当期目录
2022年 第47卷 第9期
2022,
47(9):
1349-1363. doi: 10.13203/j.whugis20220099
摘要:
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）‐声学海底定位是面向海底俯冲带板块形变监测需求提出的一种定位技术，也是建设海洋时空基准网的一种重要技术，有着广阔的应用前景。虽然目前GNSS‐声学海底定位技术的研究成果还不能满足海洋时空基准网的建设需求，但其数据处理方法尤其是声速误差精细处理方法，对海洋时空基准网海底部分（海底大地基准）的建设具有重要借鉴意义。介绍了GNSS‐声学海底定位技术的起源，并将其分为静态测量和动态测量两类，同时将声速误差处理方法作为该技术的发展脉络进行梳理，提炼了该技术的3个发展阶段：仅假设海洋声速垂向分层、考虑声速的时域变化、考虑声速的水平梯度。对于仅假设海洋声速垂向分层的阶段，国外学者采用几何结构对称的方式来削弱声速误差的影响；国内学者则主要对声速以外误差源（杆臂矢量误差、时标偏差、姿态角误差等）进行了研究，并用优化随机模型的方式削弱系统误差对定位的影响。对于考虑声速时域变化的阶段，国外学者利用拟合方法（多项式拟合或三次样条拟合）结合参数平滑约束来解算声速的时域变化量，提高定位的稳定性；国内学者基于此细化了参数拟合的方法（考虑参数长周期项的变化特征），并创新性地提出了水下差分定位算法。对于考虑声速水平梯度的阶段，国内外学者在GNSS‐声学海底定位中解算了声速水平梯度参数，提高了水平方向定位的稳定性，并利用海洋数值模型验证了结果的可靠性。展望了将GNSS‐声学海底定位高精度数据处理方法应用于海底大地基准建设的前景，并引入了小时空尺度声速层析的概念（基于海洋时空基准网的声速误差处理方法），以期解决数值预报模型不能提供小时空尺度产品的问题，进而为水下潜器提供更高精度的声速误差改正服务。
全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）‐声学海底定位是面向海底俯冲带板块形变监测需求提出的一种定位技术，也是建设海洋时空基准网的一种重要技术，有着广阔的应用前景。虽然目前GNSS‐声学海底定位技术的研究成果还不能满足海洋时空基准网的建设需求，但其数据处理方法尤其是声速误差精细处理方法，对海洋时空基准网海底部分（海底大地基准）的建设具有重要借鉴意义。介绍了GNSS‐声学海底定位技术的起源，并将其分为静态测量和动态测量两类，同时将声速误差处理方法作为该技术的发展脉络进行梳理，提炼了该技术的3个发展阶段：仅假设海洋声速垂向分层、考虑声速的时域变化、考虑声速的水平梯度。对于仅假设海洋声速垂向分层的阶段，国外学者采用几何结构对称的方式来削弱声速误差的影响；国内学者则主要对声速以外误差源（杆臂矢量误差、时标偏差、姿态角误差等）进行了研究，并用优化随机模型的方式削弱系统误差对定位的影响。对于考虑声速时域变化的阶段，国外学者利用拟合方法（多项式拟合或三次样条拟合）结合参数平滑约束来解算声速的时域变化量，提高定位的稳定性；国内学者基于此细化了参数拟合的方法（考虑参数长周期项的变化特征），并创新性地提出了水下差分定位算法。对于考虑声速水平梯度的阶段，国内外学者在GNSS‐声学海底定位中解算了声速水平梯度参数，提高了水平方向定位的稳定性，并利用海洋数值模型验证了结果的可靠性。展望了将GNSS‐声学海底定位高精度数据处理方法应用于海底大地基准建设的前景，并引入了小时空尺度声速层析的概念（基于海洋时空基准网的声速误差处理方法），以期解决数值预报模型不能提供小时空尺度产品的问题，进而为水下潜器提供更高精度的声速误差改正服务。
2022,
47(9):
1364-1375. doi: 10.13203/j.whugis20200379
摘要:
现有人口空间化方法多基于行政单元构建回归模型并分配格网单元人口，但分析单元的尺度差异引发模型迁移问题。同时，格网特征建模仅考虑格网自身属性，导致格网间空间关联被人为割裂。为此，基于随机森林模型提出一种顾及格网属性分级与空间关联的人口空间化方法。该方法在格网特征建模中：（1）基于自然断点法构造建筑区类别约束的夜间灯光分级特征，并在行政单元尺度统计各等级网格占比作为训练输入，以减小模型跨尺度误差；（2）利用核密度估计刻画邻域兴趣点（point of interest, POI）对当前格网人口分布的影响及距离衰减效应；（3）基于叠置分析统计不同类型建筑区轮廓包含的各类POI数量，提升特征建模精细度。选取武汉市作为实验区域，在街道尺度与WorldPop、GPW及中国公里网格人口数据集进行对比验证方法的有效性。结果表明，该方法的平均绝对值误差仅为对比数据集的1/6~1/3。此外，还探讨了特征构成、格网大小及核密度带宽对精度的影响。
