在定轨过程中求解光压系数和经验加速度十分必要。“天问一号”探测器光压系数与经验加速度存在一定程度的耦合,需要添加先验约束信息。

    第二类勒让德函数的重规格化及其优化
    张捍卫, 杨永勤, 李晓玲, 张华
    2024, 53(7):  1298-1307.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230283
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    椭球谐函数级数展开是地球重力场椭球谐建模的基础。然而,处理椭球谐函数级数的主要困难在于计算第二类勒让德函数。而Jekeli的重规格化方法简化了这一计算过程。本文在Jekeli重规格化的基础上,详细推导了两种基于高斯超几何函数变换的优化递归方法,同时利用这两种优化递归的方法计算了第二类勒让德函数,并将其展开到二阶导数。通过数值计算,证明了优化递归方法可以有效加快收敛,缩短计算时间,并且适用阶数更高,这使得椭球谐函数级数在实际应用中更加方便、可行。

    分布式散射体相位估计奇异值分解法
    祝传广, 张继贤, 龙四春, 杨容华, 吴文豪, 张立亚
    2024, 53(7):  1308-1320.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230017
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    常规的分布式散射体(DS)相位估计方法需要生成全组合干涉对以构建样本协方差矩阵(SCM),然后根据SCM的统计特性估计DS相位,这一过程不但计算耗时,而且占据大量存储空间。本文提出了一种基于奇异值分解技术的DS相位快速估计方法(SVDI)。该方法分析的对象是单主影像干涉对组成的干涉相位矩阵而非全组合干涉对组成的SCM,因而可以有效提高计算效率、节省存储空间。并且,理论上证明了在一定条件下SVDI的结果与常规的特征值分解方法(EVD)是一致的。模拟数据和真实SAR数据的结果表明,SVDI算法有更高的计算效率,并且其相位估计精度以及形变解算精度与常规算法是一致的。

    海洋测量学
    融合星载GNSS-R数据和多变量参数全球海洋有效波高深度学习反演法
    布金伟, 余科根, 汪秋兰, 李玲惠, 刘馨雨, 左小清, 常军
    2024, 53(7):  1321-1335.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230050
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    星载GNSS-R作为一种新兴的观测方法,最近被应用于有效波高反演。现有研究通常使用从延迟多普勒图中提取的特征值以构建经验地球物理模型函数反演SWH。然而,使用多个变量参数作为模型输入具有很大挑战。为此,本文提出了一个融合星载GNSS-R数据和多变量参数反演全球海面SWH的深度学习网络模型(GloWH-Net)。为了验证本文模型的性能,ERA5、WaveWatch Ⅲ和AVISO SWH数据被用作广泛测试的参考数据,以评估GloWH-Net模型和先前模型(即经验模型和机器学习模型)的SWH反演性能。结果表明,当分别使用ERA5、WaveWatchⅢ和AVISO SWH作为参考值时,所提的GloWH-Net模型反演SWH的均方根误差分别为0.330、0.393和0.433 m,相关系数分别为0.91、0.89和0.84。相比基于最小方差估计器的经验组合模型反演SWH的均方根误差分别降低了53.45%、48.06%和40.63%;相比袋装树机器学习模型反演SWH的均方根误差分别降低了21.92%、18.72%和4.47%。表明了本文方法在反演全球海面SWH方面具有显著优势。

    简化声速剖面的声线精度损失极小准则及遗传算法
    李保金, 薛树强, 孙文舟, 李景森, 曾安敏, 卞加超
    2024, 53(7):  1336-1344.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230046
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    高精度水下导航定位为提高计算效率通常需要对声速剖面进行适度简化。简化声速剖面一方面涉及复杂组合优化问题,另一方面需要考虑简化导致的声线精度损失。本文构建了简化声速剖面的声线精度损失极小准则,并利用遗传算法求解该极小准则所涉及的组合优化问题。结果表明,相比简化声速剖面的MOV法与面积差法,本文算法可在有效控制声线精度损失的前提下,确定声速剖面简化层数,实现声速剖面简化的全局优化。

