2020年 第45卷 第1期
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2020, 45(1): 1-6.
doi: 10.13203/j.whugis20180385
摘要:
风云三号C（Fengyun 3C，FY3C）卫星于2013年发射，搭载了全球导航卫星掩星探测仪（GNSS occultation sounder，GNOS），是国际首台兼容GPS和北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）的掩星探测仪，可同时提供GPS和BDS双频观测数据，为研究星载GPS/BDS组合定轨提供了机会。为了实现分米级精度的星载GPS/BDS组合实时定轨，首先推导了基于载波相位观测值的星载GPS/BDS实时定轨数学模型；然后重点分析了GPS与BDS广播星历误差的变化特性，对不同类型轨道的BDS广播星历误差在信号传播路径（location of signal，LOS）方向的投影进行统计，并以此为依据，建立载波相位观测值的伪模糊度待估参数及其随机模型，用来吸收LOS方向的广播星历误差，从而实现分米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件SATODS对FY3C卫星GPS/BDS实测数据模拟在轨实时处理，结果表明，在使用广播星历的条件下，基于星载GPS/BDS载波相位实时定轨，可以达到30 cm的位置精度以及0.3 mm/s的速度精度。加入BDS观测数据后，虽然BDS卫星的广播星历整体精度低于GPS，但是通过合理设置伪模糊度参数的随机模型，实时定轨结果相对于单GPS有了一定的提高，当FY3C卫星经过亚太地区上空时，实时定轨精度可提高10%以上。
风云三号C（Fengyun 3C，FY3C）卫星于2013年发射，搭载了全球导航卫星掩星探测仪（GNSS occultation sounder，GNOS），是国际首台兼容GPS和北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）的掩星探测仪，可同时提供GPS和BDS双频观测数据，为研究星载GPS/BDS组合定轨提供了机会。为了实现分米级精度的星载GPS/BDS组合实时定轨，首先推导了基于载波相位观测值的星载GPS/BDS实时定轨数学模型；然后重点分析了GPS与BDS广播星历误差的变化特性，对不同类型轨道的BDS广播星历误差在信号传播路径（location of signal，LOS）方向的投影进行统计，并以此为依据，建立载波相位观测值的伪模糊度待估参数及其随机模型，用来吸收LOS方向的广播星历误差，从而实现分米级精度的实时定轨。采用自主研制的实时定轨软件SATODS对FY3C卫星GPS/BDS实测数据模拟在轨实时处理，结果表明，在使用广播星历的条件下，基于星载GPS/BDS载波相位实时定轨，可以达到30 cm的位置精度以及0.3 mm/s的速度精度。加入BDS观测数据后，虽然BDS卫星的广播星历整体精度低于GPS，但是通过合理设置伪模糊度参数的随机模型，实时定轨结果相对于单GPS有了一定的提高，当FY3C卫星经过亚太地区上空时，实时定轨精度可提高10%以上。
2020, 45(1): 7-12.
doi: 10.13203/j.whugis20180408
摘要:
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）与水准是获取垂直形变量的重要手段，由于不同的仪器、误差模型、数据处理方法等因素，GNSS、水准两类高程变化结果之间存在系统偏差问题，由此提出了一种GNSS与水准高程变化的自适应融合方法。首先利用自适应最小二乘配置建立GNSS与水准重合点两类高程变化量之间的转换模型；然后利用转换模型修正其他GNSS控制点的高程变化量；最后利用反距离加权法建立区域高程变化速度格网模型。实验以山东省水准网与GNSS控制网数据为例，利用高程变化较一致的60个GNSS水准点建立高程变化转换模型，实现了GNSS与水准高程变化的有效融合，削弱了GNSS大地高变化与正常高变化之间的系统偏差，提高了山东省区域高程变化分析的可靠性。
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）与水准是获取垂直形变量的重要手段，由于不同的仪器、误差模型、数据处理方法等因素，GNSS、水准两类高程变化结果之间存在系统偏差问题，由此提出了一种GNSS与水准高程变化的自适应融合方法。首先利用自适应最小二乘配置建立GNSS与水准重合点两类高程变化量之间的转换模型；然后利用转换模型修正其他GNSS控制点的高程变化量；最后利用反距离加权法建立区域高程变化速度格网模型。实验以山东省水准网与GNSS控制网数据为例，利用高程变化较一致的60个GNSS水准点建立高程变化转换模型，实现了GNSS与水准高程变化的有效融合，削弱了GNSS大地高变化与正常高变化之间的系统偏差，提高了山东省区域高程变化分析的可靠性。
2020, 45(1): 13-20.