现有人口空间化方法多基于行政单元构建回归模型并分配格网单元人口，但分析单元的尺度差异引发模型迁移问题。同时，格网特征建模仅考虑格网自身属性，导致格网间空间关联被人为割裂。为此，基于随机森林模型提出一种顾及格网属性分级与空间关联的人口空间化方法。该方法在格网特征建模中：（1）基于自然断点法构造建筑区类别约束的夜间灯光分级特征，并在行政单元尺度统计各等级网格占比作为训练输入，以减小模型跨尺度误差；（2）利用核密度估计刻画邻域兴趣点（point of interest, POI）对当前格网人口分布的影响及距离衰减效应；（3）基于叠置分析统计不同类型建筑区轮廓包含的各类POI数量，提升特征建模精细度。选取武汉市作为实验区域，在街道尺度与WorldPop、GPW及中国公里网格人口数据集进行对比验证方法的有效性。结果表明，该方法的平均绝对值误差仅为对比数据集的1/6~1/3。此外，还探讨了特征构成、格网大小及核密度带宽对精度的影响。
2022,
47(9):
1376-1382. doi: 10.13203/j.whugis20220342
摘要:
六边形全球离散格网系统是支持多源地球空间信息融合处理的优选解决方案，相关研究已引起学术界广泛关注。相较于完整的全球格网，局部不规则区域格网的应用需求更加广泛，相关生成算法是当前六边形全球离散格网系统研究的重要问题之一。将二十面体相邻三角面组合为菱形逻辑结构，在此基础上，提出一种局部区域多孔径六边形格网系统生成算法。首先，分析格网剖分类型，建立离散整数坐标系，描述多孔径六边形格网单元空间位置；其次，将局部区域分解到球面二十面体的菱形逻辑结构上创建子区域；然后，根据子区域边界设计外接最小菱形遍历算法，剔除与目标区域无关单元；最后，遍历最小菱形，生成多孔径局部格网。对比实验结果表明，提出的算法具有灵活性好、效率高等优点，生成的多孔径六边形格网用于栅格数据组织，可显著减少数据量，具有较好的应用潜力。
六边形全球离散格网系统是支持多源地球空间信息融合处理的优选解决方案，相关研究已引起学术界广泛关注。相较于完整的全球格网，局部不规则区域格网的应用需求更加广泛，相关生成算法是当前六边形全球离散格网系统研究的重要问题之一。将二十面体相邻三角面组合为菱形逻辑结构，在此基础上，提出一种局部区域多孔径六边形格网系统生成算法。首先，分析格网剖分类型，建立离散整数坐标系，描述多孔径六边形格网单元空间位置；其次，将局部区域分解到球面二十面体的菱形逻辑结构上创建子区域；然后，根据子区域边界设计外接最小菱形遍历算法，剔除与目标区域无关单元；最后，遍历最小菱形，生成多孔径局部格网。对比实验结果表明，提出的算法具有灵活性好、效率高等优点，生成的多孔径六边形格网用于栅格数据组织，可显著减少数据量，具有较好的应用潜力。
2022,
47(9):
1383-1389. doi: 10.13203/j.whugis20200177
摘要:
空间同位模式挖掘旨在发现空间数据库中频繁发生在邻近位置的地理事件。由于空间异质性，地理事件在不同区域邻近出现的频繁程度亦存在差异，进而形成局部同位模式。现有局部同位模式挖掘方法多基于欧氏空间的平面假设，难以客观揭示网络空间（如城市道路）内地理事件间的局部同位规律，因此基于空间扫描统计思想，提出了一种网络约束下的局部同位模式挖掘方法。首先，发展了网络约束下的路径扩展方法，识别可能存在局部网络空间同位模式的候选路径；其次，基于网络约束下的二元泊松分布构建显著性检验的零模型，判别候选路径中局部网络空间同位模式的有效性。通过模拟实验与北京市出租车供需模式分析，发现该方法比现有方法得到的结果更精细、更客观，能够有效地挖掘网络约束下的局部同位模式。
空间同位模式挖掘旨在发现空间数据库中频繁发生在邻近位置的地理事件。由于空间异质性，地理事件在不同区域邻近出现的频繁程度亦存在差异，进而形成局部同位模式。现有局部同位模式挖掘方法多基于欧氏空间的平面假设，难以客观揭示网络空间（如城市道路）内地理事件间的局部同位规律，因此基于空间扫描统计思想，提出了一种网络约束下的局部同位模式挖掘方法。首先，发展了网络约束下的路径扩展方法，识别可能存在局部网络空间同位模式的候选路径；其次，基于网络约束下的二元泊松分布构建显著性检验的零模型，判别候选路径中局部网络空间同位模式的有效性。通过模拟实验与北京市出租车供需模式分析，发现该方法比现有方法得到的结果更精细、更客观，能够有效地挖掘网络约束下的局部同位模式。
2022,
47(9):
1390-1397. doi: 10.13203/j.whugis20200170
摘要:
轨迹子段匹配是轨迹数据挖掘的重要手段，针对其计算复杂度较高、受噪声影响大的问题，提出了一种融合自适应希尔伯特地理网格编码的多层级轨迹编码树结构，在可接受的建树代价下，形成了从轨迹整段到最小片段的层次化组织形式和子段从属关系表达结构，并在轨迹片段编码树的基础上，设计了相似子段匹配算法，将复杂的空间计算转化为空间编码的字符串前缀匹配操作，极大地降低轨迹子段匹配的计算复杂度。实际轨迹数据的实验表明，在不影响匹配准确率的前提下，提出的子段匹配方法的效率与基于经典距离的相似性度量方法相比，有超过一个数量级的性能提升。