    水深点与等深线协同综合的强化学习方法
    宋子康, 贾帅东, 梁志诚, 张立华, 梁川
    2024, 53(7):  1345-1354.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230084
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    针对当前海图中水深点与等深线两要素的自动综合过程相对独立,二者相互影响考虑不够充分,导致结果不够理想的问题,提出一种水深点与等深线协同综合的强化学习方法。首先,获取用于水深点与等深线协同综合的训练样本;然后,构建并训练强化学习模型,挖掘水深点与等深线在综合过程中的相互影响关系;最后,利用训练后的模型,动态自适应调整水深点与等深线的综合策略。试验结果表明,在航海安全保证的可靠性、制图综合结果的图理性、海底地貌表达的准确性及海图要素分布的美观性等方面,强化学习法的性能均要优于当前常见的简单综合法、冲突避免法及协调水深法,更适用于处理水深点与等深线的协同综合问题。

    摄影测量与遥感
    面向室内空间智能的三维场景图表达与应用
    汤圣君, 杜思齐, 王伟玺, 郭仁忠
    2024, 53(7):  1355-1370.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230482
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    现有室内三维场景表达聚焦于对象化的描述方法,其要素表达还停留在对象级语义理解层面,欠缺对室内场景复杂关系信息的显示表达。面向室内空间智能任务需求,亟需一个能够完整、准确描述室内要素几何、语义及关系,且具备语义检索和分析推理能力的结构化模型支撑。基于三维场景图基础理论,本文创新性地提出面向室内空间智能的三维场景图表达模型,系统性介绍了室内三维场景图要素层级化组织、几何表达、语义描述、关系描述方法,建立了一个可统一描述室内要素几何、语义及关系的室内三维场景图概念模型。同时,该图模型可以与现有的三维场景表达方法进行融合表达,具有良好的数据兼容性。最终,本文基于公开的IFC模型构建了完整且具有多层级关系信息的三维场景图模型,并且结合大语言模型通过复杂场景检索、拓扑分析等应用对该模型的应用能力、潜力及局限性进行了系统性探讨和分析。结果表明,室内三维场景图模型具备复杂计算和分析能力,可直接与大语言模型集成,通过简单的自然语言提示实现复杂的场景分析应用。

    面向遥感图像场景分类的LAG-MANet模型
    王威, 郑薇, 王新
    2024, 53(7):  1371-1383.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230074
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    遥感图像分类过程中,局部信息与全局信息至关重要。目前,遥感图像分类的方法主要包括卷积神经网络(CNN)及Transformer。CNN在局部信息提取方面具有优势,但在全局信息提取方面有一定的局限性。相比之下,Transformer在全局信息提取方面表现出色,但计算复杂度高。为提高遥感图像场景分类性能,降低复杂度,设计了LAG-MANet纯卷积网络。该网络既关注局部特征,又关注全局特征,并且考虑了多尺度特征。输入图像被预处理后,首先采用多分支扩张卷积模块(MBDConv)提取多尺度特征;然后依次进入网络的4个阶段,在每个阶段采用并行双域特征融合模块(P2DF)分支路提取局部、全局特征并进行融合;最后先经过全局平均池化、再经过全连接层输出分类标签。LAG-MANet在WHU-RS19数据集、SIRI-WHU数据集及RSSCN7数据集上的分类准确率分别为97.76%、97.04%、97.18%。试验结果表明,在3个具有挑战性的公开遥感数据集上,LAG-MANet更具有优越性。