doi: 10.13203/j.whugis20180269
摘要:
北斗全球卫星导航系统（简称北斗三号系统，BDS-3）的试验星播发了与GPS L1/L5、欧洲的伽利略（Galileo）系统E1/E5a/E5b频率重叠的新体制信号B1C/B2a/B2b，这为GPS/Galileo/BDS-3试验星重叠频率的紧组合相对定位提供了条件。首先评估了GPS/Galileo/BDS-3试验星重叠频率差分系统间偏差（differential inter-system bias，DISB）的大小与时域稳定性，结果表明，相同类型接收机的DISB接近于0，在紧组合相对定位中可以忽略其影响。然后初步评估了GPS/Galileo/BDS-3试验星短基线单历元紧组合相对定位性能，结果表明，相较于传统的松组合模型，紧组合模型能够显著提高模糊度固定的成功率与可靠性。尤其是在单系统可观测卫星数较少、仅单频观测值可用的情形下，模糊度固定成功率可提高约25%~45%。
北斗全球卫星导航系统（简称北斗三号系统，BDS-3）的试验星播发了与GPS L1/L5、欧洲的伽利略（Galileo）系统E1/E5a/E5b频率重叠的新体制信号B1C/B2a/B2b，这为GPS/Galileo/BDS-3试验星重叠频率的紧组合相对定位提供了条件。首先评估了GPS/Galileo/BDS-3试验星重叠频率差分系统间偏差（differential inter-system bias，DISB）的大小与时域稳定性，结果表明，相同类型接收机的DISB接近于0，在紧组合相对定位中可以忽略其影响。然后初步评估了GPS/Galileo/BDS-3试验星短基线单历元紧组合相对定位性能，结果表明，相较于传统的松组合模型，紧组合模型能够显著提高模糊度固定的成功率与可靠性。尤其是在单系统可观测卫星数较少、仅单频观测值可用的情形下，模糊度固定成功率可提高约25%~45%。
2020, 45(1): 21-27.
doi: 10.13203/j.whugis20190062
摘要:
目前常用相位或多普勒观测值平滑伪距的方式提高全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的导航性能。然而在城市环境下，GNSS观测信号中断严重，且行人等载体运动具有很大随机性，常规的相位平滑伪距或者常速度/常加速度导航算法效果有限。因此，提出了一种基于历元间载体位置变化量约束的单机GNSS导航算法，该算法利用历元间相位差分观测值计算高精度历元间位置变化量，并以此描述载体的运动，构建滤波模型的状态方程，同时利用伪距观测值构建观测方程，采用扩展卡尔曼滤波实时估计载体的位置。实验使用低成本的单频u-blox接收机实测数据，结合该算法进行导航解算。结果表明，静态情况下，导航结果的平面精度优于0.56 m；在动态情况下，平面精度优于1.0 m。在使用基站播发的GNSS差分改正数后，导航平面精度、垂向精度分别提高约49%、46%。该算法性能可靠，即使前后历元仅有4颗卫星连续观测，仍能够提供连续、平滑的实时定位结果，为用户提供更优的导航体验。
目前常用相位或多普勒观测值平滑伪距的方式提高全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的导航性能。然而在城市环境下，GNSS观测信号中断严重，且行人等载体运动具有很大随机性，常规的相位平滑伪距或者常速度/常加速度导航算法效果有限。因此，提出了一种基于历元间载体位置变化量约束的单机GNSS导航算法，该算法利用历元间相位差分观测值计算高精度历元间位置变化量，并以此描述载体的运动，构建滤波模型的状态方程，同时利用伪距观测值构建观测方程，采用扩展卡尔曼滤波实时估计载体的位置。实验使用低成本的单频u-blox接收机实测数据，结合该算法进行导航解算。结果表明，静态情况下，导航结果的平面精度优于0.56 m；在动态情况下，平面精度优于1.0 m。在使用基站播发的GNSS差分改正数后，导航平面精度、垂向精度分别提高约49%、46%。该算法性能可靠，即使前后历元仅有4颗卫星连续观测，仍能够提供连续、平滑的实时定位结果，为用户提供更优的导航体验。
2020, 45(1): 28-37.
doi: 10.13203/j.whugis20180310
摘要:
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）超快速轨道作为实时或近实时定位的重要参数，其精度与时效性是亟待解决的关键问题。针对超快速轨道观测后期精度降低的现象，提出了一种基于轨道参数精度衰减因子（dilution of precision，DOP）的定轨精化模型。首先，基于定轨观测数据，利用赤池信息准则对DOP值预报模型进行构建与优选；然后，以DOP值为自变量建立其与轨道状态参数之间的函数模型；最后，将高精度预报的DOP值回代入函数模型实现观测后期轨道精度的提升。为验证轨道精化模型，分别对观测数据长度和函数模型进行分析，结果表明，基于1 d的观测数据进行轨道模型精化最优，且不同函数模型无明显差异。基于连续10 d的多系统超快速轨道实验表明，超快速轨道观测后期精化模型可提升轨道精度12.4%~22.0%。因此，该模型可实现对超快速观测轨道精化，对分析中心超快速轨道的改善具有重要意义。
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）超快速轨道作为实时或近实时定位的重要参数，其精度与时效性是亟待解决的关键问题。针对超快速轨道观测后期精度降低的现象，提出了一种基于轨道参数精度衰减因子（dilution of precision，DOP）的定轨精化模型。首先，基于定轨观测数据，利用赤池信息准则对DOP值预报模型进行构建与优选；然后，以DOP值为自变量建立其与轨道状态参数之间的函数模型；最后，将高精度预报的DOP值回代入函数模型实现观测后期轨道精度的提升。为验证轨道精化模型，分别对观测数据长度和函数模型进行分析，结果表明，基于1 d的观测数据进行轨道模型精化最优，且不同函数模型无明显差异。基于连续10 d的多系统超快速轨道实验表明，超快速轨道观测后期精化模型可提升轨道精度12.4%~22.0%。因此，该模型可实现对超快速观测轨道精化，对分析中心超快速轨道的改善具有重要意义。
2020, 45(1): 38-45, 104.