轨迹子段匹配是轨迹数据挖掘的重要手段，针对其计算复杂度较高、受噪声影响大的问题，提出了一种融合自适应希尔伯特地理网格编码的多层级轨迹编码树结构，在可接受的建树代价下，形成了从轨迹整段到最小片段的层次化组织形式和子段从属关系表达结构，并在轨迹片段编码树的基础上，设计了相似子段匹配算法，将复杂的空间计算转化为空间编码的字符串前缀匹配操作，极大地降低轨迹子段匹配的计算复杂度。实际轨迹数据的实验表明，在不影响匹配准确率的前提下，提出的子段匹配方法的效率与基于经典距离的相似性度量方法相比，有超过一个数量级的性能提升。
2022,
47(9):
1398-1405. doi: 10.13203/j.whugis20200329
摘要:
微地形是输电线路工程安全运行、电线积冰风险区划和线路建设期能耗计算等工作的重要基础，实现输电线路微地形的合理提取是复杂地形条件下电网工程建设的前提与保证。针对传统输电线路微地形提取存在决策知识模糊、主观因素影响大和缺少定量提取指标等问题，依据规程中微地形分类体系，提出了以地形位置指数、坡度、相对高程和水体距离为特征因子的组合表达输电线路微地形提取决策方案，利用数字地形分析技术建立了输电线路微地形自动提取方法。以2012—2018年某电网公司9条输电线路域栅格数字高程模型数据进行提取实验，实验结果与分析表明，所提方法能够有效提取垭口地形、高山地形、抬升地形、峡谷地形和水汽地形5类典型输电线路微地形，且揭示了微地形分布与线路灾害发生的相关性，可为电网建设可行性论证、线路精细化设计等提供技术支持。
微地形是输电线路工程安全运行、电线积冰风险区划和线路建设期能耗计算等工作的重要基础，实现输电线路微地形的合理提取是复杂地形条件下电网工程建设的前提与保证。针对传统输电线路微地形提取存在决策知识模糊、主观因素影响大和缺少定量提取指标等问题，依据规程中微地形分类体系，提出了以地形位置指数、坡度、相对高程和水体距离为特征因子的组合表达输电线路微地形提取决策方案，利用数字地形分析技术建立了输电线路微地形自动提取方法。以2012—2018年某电网公司9条输电线路域栅格数字高程模型数据进行提取实验，实验结果与分析表明，所提方法能够有效提取垭口地形、高山地形、抬升地形、峡谷地形和水汽地形5类典型输电线路微地形，且揭示了微地形分布与线路灾害发生的相关性，可为电网建设可行性论证、线路精细化设计等提供技术支持。
2022,
47(9):
1406-1415. doi: 10.13203/j.whugis20190468
摘要:
合理进行线下广告牌投放位置的选择对商家宣传品牌以及扩大营销市场具有十分积极的作用。由于商业数据较难获取，以往研究多停留在宏观理论层面，未能对线下广告选址的实际布局进行细尺度分析。以北京为研究区，通过耦合某大型家装品牌线下广告到店转化率和路网、感兴趣点数据等表征地理特征和商业经济特征的多源空间数据，构建了基于随机森林的广告到店转化率预测模型（
合理进行线下广告牌投放位置的选择对商家宣传品牌以及扩大营销市场具有十分积极的作用。由于商业数据较难获取，以往研究多停留在宏观理论层面，未能对线下广告选址的实际布局进行细尺度分析。以北京为研究区，通过耦合某大型家装品牌线下广告到店转化率和路网、感兴趣点数据等表征地理特征和商业经济特征的多源空间数据，构建了基于随机森林的广告到店转化率预测模型（
2022,
47(9):
1416-1421. doi: 10.13203/j.whugis20200392
摘要:
针对测站观测环境变化对数据质量影响难以有效评估并削弱的问题，研究了一种可通用于各类卫星导航系统的多路径误差半天球格网点建模方法（multi-point hemispherical grid model，MHGM）。该方法能够综合利用不同GNSS（global navigation satellite system）系统的不同时期观测数据进行整体建模，显著削弱GNSS信号所受多路径误差影响，并图像化反演测站周围的多路径效应，确定信号干扰源的方位。算例的测试结果表明，在模拟的强多路径环境下，模型改正后模糊度固定时段的载波相位观测值残差的均方根误差（root mean square error，RMSE）统计值由0.983 cm降为0.318 cm，改善率高达67.7%。此外，MHGM建模结果中改正量较大的异常区域与对应测站处所架设挡板的方位相一致，能够反演出测站周围不同方向观测信号所受多路径误差影响。国际GNSS服务组织的历史观测数据在利用MHGM模型改正后，合计18年测试算例的观测值残差RMSE平均改善率达到29.5%。这对于评估测站观测环境在不同时期的变化状况，提升现有各类增强服务产品的精度和可靠性具有一定的潜在应用价值。
针对测站观测环境变化对数据质量影响难以有效评估并削弱的问题，研究了一种可通用于各类卫星导航系统的多路径误差半天球格网点建模方法（multi-point hemispherical grid model，MHGM）。该方法能够综合利用不同GNSS（global navigation satellite system）系统的不同时期观测数据进行整体建模，显著削弱GNSS信号所受多路径误差影响，并图像化反演测站周围的多路径效应，确定信号干扰源的方位。算例的测试结果表明，在模拟的强多路径环境下，模型改正后模糊度固定时段的载波相位观测值残差的均方根误差（root mean square error，RMSE）统计值由0.983 cm降为0.318 cm，改善率高达67.7%。此外，MHGM建模结果中改正量较大的异常区域与对应测站处所架设挡板的方位相一致，能够反演出测站周围不同方向观测信号所受多路径误差影响。国际GNSS服务组织的历史观测数据在利用MHGM模型改正后，合计18年测试算例的观测值残差RMSE平均改善率达到29.5%。这对于评估测站观测环境在不同时期的变化状况，提升现有各类增强服务产品的精度和可靠性具有一定的潜在应用价值。