    遥感影像目标检测多尺度熵神经网络架构搜索
    杨军, 解恒静, 范红超, 闫浩文
    2024, 53(7):  1384-1400.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230455
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    针对传统神经网络架构搜索需要耗费大量时间用于超网训练,搜索效率较低,搜索得到的模型无法高效解决遥感影像中多尺度目标检测困难、背景复杂度高的问题,本文提出采用多尺度熵神经网络架构搜索的方法进行遥感影像目标检测。首先,在搜索空间的基础模块中加入特征分离卷积以代替残差模块中的常规卷积,减少遥感影像中由于背景复杂度高而造成的信息间干扰,提高网络模型在复杂背景下的检测性能;然后,引入最大熵原理,计算搜索空间中每个候选网络的多尺度熵,将多尺度熵与特征金字塔网络相结合,以兼顾遥感影像大、中、小目标的检测;最后,在不进行参数训练的情况下利用渐进式进化算法搜索得到多尺度熵最大的网络模型用于目标检测任务,在保证模型检测精度的同时,提升网络搜索效率。本文方法在RSOD、DIOR和DOTA数据集上的平均检测精度均值分别达到93.1%、75.5%和73.6%,网络搜索时间为8.1 h。试验结果表明,与当前基准方法相比,本文方法能够显著提升网络的搜索效率,在目标检测任务中更好地结合了不同尺度下的特征并解决了影像背景复杂度高的问题。

    面向土地覆盖精准分类的遥感特征参数优选方法
    陈超, 梁锦涛, 杨刚, 孙伟伟, 龚绍军, 王建强
    2024, 53(7):  1401-1416.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230327
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    在显著气候变化叠加人类活动干扰的背景下,可持续的自然资源管理对于精准掌握土地覆盖信息的需求不断提升。为应对地表形态的复杂性、地物类型的多样性、遥感图像特征的非线性给传统遥感图像分类方法带来的挑战,本文基于随机森林Gini指数,提出了一种10%阈值决策的遥感特征参数优选方法,旨在筛选出最优的遥感特征参数组合,达到最佳土地覆盖分类效果。首先,选择光谱特征、纹理特征、温热特征、高程特征、主成分特征组成遥感影像堆栈。然后,设置多组决策树对特征贡献度进行交叉验证,并根据特征重要性的归一化均值确定特征排序。最后,设定阈值,筛选出符合要求的遥感特征参数,并迭代过程。选择覆盖江苏盐城自然保护区的Sentinel-2遥感图像开展试验,结果表明,本文方法筛选出的遥感特征参数代表性好,与CART、SVM、KNN和只使用波段信息的RF相比,分类结果地物边界清晰,类别属性准确,总体精度和Kappa系数分别为96.20%和0.955 6。本文研究能够为区域空间规划和可持续发展提供技术支持。

    顾及空间异质性和特征优选的滑坡易发性评价方法
    刘雅婷, 陈传法
    2024, 53(7):  1417-1428.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230162
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    高效、精准、可靠的滑坡易发性评价方法是灾前科学预警和全面防治的关键手段。然而,传统滑坡易发性评价方法未能有效解决空间异质性和冗余特征造成的预测偏差。针对该问题,本文提出了一种顾及空间异质性和特征优选的滑坡易发性评价方法(spatial feature optimized Stacking,SF-Stacking)。该方法首先使用AGNES聚类(agglomerative nesting)将研究区全局栅格单元分成若干个局部子区,然后采用一种特征优选策略为每个子区选择最优致灾因子组合,最后采用Stacking集成技术耦合多种机器学习算法实现滑坡易发性评价。以宜宾市为研究区,基于滑坡灾害易发性分区图和统计学指标,将SF-Stacking方法与7种传统方法对比表明,SF-Stacking方法的准确性最优,稳健性最强,可解释性最高。

