基于形态学与区域生长的机载LiDAR点云数据滤波

针对形态学滤波存在的地形过度腐蚀以及区域生长滤波需要大量地面种子点的问题,提出一种点云数据由粗到精的两级滤波策略。对机载LiDAR点云数据进行多尺度形态学滤波得到粗略DEM("粗滤波"),由此可提供大量的地面种子点用于区域生长,进而得到精细DEM("精滤波")。利用ISPRS提供的滤波数据进行测试,结果表明,该滤波算法对地形适应性较强,可有效保证地形特征,具有更好的稳健性。

基于不同滤波算法差异的机载LiDAR数据桥梁提取

在对形态学滤波和区域生长算法研究的基础上,通过对桥梁的特点进行分析,提出一种基于形态学滤波和区域生长算法的滤波结果的差异进行桥梁探测的算法。算法不受桥梁形状的影响,桥梁可分叉、无需平行和等宽,甚至在部分桥梁数据不完整的情况下也有效。通过3个不同场景的桥梁实例验证算法的正确性。

顾及EGM2008和残差地形模型的GPS高程转换方法研究

综合利用EGM2008地球重力场模型和残差地形模型(RTM)数据,EGM2008恢复地球重力场的中长波信号,RTM数据恢复地球重力场的短波信号,采用曲面拟合方法进行GPS高程转换。通过某隧道实例验证EGM2008和RTM数据组合进行GPS高程转换方法的有效性、实用性和优越性。方法可在大范围且地形起伏较大的山区,只需利用少量的GPS/水准点,即可提高GPS高程转换精度。方法基于公共数据(EGM2008和SRTM),不受数据限制,使其应用于各类工程实践成为可能。

基于地形的LiDAR数据缺失区域填充方法研究

针对机载激光点云数据栅格化过程中出现的空白区域进行研究,在对邻近填充和最低点填充分析的基础上,提出基于地形的填充方法。对缺失数据边界进行一维形态学滤波得到其边界各点地形高,利用边界点构建不规则三角网进行地形内插填充。实验结果表明,地形填充法可适应不同原因造成的区域数据缺失,能够有效保证高程的连续性并可提高滤波精度。

GRACE重力反演中的轨道数值积分方法分析

首先,对比分析Runge-Kutta积分法、Adams-Cowell联合并行积分法、Gauss-Jackson积分法以及天体力学中常用的外插积分法用于GRACE卫星轨道积分及变分方程解算时的优缺点,得出Gauss-Jackson算法优于其它算法并推荐了相对较优的阶数和步长,从算法的推导过程中分析出了Gauss-Jackson算法优于其它算法的原因。其次,对比不同积分方法抵抗误差的能力,结果表明这些方法都不能有效抵抗误差的干扰;并分析初始状态向量误差和摄动力误差对轨道积分的影响,结果表明,卫星初始状态向量中的速度误差(0.1 mm/s)对轨道积分的影响大于位置误差(10 mm)对轨道积分的影响,摄动力中的随机误差对轨道积分的影响较大且无规律可循。针对GaussJackson算法中的不足,提出基于移动窗口的多项式内插算法和Gauss-Jackson算法相结合的组合方法(改进GaussJackson算法),通过模拟和实测数据的计算表明该方法在保证积分精度的前提下不仅提高了积分效率而且可以得到任意时刻的积分值。

贝叶斯三角帽法的GRACE/GRACE-FO组合模型及其不确定性

利用贝叶斯三角帽法将多个GRACE/GRACE-FO重构模型进行融合,提升基于深度学习的地表质量变化重构模型的精度,为高精度填补及重构GRACE/GRACE-FO数据提供参考。实验表明,组合模型估算的全球陆地水储量变化的不确定性最低,其结果在多数流域与参考模型的一致性更佳;较最优的重构模型,组合模型全球及流域的不确定性降低约15%,纳什效率系数(NSE)提升约5%,尤其在半干旱、半湿润及湿润区域,其精度提升更明显。

联合GPS和GRACE数据分析陕甘宁地区地表垂直形变

采用甘肃省CORS网和中国大陆构造环境监测网络中共48个台站的GPS观测数据,解算得到观测台站的垂直位移,并与GRACE时变重力场Mascon模型解CSR RL05M数据计算得到的垂直形变进行比较,分析区域地表垂直形变特征。结果表明,研究区内台站垂直形变存在局部特征,甘肃庆阳和平凉地区垂直形变与其他地区存在明显差异,相关系数、均方根减少量和周年信号减少量均高于其他地区;扣除趋势项后,观测台站GPS垂直位移与GRACE垂直形变时间序列相关系数均值为0.72,GPS和GRACE周年信号振幅均值分别为6.00 mm和3.70 mm,周年信号减少量和均方根误差减少量均值分别为0.51和0.29;研究区内GPS垂直位移和GRACE垂直形变时间序列一致性较强,GRACE垂直形变能有效解释50%以上的GPS垂直位移周年信号,GPS垂直位移时间序列包含的非构造形变中平均约29%来源于环境负载变化所引起的负荷形变。