2022,
47(9):
1422-1431. doi: 10.13203/j.whugis20200356
摘要:
针对井下某些巷道地磁空间变化平缓，地磁匹配概率低的问题，构建了井下巷道地磁卷积增强算子（convolution enhancement algorithms, CEA），进行地磁匹配前的目标区域和匹配向量的卷积增强预处理，去除数据噪声和增强识别特征。以Laplace、高通滤波（High Pass）、索伯尔滤波（Sobel）图像卷积算子为基础，通过列向量特征的锐化处理，建立了井下巷道地磁卷积增强的Laplace、High Pass和Sobel卷积算子模板。选取某金矿4个巷道的地磁数据，开展了CEA算子卷积前后的均方差算法地磁匹配定位的仿真试验。试验结果表明，CEA算子卷积可以增强匹配序列和地磁图的地磁空间特征，降低了匹配数据中的噪声影响。在数据CEA卷积前后的地磁统计特征对比中发现，Laplace算子不仅保持了原有地磁图变化特征，还增大了数据空间变化的差异度，降低了相关性，效果明显。特别是600 nT的高噪声干扰匹配试验中，Laplace算子卷积能够降低噪声对地磁定位扰动影响，有效提高了地磁匹配定位的概率和精度，具有较强的鲁棒性，适合作为井下巷道地磁匹配的数据预处理模型。
针对井下某些巷道地磁空间变化平缓，地磁匹配概率低的问题，构建了井下巷道地磁卷积增强算子（convolution enhancement algorithms, CEA），进行地磁匹配前的目标区域和匹配向量的卷积增强预处理，去除数据噪声和增强识别特征。以Laplace、高通滤波（High Pass）、索伯尔滤波（Sobel）图像卷积算子为基础，通过列向量特征的锐化处理，建立了井下巷道地磁卷积增强的Laplace、High Pass和Sobel卷积算子模板。选取某金矿4个巷道的地磁数据，开展了CEA算子卷积前后的均方差算法地磁匹配定位的仿真试验。试验结果表明，CEA算子卷积可以增强匹配序列和地磁图的地磁空间特征，降低了匹配数据中的噪声影响。在数据CEA卷积前后的地磁统计特征对比中发现，Laplace算子不仅保持了原有地磁图变化特征，还增大了数据空间变化的差异度，降低了相关性，效果明显。特别是600 nT的高噪声干扰匹配试验中，Laplace算子卷积能够降低噪声对地磁定位扰动影响，有效提高了地磁匹配定位的概率和精度，具有较强的鲁棒性，适合作为井下巷道地磁匹配的数据预处理模型。
2022,
47(9):
1432-1438. doi: 10.13203/j.whugis20200172
摘要:
针对多种分布形式混合的观测数据，建立了p范混合模型，考虑到模型中混合数属于不完全数据，引入期望最大化(expectation-maximum, EM)算法，对该混合模型的参数进行估计，详细推导了p范混合模型参数估计的迭代公式，并给出了相应的迭代步骤。采用混合高斯分布数据、拉普拉斯分布与高斯分布混合数据及实测GPS观测值残差数据，验证了公式的正确性和适应性。算例结果表明，与单一概率分布相比，p范混合模型能够准确反映数据分布的实际情况，同时利用EM算法估计的模型参数具有较高的精度。
针对多种分布形式混合的观测数据，建立了p范混合模型，考虑到模型中混合数属于不完全数据，引入期望最大化(expectation-maximum, EM)算法，对该混合模型的参数进行估计，详细推导了p范混合模型参数估计的迭代公式，并给出了相应的迭代步骤。采用混合高斯分布数据、拉普拉斯分布与高斯分布混合数据及实测GPS观测值残差数据，验证了公式的正确性和适应性。算例结果表明，与单一概率分布相比，p范混合模型能够准确反映数据分布的实际情况，同时利用EM算法估计的模型参数具有较高的精度。
2022,
47(9):
1439-1446. doi: 10.13203/j.whugis20200168
摘要:
随着北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)的建设和完善，更多的北斗在轨卫星开始提供全球性的定位、导航、授时服务。为了验证北斗系统整体精密单点定位-模糊度固定(precise point positioning-ambiguity resolution, PPP-AR)的效果，基于全球分布的测站2020-08-01—2020-08-31共31 d的观测数据进行GPS、BDS双系统相位小数周偏差(fractional cycle bias, FCB)估计, 并对其中BDS-3卫星FCB产品时变特性进行分析。结果表明，大部分BDS-3卫星宽巷FCB在31 d内保持相对稳定，变化小于0.2周, 窄巷FCB在1 d之内的变化小于0.1周。利用估计的FCB产品进行动态和静态PPP-AR解算。单BDS-3静态PPP-AR的历元固定率可以达到89.8%，东、北、天3个方向的均方根误差（root mean square error，RMSE）分别为0.94 cm、0.73 cm和1.39 cm，动态PPP-AR的历元固定率为83.9%，东、北、天3个方向的RMSE分别为1.99 cm、1.70 cm和3.28 cm。