doi: 10.13203/j.whugis20190112
摘要:
在全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）定位中，相位缠绕是右极化信号因接收天线与发射天线发生相对旋转而产生的误差。当天线只绕其极化轴旋转时，短基线相对定位双差模型可以消除相位缠绕，因此静态短基线测量以及实时动态测量通常忽略此项误差改正。为了研究当天线旋转方向与极化轴方向不一致时（即发生倾斜摆动）双差模型中的相位缠绕影响，首先利用旋转机械臂设计了3种天线姿态变化方式。然后，从利用附加天线外部姿态信息计算的相位缠绕理论值和实测相位双差观测值残差两个方面进行验证分析，证明了当天线发生倾斜摆动时短基线相对定位双差模型不能完全消除相位缠绕误差。当天线倾斜幅度达到±50°时，相位双差残差达到峰值（0.03 m）。在使用姿态信息进行相位缠绕改正后，单颗卫星的双差残差均方根误差（root mean square error，RMSE）减小了21%~47%，动态短基线定位坐标偏差RMSE减小了27%~33%。最后验证了短基线相对定位中天线倾斜造成的相位缠绕影响与中长基线中地球曲率造成的相位缠绕影响具有近似等效性。
在全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）定位中，相位缠绕是右极化信号因接收天线与发射天线发生相对旋转而产生的误差。当天线只绕其极化轴旋转时，短基线相对定位双差模型可以消除相位缠绕，因此静态短基线测量以及实时动态测量通常忽略此项误差改正。为了研究当天线旋转方向与极化轴方向不一致时（即发生倾斜摆动）双差模型中的相位缠绕影响，首先利用旋转机械臂设计了3种天线姿态变化方式。然后，从利用附加天线外部姿态信息计算的相位缠绕理论值和实测相位双差观测值残差两个方面进行验证分析，证明了当天线发生倾斜摆动时短基线相对定位双差模型不能完全消除相位缠绕误差。当天线倾斜幅度达到±50°时，相位双差残差达到峰值（0.03 m）。在使用姿态信息进行相位缠绕改正后，单颗卫星的双差残差均方根误差（root mean square error，RMSE）减小了21%~47%，动态短基线定位坐标偏差RMSE减小了27%~33%。最后验证了短基线相对定位中天线倾斜造成的相位缠绕影响与中长基线中地球曲率造成的相位缠绕影响具有近似等效性。
2020, 45(1): 46-52.
doi: 10.13203/j.whugis20180215
摘要:
首先分析了GRACE-A、GRACE-B、FY3C 3颗低地球轨道（low earth orbit，LEO）卫星对于提升北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）卫星和GPS卫星可见性的影响，其中BDS中圆地球轨道（medium earth orbit，MEO）卫星的提高最为显著，一重覆盖弧段提高了45.7%，四重覆盖弧段提高了10.7%，与GPS卫星相当。然后利用卫星位置精度衰减因子（satellite position dilution of precision，SPDOP）分析了LEO卫星对导航卫星定轨观测几何结构的增强作用。加入LEO卫星后，BDS地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星SPDOP值下降了49%；倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbit，IGSO）卫星SPDOP值下降了39.8%；MEO卫星SPDOP值下降了34.9%；GPS卫星SPDOP值下降了41.2%。最后利用7个区域监测站和3颗LEO卫星的实测数据分析了LEO卫星对导航卫星轨道精度的提升，GPS卫星轨道的外符合一维均方根（one-dimensional root mean square，1D RMS）由14.4 cm提高到10.2 cm，提高了29.1%；BDS的GEO卫星轨道重叠弧段1D RMS由359.8 cm提高到90.5 cm，提高了74.8%；IGSO卫星由175.6 cm提高到52.1 cm，提高了70.3%；MEO卫星由90.5 cm提高到30.4 cm，提高了66%。
首先分析了GRACE-A、GRACE-B、FY3C 3颗低地球轨道（low earth orbit，LEO）卫星对于提升北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）卫星和GPS卫星可见性的影响，其中BDS中圆地球轨道（medium earth orbit，MEO）卫星的提高最为显著，一重覆盖弧段提高了45.7%，四重覆盖弧段提高了10.7%，与GPS卫星相当。然后利用卫星位置精度衰减因子（satellite position dilution of precision，SPDOP）分析了LEO卫星对导航卫星定轨观测几何结构的增强作用。加入LEO卫星后，BDS地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星SPDOP值下降了49%；倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous orbit，IGSO）卫星SPDOP值下降了39.8%；MEO卫星SPDOP值下降了34.9%；GPS卫星SPDOP值下降了41.2%。最后利用7个区域监测站和3颗LEO卫星的实测数据分析了LEO卫星对导航卫星轨道精度的提升，GPS卫星轨道的外符合一维均方根（one-dimensional root mean square，1D RMS）由14.4 cm提高到10.2 cm，提高了29.1%；BDS的GEO卫星轨道重叠弧段1D RMS由359.8 cm提高到90.5 cm，提高了74.8%；IGSO卫星由175.6 cm提高到52.1 cm，提高了70.3%；MEO卫星由90.5 cm提高到30.4 cm，提高了66%。
2020, 45(1): 53-61.