    地图学与地理信息
    精细刻画城镇自组织扩展过程的CA-ABM耦合模拟及预测模型
    张彬, 胡守庚, 王海军, 郭颖, 童陆亿, 夏天顺
    2024, 53(7):  1429-1443.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230410
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    城镇扩展模拟预测是支撑国土空间规划、实现城镇化高质量发展的重要手段,提高其科学性和实用性有助于精确把握城镇扩展趋势,对国土资源的合理和可持续利用意义重大。现有以元胞自动机(CA)为基础的模型着重于刻画空间因子驱动的城镇自然扩展过程,智能体模型(ABM)则在模拟城镇自组织扩展方面具有理论优势,而且已有的耦合方法多为基于模拟步骤的模型级联,难以实现二者紧密耦合以充分发挥其在模拟城镇自然和自组织扩展方面的优势。本文基于CA的结构开放性和ABM的理论优势,以可达性为媒介表征城镇扩展局部自组织过程的范围差异,并依据博弈论设计利益相关者之间的局部自组织规则,将ABM刻画的人地交互决策融入CA邻域构建,建立一种可以精细刻画城镇自组织扩展过程的CA-ABM耦合模拟及预测模型(CA-ABM-LSO),实现CA和ABM在底层结构的深度集成和城镇自然与自组织扩展过程的耦合模拟。以武汉市为例对其进行应用,结果表明:基于CA和ABM的优势互补特点进行耦合建模,能够充分发挥二者在刻画城镇自然和自组织扩展方面的优势,显著提升城镇扩展模拟精度,并改善模拟城镇斑块的景观形态;基于博弈论的局部自组织规则可有效实现宏观经济政策对微观智能体交互决策的指导,提高城镇扩展模拟的科学性和规划实用性;预计至2035年,武汉市城镇扩展的重点区域集中在高新科技园区和运输集散中心附近,这符合“武鄂黄黄”都市圈的发展预期,可为其空间规划提供决策支持。

    面向建筑物轮廓规则化的双路径边界约束与相对论生成对抗网络
    殷吉崇, 武芳, 翟仁健, 邱越, 巩现勇, 行瑞星
    2024, 53(7):  1444-1457.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230056
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    高分辨率遥感影像建筑物提取目前仍是遥感应用与地图制图领域的研究热点和难点。尽管深度学习方法的引入极大地提升了建筑物分割的精度,但建筑物分割掩膜中轮廓不规则和边界不清晰的问题依然存在。为了获取规则的建筑物轮廓和清晰的边界,本文基于双路径边界约束与相对论生成对抗网络提出一种建筑物轮廓规则化方法。该网络由双路径边界约束生成器和相对论平均鉴别器共同组成。双路径边界约束生成器通过双路径网络架构和边界损失函数来融合遥感影像和输入标签的边界细节信息来,从而生成规则的建筑物轮廓;而相对论平均鉴别器则通过评估地面实况标签与生成的规则化结果之间的质量差异来迫使生成器生成更为真实的建筑物掩膜。为验证模型性能、探索性能提升原因,本文在WHU建筑物数据集和Inria航空影像标注数据集上设计了对比试验和消融试验。试验结果表明,本文方法可以生成吻合地面实况标签的规则化结果,在解决分割掩膜边界模糊、轮廓不规则的问题上具有显著优势。

    博士论文摘要
    北京地铁沿线区地面沉降时空演变及灾害风险分析
    吕明苑
    2024, 53(7):  1458-1458.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230105
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    重庆主城生态系统服务及其优化调控研究
    王芳
    2024, 53(7):  1459-1459.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230113
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    耦合遥感及源示踪技术的我国大气氮排放、沉降及其来源解析研究
    陈声海
    2024, 53(7):  1460-1460.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230121
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    融合机载LiDAR与影像的城市形态特征识别及其对地表温度的影响研究
    莫悠
    2024, 53(7):  1461-1461.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230152
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    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    基于视频图像的室内火灾场景孪生建模方法
    谢亚坤
    2024, 53(7):  1462-1462.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230153
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    基于InSAR的青藏工程走廊多年冻土区地表形变监测及稳定性评价研究
    杜青松
    2024, 53(7):  1463-1463.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230155
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    星载GNSS-R冰冻圈反射面高度测量关键技术研究
    宋敏峰
    2024, 53(7):  1464-1464.  doi:10.11947/j.AGCS.2024.20230160
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