随着北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)的建设和完善，更多的北斗在轨卫星开始提供全球性的定位、导航、授时服务。为了验证北斗系统整体精密单点定位-模糊度固定(precise point positioning-ambiguity resolution, PPP-AR)的效果，基于全球分布的测站2020-08-01—2020-08-31共31 d的观测数据进行GPS、BDS双系统相位小数周偏差(fractional cycle bias, FCB)估计, 并对其中BDS-3卫星FCB产品时变特性进行分析。结果表明，大部分BDS-3卫星宽巷FCB在31 d内保持相对稳定，变化小于0.2周, 窄巷FCB在1 d之内的变化小于0.1周。利用估计的FCB产品进行动态和静态PPP-AR解算。单BDS-3静态PPP-AR的历元固定率可以达到89.8%，东、北、天3个方向的均方根误差（root mean square error，RMSE）分别为0.94 cm、0.73 cm和1.39 cm，动态PPP-AR的历元固定率为83.9%，东、北、天3个方向的RMSE分别为1.99 cm、1.70 cm和3.28 cm。
2022,
47(9):
1447-1451. doi: 10.13203/j.whugis20190453
摘要:
地球参考框架是一切测绘活动、地球科学研究的物理基础。目前，地球参考框架常采用长期解的形式，即利用一组全球分布的基准站在某一参考历元的坐标和速度来表示。由于观测有误差，且各基准站又具有非线性变化，故需要对不同历元的瞬时地球参考框架进行累积，形成稳定的长期参考框架。以不同历元观测数据得到的瞬时参考框架成果为输入，构建了一种基于多历元观测数据建立参考框架长期累积解的融合模型。从坐标转换模型和测站坐标的时变模型出发，详细推导了建立长期解的函数模型，依据该函数模型的秩亏数设计了转换参数的内约束基准。采用2010-08—2014-12的国际全球导航卫星系统服务第2次处理结果进行试算，并与国际地球参考框架2014成果进行了对比。结果表明，X、Y、Z方向标准偏差分别为3.45 mm、4.04 mm、2.84 mm，速度精度分别为1.53 mm/a、1.46 mm/a、1.21 mm/a，X、Y、Z方向的加权均方根误差优于3 mm。
地球参考框架是一切测绘活动、地球科学研究的物理基础。目前，地球参考框架常采用长期解的形式，即利用一组全球分布的基准站在某一参考历元的坐标和速度来表示。由于观测有误差，且各基准站又具有非线性变化，故需要对不同历元的瞬时地球参考框架进行累积，形成稳定的长期参考框架。以不同历元观测数据得到的瞬时参考框架成果为输入，构建了一种基于多历元观测数据建立参考框架长期累积解的融合模型。从坐标转换模型和测站坐标的时变模型出发，详细推导了建立长期解的函数模型，依据该函数模型的秩亏数设计了转换参数的内约束基准。采用2010-08—2014-12的国际全球导航卫星系统服务第2次处理结果进行试算，并与国际地球参考框架2014成果进行了对比。结果表明，X、Y、Z方向标准偏差分别为3.45 mm、4.04 mm、2.84 mm，速度精度分别为1.53 mm/a、1.46 mm/a、1.21 mm/a，X、Y、Z方向的加权均方根误差优于3 mm。
2022,
47(9):
1452-1459. doi: 10.13203/j.whugis20200383
摘要:
在测量与地图制图中，等量纬度求解大地纬度是一种常见的投影反解计算，就该反解问题的几种不同算法进行研究，包括迭代法、等量纬差求解大地纬度的级数展开式及等量纬度求解大地纬度的直接算法。利用Mathematica对后两种算法的计算公式进行了详细推导，给出了其高阶系数展开式，同时对现有算法中存在的问题进行了解析。兰勃脱等角投影算例表明，所推导的公式其计算精度可达(1×10-7)″~(1×10-8)″，完全满足测量与地图投影高精度的要求。
在测量与地图制图中，等量纬度求解大地纬度是一种常见的投影反解计算，就该反解问题的几种不同算法进行研究，包括迭代法、等量纬差求解大地纬度的级数展开式及等量纬度求解大地纬度的直接算法。利用Mathematica对后两种算法的计算公式进行了详细推导，给出了其高阶系数展开式，同时对现有算法中存在的问题进行了解析。兰勃脱等角投影算例表明，所推导的公式其计算精度可达(1×10-7)″~(1×10-8)″，完全满足测量与地图投影高精度的要求。
2022,
47(9):