doi: 10.13203/j.whugis20180224
摘要:
北斗全球导航卫星系统(简称北斗三号系统，BDS-3)载有高精度的国产新型铷钟和被动型氢原子钟，相比于北斗二号系统(BDS-2)，其性能得到了极大的提升。为了分析BDS-3卫星钟的性能，首先采用中国矿业大学北斗数据处理与分析中心定轨软件估计了BDS-3的卫星钟差，其重叠弧段标准差精度优于1 ns。然后针对常用卫星钟差异常值探测方法的缺点，改进了Baarda粗差探测法，使其能够有效地处理北斗卫星钟差数据中存在的粗差、钟跳等异常值。最后采用处理后的钟差数据，分析了北斗卫星钟差的周期特性和频率稳定性。结果表明，加入两个周期项后，拟合残差序列更加稳定，拟合精度得到了很大的提升；BDS-3卫星的频率稳定性和BDS-2相比，提升了20.85%~75.09%；北斗中圆地球轨道(medium earth orbit，MEO)卫星的频率稳定性要优于倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit，IGSO)卫星；氢原子钟频率稳定性高于铷原子钟40.16%~65.60%，且氢原子钟的长期稳定性要明显优于铷原子钟。
北斗全球导航卫星系统(简称北斗三号系统，BDS-3)载有高精度的国产新型铷钟和被动型氢原子钟，相比于北斗二号系统(BDS-2)，其性能得到了极大的提升。为了分析BDS-3卫星钟的性能，首先采用中国矿业大学北斗数据处理与分析中心定轨软件估计了BDS-3的卫星钟差，其重叠弧段标准差精度优于1 ns。然后针对常用卫星钟差异常值探测方法的缺点，改进了Baarda粗差探测法，使其能够有效地处理北斗卫星钟差数据中存在的粗差、钟跳等异常值。最后采用处理后的钟差数据，分析了北斗卫星钟差的周期特性和频率稳定性。结果表明，加入两个周期项后，拟合残差序列更加稳定，拟合精度得到了很大的提升；BDS-3卫星的频率稳定性和BDS-2相比，提升了20.85%~75.09%；北斗中圆地球轨道(medium earth orbit，MEO)卫星的频率稳定性要优于倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit，IGSO)卫星；氢原子钟频率稳定性高于铷原子钟40.16%~65.60%，且氢原子钟的长期稳定性要明显优于铷原子钟。
2020, 45(1): 62-71.
doi: 10.13203/j.whugis20180321
摘要:
构建了两个无几何相位组合以及一个无几何伪距相位组合，并将其组成3个线性无关的周跳探测量，三者均能有效探测出小至一周的周跳。针对该探测组合存在的方程组病态的问题，提出了一种基于拓展岭估计的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）三频周跳实时修复方法。该方法首先采用统计-验证-优化的方式确定出岭参数搜索域R，然后以残差平方和最小为原则在R中搜索岭参数k值，最后对岭估计实数解求整得到整数周跳，并将历元修复后的两组残差平方和设为周跳修复可靠性检验指标。利用BDS三频实测数据对该算法进行验证，实验结果表明，该算法能够实现对全部北斗二号系统（BDS-2）和北斗三号系统（BDS-3）卫星三频周跳的实时探测与修复，具有较高的处理效率、适用性以及可靠性。
构建了两个无几何相位组合以及一个无几何伪距相位组合，并将其组成3个线性无关的周跳探测量，三者均能有效探测出小至一周的周跳。针对该探测组合存在的方程组病态的问题，提出了一种基于拓展岭估计的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system，BDS）三频周跳实时修复方法。该方法首先采用统计-验证-优化的方式确定出岭参数搜索域R，然后以残差平方和最小为原则在R中搜索岭参数k值，最后对岭估计实数解求整得到整数周跳，并将历元修复后的两组残差平方和设为周跳修复可靠性检验指标。利用BDS三频实测数据对该算法进行验证，实验结果表明，该算法能够实现对全部北斗二号系统（BDS-2）和北斗三号系统（BDS-3）卫星三频周跳的实时探测与修复，具有较高的处理效率、适用性以及可靠性。
2020, 45(1): 72-80.