1460-1469. doi: 10.13203/j.whugis20200385
摘要:
高精度、高可靠性的卫星轨道是实现低轨卫星精密应用的重要前提，而模糊度固定技术是提高卫星定轨精度的关键途径。研究了基于整数钟的星间单差模糊度固定原理和方法，并利用2019年4月—5月的两颗GRACE-FO（gravity recovery and climate experiment follow on）卫星数据（GRACE-C/D）系统评估了固定解对低轨卫星简化动力学和运动学定轨的精度提升效果。结果表明，两颗卫星简化动力学和运动学定轨的宽巷模糊度固定率均达到99%，而窄巷模糊度固定率在95%左右。对于简化动力学定轨，GRACE-C/D固定解轨道的重叠轨道的3D均方根误差（root mean square error, RMSE）分别从7.1 mm和7.4 mm减小到了4.2 mm和3.6 mm；卫星激光测距（satellite laser ranging, SLR）残差标准差（standard deviation, STD）分别从15.9 mm和14.4 mm降低到了10.8 mm和11.0 mm，精度提升了32%和24%；K波段测距残差RMSE从8.0 mm减小到2.9 mm，进一步表明固定解还能有效提升低轨卫星间相对位置精度。对于运动学定轨，与精密科学轨道产品互差3D RMSE，浮点解分别为37.5 mm和36.4 mm，固定解分别为27.7 mm和25.5 mm，精度提升约28%，SLR残差STD也减小了约20%。
高精度、高可靠性的卫星轨道是实现低轨卫星精密应用的重要前提，而模糊度固定技术是提高卫星定轨精度的关键途径。研究了基于整数钟的星间单差模糊度固定原理和方法，并利用2019年4月—5月的两颗GRACE-FO（gravity recovery and climate experiment follow on）卫星数据（GRACE-C/D）系统评估了固定解对低轨卫星简化动力学和运动学定轨的精度提升效果。结果表明，两颗卫星简化动力学和运动学定轨的宽巷模糊度固定率均达到99%，而窄巷模糊度固定率在95%左右。对于简化动力学定轨，GRACE-C/D固定解轨道的重叠轨道的3D均方根误差（root mean square error, RMSE）分别从7.1 mm和7.4 mm减小到了4.2 mm和3.6 mm；卫星激光测距（satellite laser ranging, SLR）残差标准差（standard deviation, STD）分别从15.9 mm和14.4 mm降低到了10.8 mm和11.0 mm，精度提升了32%和24%；K波段测距残差RMSE从8.0 mm减小到2.9 mm，进一步表明固定解还能有效提升低轨卫星间相对位置精度。对于运动学定轨，与精密科学轨道产品互差3D RMSE，浮点解分别为37.5 mm和36.4 mm，固定解分别为27.7 mm和25.5 mm，精度提升约28%，SLR残差STD也减小了约20%。
2022,
47(9):
1470-1478. doi: 10.13203/j.whugis20200390
摘要:
大气水汽是对流层的重要组成部分之一，研究影响水汽的因素及精度具有重要意义。主要研究黄土高原地区大气可降水量（precipitable water vapor, PWV）的影响因素，并对其实际精度进行评估。首先，对ERA5（the fifth-generation atmospheric reanalysis data of ECMWF）的气压、气温数据和全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）获取的天顶对流层延迟（zenith troposphere delay, ZTD）进行评定；然后，依据ERA5的气压、气温数据和GNSS的ZTD数据计算1 h分辨率的PWV，并利用误差传播理论推导PWV的理论误差; 最后, 与PWV实际计算误差进行对比，分析黄土高原地区PWV的精度。结果表明，基于GAMIT/GLOBK软件获得的GNSS ZTD与PANDA软件解算的GNSS ZTD差值的均方根（root mean square, RMS）和Bias分别为4.05 mm和-0.46 mm；ERA5气压和气温的平均RMS和Bias分别为3.36 hPa/1.97 K和-0.01 hPa/0.04 K；黄土高原地区PWV的理论误差为1.51 mm，实际误差为1.94 mm。计算得到的PWV精度较高，对水汽分布以及气候监测的研究具有重要意义。