doi: 10.13203/j.whugis20180425
摘要:
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的发展和完善为多星座融合定位、导航和授时提供了重要基础，也为接收机自主完好性监测提供了更有利的外部条件。首先通过星座仿真，分别计算了单频和双频条件下GNSS单系统及组合系统的保护水平；然后分析了全球范围内GNSS不同频率及不同组合方式条件下的保护水平的基本分布情况；最后探讨了在不同频率和组合方式条件下接收机自主完好性监测（receiver autonomous integrity monitoring，RAIM）在不同进近阶段的可用性。计算结果表明，单系统单频或双频组合均不能满足垂直制导航性能（localizer performance with vertical guidance 200ft，LPV-200）进近阶段的要求；双系统双频组合可满足LPV-200进近阶段的要求；三系统双频组合可满足具有垂直引导（approach with vertical guidance II，APV-II）的进近阶段的要求，但无法满足精密进近要求；四系统组合相比于三系统组合改善效果不明显。
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）的发展和完善为多星座融合定位、导航和授时提供了重要基础，也为接收机自主完好性监测提供了更有利的外部条件。首先通过星座仿真，分别计算了单频和双频条件下GNSS单系统及组合系统的保护水平；然后分析了全球范围内GNSS不同频率及不同组合方式条件下的保护水平的基本分布情况；最后探讨了在不同频率和组合方式条件下接收机自主完好性监测（receiver autonomous integrity monitoring，RAIM）在不同进近阶段的可用性。计算结果表明，单系统单频或双频组合均不能满足垂直制导航性能（localizer performance with vertical guidance 200ft，LPV-200）进近阶段的要求；双系统双频组合可满足LPV-200进近阶段的要求；三系统双频组合可满足具有垂直引导（approach with vertical guidance II，APV-II）的进近阶段的要求，但无法满足精密进近要求；四系统组合相比于三系统组合改善效果不明显。
2020, 45(1): 81-88.
doi: 10.13203/j.whugis20190242
摘要:
在三维产权管理中，许多三维产权对象（如住宅公寓）具有彼此邻接、密集分布的群集特征，物理上对象间存在客观的视觉遮挡，使得产权对象的空间位置、空间形态以及对象间的空间关系不易被观测。论述了群集三维对象可视化的要求和原则，分析了常用的切剖面、透明及线框、抽屉式交互可视化、体素等可视化方法，针对群集三维对象可视化的优缺点，提出一种基于离散变形技术实现对群集三维对象以及其内部对象的可视化方法。以真实三维房产为例进行实验验证，结果表明，离散变形可视化既能展现城市三维产权体对象的群集特征，又能突出内部聚焦对象，同时在空间布局、位置关系、拓扑关系等方面保持较好的认知特征。
在三维产权管理中，许多三维产权对象（如住宅公寓）具有彼此邻接、密集分布的群集特征，物理上对象间存在客观的视觉遮挡，使得产权对象的空间位置、空间形态以及对象间的空间关系不易被观测。论述了群集三维对象可视化的要求和原则，分析了常用的切剖面、透明及线框、抽屉式交互可视化、体素等可视化方法，针对群集三维对象可视化的优缺点，提出一种基于离散变形技术实现对群集三维对象以及其内部对象的可视化方法。以真实三维房产为例进行实验验证，结果表明，离散变形可视化既能展现城市三维产权体对象的群集特征，又能突出内部聚焦对象，同时在空间布局、位置关系、拓扑关系等方面保持较好的认知特征。
2020, 45(1): 89-96.
doi: 10.13203/j.whugis20180191
摘要:
全球离散格网系统是数字化的多分辨率地球参考模型，在结构上支持多源位置相关信息的融合处理。基于正二十面体剖分的六边形全球离散格网系统具有较好的几何属性，相关研究已引起学术界的广泛关注，如何建立封闭球面上的六边形格网系统编码运算方案是当前的研究难点。研究表明，基于正多面体剖分的全球离散格网系统与正多面体格网系统拓扑等价，两者的编码运算结果也完全相同。根据这一原理，结合四孔六边形格网系统在正二十面体表面的分布特点，基于六边形格点四叉树定义顶点瓦片与面瓦片结构，提出了正二十面体四孔六边形格网系统编码运算方案。该方案通过高效编码运算实现了格网单元跨面操作，克服了现有成果需借助低效浮点数运算实现相同操作的缺陷。对比实验表明，该方案的跨面邻近单元搜索效率约是六边形四元平衡结构方案的19.6倍。
全球离散格网系统是数字化的多分辨率地球参考模型，在结构上支持多源位置相关信息的融合处理。基于正二十面体剖分的六边形全球离散格网系统具有较好的几何属性，相关研究已引起学术界的广泛关注，如何建立封闭球面上的六边形格网系统编码运算方案是当前的研究难点。研究表明，基于正多面体剖分的全球离散格网系统与正多面体格网系统拓扑等价，两者的编码运算结果也完全相同。根据这一原理，结合四孔六边形格网系统在正二十面体表面的分布特点，基于六边形格点四叉树定义顶点瓦片与面瓦片结构，提出了正二十面体四孔六边形格网系统编码运算方案。该方案通过高效编码运算实现了格网单元跨面操作，克服了现有成果需借助低效浮点数运算实现相同操作的缺陷。对比实验表明，该方案的跨面邻近单元搜索效率约是六边形四元平衡结构方案的19.6倍。
2020, 45(1): 97-104.