大气水汽是对流层的重要组成部分之一，研究影响水汽的因素及精度具有重要意义。主要研究黄土高原地区大气可降水量（precipitable water vapor, PWV）的影响因素，并对其实际精度进行评估。首先，对ERA5（the fifth-generation atmospheric reanalysis data of ECMWF）的气压、气温数据和全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）获取的天顶对流层延迟（zenith troposphere delay, ZTD）进行评定；然后，依据ERA5的气压、气温数据和GNSS的ZTD数据计算1 h分辨率的PWV，并利用误差传播理论推导PWV的理论误差; 最后, 与PWV实际计算误差进行对比，分析黄土高原地区PWV的精度。结果表明，基于GAMIT/GLOBK软件获得的GNSS ZTD与PANDA软件解算的GNSS ZTD差值的均方根（root mean square, RMS）和Bias分别为4.05 mm和-0.46 mm；ERA5气压和气温的平均RMS和Bias分别为3.36 hPa/1.97 K和-0.01 hPa/0.04 K；黄土高原地区PWV的理论误差为1.51 mm，实际误差为1.94 mm。计算得到的PWV精度较高，对水汽分布以及气候监测的研究具有重要意义。
2022,
47(9):
1479-1485. doi: 10.13203/j.whugis20200386
摘要:
重金属污染日益加剧，重金属在土壤中的聚集不仅破坏了生态平衡，也对人类的健康生活造成了影响，因此快捷、准确地获取土壤中的重金属含量成为土壤污染监制与治理的重要环节。高光谱遥感技术的发展使得快速低成本反演土壤重金属含量成为可能。针对野外光谱受环境因素（土壤粒径、含水量等）的影响，且现有研究中普遍存在样本量不足的问题，提出结合野外光谱与实验室光谱构建土壤铅(Pb)反演机理模型的方法，首先，采用直接矫正（direct standardization，DS）算法对野外光谱进行环境因素校正；其次，通过引入实验室光谱联合建模的方式，提高样本的差异性；最后，提取铁氧化物特征谱段用于建模以增加反演的机理性。利用中国河北雄安一般农作区的70个土壤样本野外光谱数据研究表明，未经DS校正的野外光谱全谱段单独建模，反演精度R2仅为0.220 0，而所提方法的反演精度R2可达0.914 6, 模型具有出色的估算能力，表明在去除环境因素对野外光谱影响基础上，综合利用野外光谱与实验室光谱的铁氧化物特征谱段建模能够显著提高Pb含量的反演精度。
重金属污染日益加剧，重金属在土壤中的聚集不仅破坏了生态平衡，也对人类的健康生活造成了影响，因此快捷、准确地获取土壤中的重金属含量成为土壤污染监制与治理的重要环节。高光谱遥感技术的发展使得快速低成本反演土壤重金属含量成为可能。针对野外光谱受环境因素（土壤粒径、含水量等）的影响，且现有研究中普遍存在样本量不足的问题，提出结合野外光谱与实验室光谱构建土壤铅(Pb)反演机理模型的方法，首先，采用直接矫正（direct standardization，DS）算法对野外光谱进行环境因素校正；其次，通过引入实验室光谱联合建模的方式，提高样本的差异性；最后，提取铁氧化物特征谱段用于建模以增加反演的机理性。利用中国河北雄安一般农作区的70个土壤样本野外光谱数据研究表明，未经DS校正的野外光谱全谱段单独建模，反演精度R2仅为0.220 0，而所提方法的反演精度R2可达0.914 6, 模型具有出色的估算能力，表明在去除环境因素对野外光谱影响基础上，综合利用野外光谱与实验室光谱的铁氧化物特征谱段建模能够显著提高Pb含量的反演精度。
2022,
47(9):
1486-1497. doi: 10.13203/j.whugis20210143
摘要:
城市地区地面沉降造成地面高程损失，威胁各类设施的安全运行，影响地表径流和水文循环，监测地面沉降现状并揭示其形成机制，对于城市可持续发展具有重要意义。以2007—2011年的ALOS-PALSAR影像和2015—2019年的Radarsat-2影像为数据源，基于小基线集技术（small baseline subset interferometric synthetic aperture radar, SBAS-InSAR）获取武汉市两个监测阶段的地面沉降速率、沉降时间序列，并利用地理探测器揭示规划单元尺度地面沉降的主导驱动因子及驱动因子之间的交互作用机制。结果表明：(1)2007—2011年和2015—2019年地面沉降平均速率分别为-3.53 mm/a和-1.48 mm/a。地面沉降较为显著的区域：2007—2011年，是汉口、沙湖沿岸及以北、南湖以西和白沙洲地区；2015—2019年，是汉口、沙湖北和白沙洲地区。(2)局部性、阶段性、与自然条件及人类活动相关是两个时期武汉市地面沉降演变的3个特点。(3)水文地质条件作为必要条件，通过与地面荷载、地下空间开发、工程施工因素交互作用形成武汉市地面沉降时空格局，2007—2011年的工程施工因素、2015—2019年的地面荷载因素与水文地质条件交互作用明显较强。