doi: 10.13203/j.whugis20180213
摘要:
传统的反距离加权（inverse distance weighted，IDW）插值法存在以假设空间过程平稳为前提，且插值过程需要用户提供初始化参数如分区数目、参考样点个数等的问题，因此提出一种顾及空间异质性的自适应IDW插值算法。该算法首先根据样点待插值属性数据的数理统计特征自适应设定分类阈值，将全部样点按照属性值大小分成高、中、低三类，其次利用机器学习算法k近邻法（k-nearest neighbor，k-NN）判定待插值点所属类别，然后根据分类结果自适应为待插值点一阶邻近样点，并设置相应的权重调和因子，最后构造出一个集空间相关与空间异质性于一体的IDW插值算法模型。实验结果表明，顾及空间异质性算法无需用户提供任何经验参数，其抗粗差的能力较另3种经典IDW插值算法更强，能够有效提高IDW插值算法的精准度。
传统的反距离加权（inverse distance weighted，IDW）插值法存在以假设空间过程平稳为前提，且插值过程需要用户提供初始化参数如分区数目、参考样点个数等的问题，因此提出一种顾及空间异质性的自适应IDW插值算法。该算法首先根据样点待插值属性数据的数理统计特征自适应设定分类阈值，将全部样点按照属性值大小分成高、中、低三类，其次利用机器学习算法k近邻法（k-nearest neighbor，k-NN）判定待插值点所属类别，然后根据分类结果自适应为待插值点一阶邻近样点，并设置相应的权重调和因子，最后构造出一个集空间相关与空间异质性于一体的IDW插值算法模型。实验结果表明，顾及空间异质性算法无需用户提供任何经验参数，其抗粗差的能力较另3种经典IDW插值算法更强，能够有效提高IDW插值算法的精准度。
2020, 45(1): 105-110.
doi: 10.13203/j.whugis20180205
摘要:
矢量数据是地球空间数据的重要组成部分，数据离散化是其与栅格数据进行同构处理的重要环节，其中离散线的生成是基本问题。针对三角形格网离散线生成算法的不足，提出了借助弱对偶六边形格网，建立等效三角形格网离散线数学模型，并通过降维方式求解的研究方法。首先，根据三角形格网与六边形格网之间的弱对偶关系，基于六边形格网建立等价的三角形格网离散线模型；然后，利用降维思想将二维离散线模型等价变换为一维闭合路径求解；最后，设计并实现了平面三角形格网离散线转化生成算法。将该算法分别与Freeman算法和全路径算法进行了对比实验，实验结果表明，该算法的运算效率可达同类算法的9~10倍，且效果更优，可应用于矢量数据的实时格网化、地形建模、空间分析、模拟仿真等领域，应用前景广阔。
矢量数据是地球空间数据的重要组成部分，数据离散化是其与栅格数据进行同构处理的重要环节，其中离散线的生成是基本问题。针对三角形格网离散线生成算法的不足，提出了借助弱对偶六边形格网，建立等效三角形格网离散线数学模型，并通过降维方式求解的研究方法。首先，根据三角形格网与六边形格网之间的弱对偶关系，基于六边形格网建立等价的三角形格网离散线模型；然后，利用降维思想将二维离散线模型等价变换为一维闭合路径求解；最后，设计并实现了平面三角形格网离散线转化生成算法。将该算法分别与Freeman算法和全路径算法进行了对比实验，实验结果表明，该算法的运算效率可达同类算法的9~10倍，且效果更优，可应用于矢量数据的实时格网化、地形建模、空间分析、模拟仿真等领域，应用前景广阔。
2020, 45(1): 111-118.
doi: 10.13203/j.whugis20180219
摘要:
室内路径规划受到多种约束条件影响，在考虑场景的空间几何、环境属性信息的同时，还要兼顾应用偏好、顾及室内寻路行为的各向同性特征和叠加多约束条件对寻路的影响，这就需要一种可集成多约束条件的数据模型对室内场景进行建模。因此，构建了基于六边形格网的多因素约束的A*算法模型，该算法采用各向同性的正六边形对室内场景建模，并将约束条件作为因素，指导寻路算法实现路径规划。基于此模型，再以距离、辨识度及行人密度为例，说明了约束条件对路径规划的影响，阐述了其与场景建模和寻路算法进行有机结合的优越性。实验结果表明，该方案能有效兼顾距离、地标强度、行人热力等约束条件，提供更符合应用偏好的路径。
室内路径规划受到多种约束条件影响，在考虑场景的空间几何、环境属性信息的同时，还要兼顾应用偏好、顾及室内寻路行为的各向同性特征和叠加多约束条件对寻路的影响，这就需要一种可集成多约束条件的数据模型对室内场景进行建模。因此，构建了基于六边形格网的多因素约束的A*算法模型，该算法采用各向同性的正六边形对室内场景建模，并将约束条件作为因素，指导寻路算法实现路径规划。基于此模型，再以距离、辨识度及行人密度为例，说明了约束条件对路径规划的影响，阐述了其与场景建模和寻路算法进行有机结合的优越性。实验结果表明，该方案能有效兼顾距离、地标强度、行人热力等约束条件，提供更符合应用偏好的路径。
2020, 45(1): 119-125.