城市地区地面沉降造成地面高程损失，威胁各类设施的安全运行，影响地表径流和水文循环，监测地面沉降现状并揭示其形成机制，对于城市可持续发展具有重要意义。以2007—2011年的ALOS-PALSAR影像和2015—2019年的Radarsat-2影像为数据源，基于小基线集技术（small baseline subset interferometric synthetic aperture radar, SBAS-InSAR）获取武汉市两个监测阶段的地面沉降速率、沉降时间序列，并利用地理探测器揭示规划单元尺度地面沉降的主导驱动因子及驱动因子之间的交互作用机制。结果表明：(1)2007—2011年和2015—2019年地面沉降平均速率分别为-3.53 mm/a和-1.48 mm/a。地面沉降较为显著的区域：2007—2011年，是汉口、沙湖沿岸及以北、南湖以西和白沙洲地区；2015—2019年，是汉口、沙湖北和白沙洲地区。(2)局部性、阶段性、与自然条件及人类活动相关是两个时期武汉市地面沉降演变的3个特点。(3)水文地质条件作为必要条件，通过与地面荷载、地下空间开发、工程施工因素交互作用形成武汉市地面沉降时空格局，2007—2011年的工程施工因素、2015—2019年的地面荷载因素与水文地质条件交互作用明显较强。
2022,
47(9):
1498-1506. doi: 10.13203/j.whugis20200721
摘要:
时间主成分分析（temporal principal component analysis，TPCA）可用于地学领域中提取时空数据的时序特征和空间分布特征，北京平原区的地面沉降具有典型的时序和空间特征。在利用永久散射体干涉测量技术获取的北京平原区2003—2010年地面沉降数据的基础上，采用TPCA方法分析了北京平原区地面沉降时空演化特征。经分析发现：（1）TPCA分析得到的第一主成分反映了地面沉降在该长时序阶段的空间分布特征。（2）第二主成分得分为正的空间点与可压缩层厚度在130 m以上的区域在空间分布上有一致性和相关性。（3）在空间上，第一主成分为负值与第二主成分为正值的永久散射体点分布在年均沉降速率30 mm/a以上的严重沉降区域。严重沉降区具有明显的南北沉降分类现象和季节性差异，具体表现为：北部沉降区在春夏季节的沉降量大于秋冬季节；南部沉降区则与之相反。总之，基于时间主成分分析方法可分析得到研究区的地面沉降时空演化规律，为城市安全监测提供数据支撑。
时间主成分分析（temporal principal component analysis，TPCA）可用于地学领域中提取时空数据的时序特征和空间分布特征，北京平原区的地面沉降具有典型的时序和空间特征。在利用永久散射体干涉测量技术获取的北京平原区2003—2010年地面沉降数据的基础上，采用TPCA方法分析了北京平原区地面沉降时空演化特征。经分析发现：（1）TPCA分析得到的第一主成分反映了地面沉降在该长时序阶段的空间分布特征。（2）第二主成分得分为正的空间点与可压缩层厚度在130 m以上的区域在空间分布上有一致性和相关性。（3）在空间上，第一主成分为负值与第二主成分为正值的永久散射体点分布在年均沉降速率30 mm/a以上的严重沉降区域。严重沉降区具有明显的南北沉降分类现象和季节性差异，具体表现为：北部沉降区在春夏季节的沉降量大于秋冬季节；南部沉降区则与之相反。总之，基于时间主成分分析方法可分析得到研究区的地面沉降时空演化规律，为城市安全监测提供数据支撑。
2022,
47(9):
1507-1514. doi: 10.13203/j.whugis20210496
摘要:
利用双极化Sentinel-1数据有望得到较单极化数据更好的城市地表形变监测结果。以典型受地表沉降灾害影响的两座超大城市（墨西哥的墨西哥城和中国北京市）为研究区，分别基于长时序单、双极化Sentinel-1数据，利用时序合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）技术和极化时序InSAR技术对两城市近年地表形变进行监测研究。结果表明，利用双极化Sentinel-1数据对干涉图进行极化优化后，干涉图相位质量得到提升，高质量像元比例明显增加。使用双极化数据后，形变监测点密度有显著提升，相比于单极化数据结果，墨西哥城和北京市监测点密度分别提升88%和50%；更高的监测点密度使部分区域双极化数据反演地表形变的准确性更高。与单极化Sentinel-1数据相比，利用双极化Sentinel-1数据进行城市地表形变监测可得到监测点密度更高、可靠性更好的结果。
利用双极化Sentinel-1数据有望得到较单极化数据更好的城市地表形变监测结果。以典型受地表沉降灾害影响的两座超大城市（墨西哥的墨西哥城和中国北京市）为研究区，分别基于长时序单、双极化Sentinel-1数据，利用时序合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）技术和极化时序InSAR技术对两城市近年地表形变进行监测研究。结果表明，利用双极化Sentinel-1数据对干涉图进行极化优化后，干涉图相位质量得到提升，高质量像元比例明显增加。使用双极化数据后，形变监测点密度有显著提升，相比于单极化数据结果，墨西哥城和北京市监测点密度分别提升88%和50%；更高的监测点密度使部分区域双极化数据反演地表形变的准确性更高。与单极化Sentinel-1数据相比，利用双极化Sentinel-1数据进行城市地表形变监测可得到监测点密度更高、可靠性更好的结果。
作者登录
审稿登录
编辑登录
读者登录
编委登录
主编登录