doi: 10.13203/j.whugis20180336
摘要:
提出了一种新的描述地理线要素复杂程度的方法。首先利用傅里叶级数将地理线要素从空间域转化到频率域进行分析，对不同的地理线要素进行傅里叶展开后得到其不同的傅里叶描述子，并采用设定面积阈值的方法，将傅里叶展开前后的地理要素产生的偏差控制在一定范围内，使经过傅里叶描述子还原的曲线可以近似代替原地理线要素。然后，在香农信息熵理论的基础上对傅里叶展开后的拟合曲线进行信息量的计算，再将频率域与分形理论相结合，在首尾分布以及Koch的"二八定律"的基础上对信息量数据进行进一步处理，从而提出了分布指数p的概念。最后将分布指数与方根模型相结合，利用最小二乘法得到了地图在不同尺度下的分布指数的近似表达式，并选取一片区域的等高线数据进行实验，验证了分布指数对不同尺度下的地理线要素复杂程度具有较好的表达效果，并可以将其运用于线要素的多尺度表达。
提出了一种新的描述地理线要素复杂程度的方法。首先利用傅里叶级数将地理线要素从空间域转化到频率域进行分析，对不同的地理线要素进行傅里叶展开后得到其不同的傅里叶描述子，并采用设定面积阈值的方法，将傅里叶展开前后的地理要素产生的偏差控制在一定范围内，使经过傅里叶描述子还原的曲线可以近似代替原地理线要素。然后，在香农信息熵理论的基础上对傅里叶展开后的拟合曲线进行信息量的计算，再将频率域与分形理论相结合，在首尾分布以及Koch的"二八定律"的基础上对信息量数据进行进一步处理，从而提出了分布指数p的概念。最后将分布指数与方根模型相结合，利用最小二乘法得到了地图在不同尺度下的分布指数的近似表达式，并选取一片区域的等高线数据进行实验，验证了分布指数对不同尺度下的地理线要素复杂程度具有较好的表达效果，并可以将其运用于线要素的多尺度表达。
2020, 45(1): 126-133.
doi: 10.13203/j.whugis20180199
摘要:
为了解决星载分布式干涉合成孔径雷达三维基线的高精度定标问题，提出了一种基线定标新方法。首先，该方法将辅雷达多普勒方程与辅雷达距离改化方程相结合，形成基线定标模型，再基于地面控制点，采用最小二乘迭代解算基线三个轴向误差。与基于辅雷达距离改化方程的基线定标模型相比，该基线定标模型优化了法方程系数矩阵条件数，减小了矩阵的病态程度，提高了定标精度。然后，根据基线定标实际上是利用多个地面控制点交会出基线矢量，以及增大交会角可提高交会精度的原理，给出了控制点布设策略，即在近、远距端两侧布设控制点。与均匀布设控制点方式相比，该方式能显著提高定标精度和稳健性。最后，利用星载分布式干涉合成孔径雷达仿真数据进行基线定标实验，先后开展基于不同控制点数量、不同控制点精度、不同控制点布设策略的基线定标实验。实验结果表明，该方法能实现三维基线高精度定标，对跨轨、顺轨、径向基线的定标精度能达到毫米级，可为星载分布式干涉合成孔径雷达基线定标提供一种新途径。
为了解决星载分布式干涉合成孔径雷达三维基线的高精度定标问题，提出了一种基线定标新方法。首先，该方法将辅雷达多普勒方程与辅雷达距离改化方程相结合，形成基线定标模型，再基于地面控制点，采用最小二乘迭代解算基线三个轴向误差。与基于辅雷达距离改化方程的基线定标模型相比，该基线定标模型优化了法方程系数矩阵条件数，减小了矩阵的病态程度，提高了定标精度。然后，根据基线定标实际上是利用多个地面控制点交会出基线矢量，以及增大交会角可提高交会精度的原理，给出了控制点布设策略，即在近、远距端两侧布设控制点。与均匀布设控制点方式相比，该方式能显著提高定标精度和稳健性。最后，利用星载分布式干涉合成孔径雷达仿真数据进行基线定标实验，先后开展基于不同控制点数量、不同控制点精度、不同控制点布设策略的基线定标实验。实验结果表明，该方法能实现三维基线高精度定标，对跨轨、顺轨、径向基线的定标精度能达到毫米级，可为星载分布式干涉合成孔径雷达基线定标提供一种新途径。
2020, 45(1): 134-140.
doi: 10.13203/j.whugis20180212
摘要:
宽幅干涉（terrain observation by progressive scans，TOPS）模式方位向多普勒中心频率的变化导致了干涉图相位的相对扭曲，干涉处理时需要较高的配准精度。加拿大合成孔径雷达遥感卫星（RADARSAT-2）TOPS模式影像由于轨道精度较差，几何配准精度过低，导致其干涉配准较哨兵合成孔径雷达遥感（Sentinel-1）卫星更加复杂。为了实现该卫星TOPS模式影像的干涉处理，首先采用相关配准、谱分集方法依次对几何配准结果进行校正，然后利用增强谱分集进行方位向偏移量矫正。由于依靠卫星星历参数和聚焦成像参数的多普勒中心估计方法精度有限，因此提出了采用相位增量法优化多普勒中心估计结果，并通过影像方位线功率谱检验了估计的多普勒中心。
宽幅干涉（terrain observation by progressive scans，TOPS）模式方位向多普勒中心频率的变化导致了干涉图相位的相对扭曲，干涉处理时需要较高的配准精度。加拿大合成孔径雷达遥感卫星（RADARSAT-2）TOPS模式影像由于轨道精度较差，几何配准精度过低，导致其干涉配准较哨兵合成孔径雷达遥感（Sentinel-1）卫星更加复杂。为了实现该卫星TOPS模式影像的干涉处理，首先采用相关配准、谱分集方法依次对几何配准结果进行校正，然后利用增强谱分集进行方位向偏移量矫正。由于依靠卫星星历参数和聚焦成像参数的多普勒中心估计方法精度有限，因此提出了采用相位增量法优化多普勒中心估计结果，并通过影像方位线功率谱检验了估计的多普勒中心。
2020, 45(1): 141-149.
doi: 10.13203/j.whugis20180263
摘要:
青藏高原水资源对我国经济社会发展及气候变化影响深远。借助重力反演与气候实验（gravity recovery and climate experiment，GRACE）卫星重力数据，针对其滤波泄漏误差影响，采用Forward-Modeling方法进行定量估算。在顾及冰川均衡调整（glacial isostatic adjustment，GIA）效应情况下，反演青藏高原水储量变化，将结果与全球水评估与预测模型（water-global assessment and prognosis hydrology model，WGHM）进行比较分析。利用短时傅里叶变换提取时序信号的时频谱特征，并结合全球降水气候中心（global precipitation climatology centre，GPCC）降水数据探讨水储量与降水的关系。研究发现：（1）恢复泄漏信号后水储量变化呈现明显的空间差异性，大部分时段青藏高原正北和东南部水储量大幅盈余，正南和西南部水储量快速亏损，其空间特征与WGHM模型结果基本一致。（2）水储量时频谱分布以低频信号为主，其动态变化具有明显的季节性和阶段性变化，周年振幅达到7.5 cm。2003-2004年水储量增加速率为（3.9±4.9）cm/a；2005-2010年亏损速率为（-0.3±0.8）cm/a；2011-2014年上升速率为（0.2±1.6）cm/a。（3）降水是影响陆地水储量变化的主要因素，在降水明显偏少的2006年和2009年，水储量均存在明显负异常；在降水偏多的2010年，水储量显著回升。实验证明，该泄漏误差改正方法和研究结果对于区域水储量变化的定量研究具有重要参考价值。
青藏高原水资源对我国经济社会发展及气候变化影响深远。借助重力反演与气候实验（gravity recovery and climate experiment，GRACE）卫星重力数据，针对其滤波泄漏误差影响，采用Forward-Modeling方法进行定量估算。在顾及冰川均衡调整（glacial isostatic adjustment，GIA）效应情况下，反演青藏高原水储量变化，将结果与全球水评估与预测模型（water-global assessment and prognosis hydrology model，WGHM）进行比较分析。利用短时傅里叶变换提取时序信号的时频谱特征，并结合全球降水气候中心（global precipitation climatology centre，GPCC）降水数据探讨水储量与降水的关系。研究发现：（1）恢复泄漏信号后水储量变化呈现明显的空间差异性，大部分时段青藏高原正北和东南部水储量大幅盈余，正南和西南部水储量快速亏损，其空间特征与WGHM模型结果基本一致。（2）水储量时频谱分布以低频信号为主，其动态变化具有明显的季节性和阶段性变化，周年振幅达到7.5 cm。2003-2004年水储量增加速率为（3.9±4.9）cm/a；2005-2010年亏损速率为（-0.3±0.8）cm/a；2011-2014年上升速率为（0.2±1.6）cm/a。（3）降水是影响陆地水储量变化的主要因素，在降水明显偏少的2006年和2009年，水储量均存在明显负异常；在降水偏多的2010年，水储量显著回升。实验证明，该泄漏误差改正方法和研究结果对于区域水储量变化的定量研究具有重要参考价值。
2020, 45(1): 150-158.
doi: 10.13203/j.whugis20190084
摘要:
基于两组敦煌定标场的GF-1 PMS2、GF-2 PMS1与Landsat-8 OLI（operational land imager）同步影像，对3种传感器之间表观反射率数据的一致性进行交互对比。结果表明，两颗国产高分卫星的表观反射率数据具有很高的一致性，但它们与Landsat-8数据之间存在着一定的差异，其中尤以近红外波段的差异最为明显。在可见光波段，3种传感器的信号强度关系为：GF-2 PMS1 > GF-1 PMS2 > Landsat-8 OLI，在近红外波段的关系为：Landsat-8 OLI > GF-1 PMS2 > GF-2 PMS1。试验结果表明，所提出的数据转换模型能够有效地降低两种国产高分卫星传感器与Landsat-8 OLI在近红外波段的明显差异，且当选择与被转换影像地物比例一致性较高的模型进行转换时，转换精度能够进一步提高。
基于两组敦煌定标场的GF-1 PMS2、GF-2 PMS1与Landsat-8 OLI（operational land imager）同步影像，对3种传感器之间表观反射率数据的一致性进行交互对比。结果表明，两颗国产高分卫星的表观反射率数据具有很高的一致性，但它们与Landsat-8数据之间存在着一定的差异，其中尤以近红外波段的差异最为明显。在可见光波段，3种传感器的信号强度关系为：GF-2 PMS1 > GF-1 PMS2 > Landsat-8 OLI，在近红外波段的关系为：Landsat-8 OLI > GF-1 PMS2 > GF-2 PMS1。试验结果表明，所提出的数据转换模型能够有效地降低两种国产高分卫星传感器与Landsat-8 OLI在近红外波段的明显差异，且当选择与被转换影像地物比例一致性较高的模型进行转换时，转换精度能够进一步提高。
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