利用三维加速度点质量模型法监测2010年中国西南干旱

在附有空间约束的三维加速度点质量模型法的基础上引入水文模型进行约束,利用水文模型计算地理点之间的相关性,采用L曲线法确定最优正则化参数。计算结果表明,引入水文模型的三维加速度点质量模型法相比零阶Tikhonov约束的三维加速度点质量模型法信噪比大于0的比例更高。采用该方法对2010年中国西南地区干旱情况进行监测;同时,在剔除季节性信号后,利用主成分分析法对水储量异常进行分析。结果表明,西南地区在2009年秋至2010年春存在明显的水储量负异常特征。

利用GPS垂直位移反演云南省陆地水储量变化

地表质量的重分布会引起固体地球的弹性形变,GPS连续运行观测站能够精确测定地表负荷引起的地壳形变。本文通过模拟数据对利用云南省及其周边47个中国大陆构造环境监测网(陆态网)台站反演云南地区陆地水储量的可行性进行分析:以水文模型周年振幅为真值,计算47个台站点的负荷形变,同时加入随机误差构成模拟观测数据,最后采用模型反演陆地水储量变化;1000次的随机模拟试验表明利用当前GPS台站数据可有效地反演云南地区陆地水储量变化。基于上述结论,笔者反演了云南省2010—2014年陆地水储量变化,GPS反演结果表明:云南省陆地水变化呈现明显的地域分布特征,西南部高山地区的水储量周年变化高于东部平原地区;在时间尺度上,云南省大部分地区水储量在10月(夏季末)达到最大值,在4月(冬季末)达到最小值;云南省2010—2014年陆地水呈缓慢增长趋势,约为20 mm/a。通过GPS陆地水储量反演结果与GRACE、GLDAS以及TRMM数据综合对比分析,表明利用云南地区当前GPS台站可以作为独立观测量用于GRACE与GRACE Follow-on衔接期间的陆地水储量变化监测。

2021年漾濞M_(W)6.1地震同震形变提取与断层源模型反演研究

基于D-InSAR技术,收集Sentinel-1卫星升、降轨及精密轨道数据,结合外部DEM,成功提取2021-05-21云南省大理州漾濞县M_(W)6.1地震的同震形变场。结果显示,升轨卫星视线向最大形变量级约为6.0 cm,降轨卫星视线向最大形变量级约为7.9 cm。以升、降轨InSAR观测结果为约束,对漾濞地震的断层几何参数及滑动分布进行联合反演发现,此次地震的最优发震断层走向为136.6°、倾角为83.1°,断层破裂主要集中在地下2~12 km深度处,最大滑动量约为0.45 m,位于地下7 km深度处,断层在近地表未出现大面积显著滑移现象,表明此次地震未破裂至地表。

利用广义三角帽法评估GRACE/GRACE-FO反演流域陆地水储量变化的不确定性

利用广义三角帽法评估5个最新版本GRACE/GRACE-FO时变重力场模型反演全球流域陆地水储量变化的不确定性,并探讨地理位置、气候类型和流域面积对不确定性的影响。结果表明:1) COST-G、CSR、JPL、ITSG和GFZ时变重力场模型反演全球流域陆地水储量变化的平均不确定性分别是0.41 cm、0.63 cm、0.66 cm、0.81 cm和0.97 cm;2)流域陆地水储量变化的不确定性与流域面积和地理位置存在较强的相关性,与气候类型的相关性较小;3)当观测数据质量较差时,不同模型反演的流域陆地水储量变化存在较大差异。

联合卫星测高、GRACE与温盐数据分析红海海平面变化季节性特征

本文利用卫星测高、GRACE与温盐数据监测2003-2014年红海海平面变化,并分析了蒸发降水以及亚丁湾-红海质量交换对红海质量变化的影响。红海地区单一的温盐数据存在覆盖不全或质量不佳的问题,综合CORA、SODA与ORAS4温盐数据估算结果得到平均比容海平面变化,以改善比容信号的精度。针对GRACE数据处理过程中截断与空间平滑滤波引起的泄漏误差,提出改进尺度因子纠正泄漏误差,利用卫星测高数据进行模拟实验验证了改进尺度因子的有效性。利用传统尺度因子和改进尺度因子反演的红海质量变化周年振幅分别为16.1±1.3 cm和20.5±1.7 cm,利用卫星测高和温盐数据估算的质量变化周年振幅为20.2±1.0 cm,表明改进尺度因子可有效减小泄漏误差的影响,改善GRACE模型反演红海质量变化的精度。卫星测高、GRACE卫星重力数据以及平均温盐数据具有较好的一致性,联合GRACE和温盐数据估算的红海综合海平面变化周年振幅为16.6±1.7 cm,与卫星测高估算的总海平面变化周年振幅(16.2±0.9 cm)基本一致,表明多源数据可构成完整的红海海平面监测手段。相比于降水-蒸发作用,红海质量变化受红海与亚丁湾的海水质量交换的影响更为显著,其主导了红海质量的季节性变化。

拟合法改正南极泄露误差最佳外扩边界的确定及其应用

以GRACECSR Mascon为模拟数据,讨论边界外扩及外扩范围内海洋信号对拟合法改正南极泄露误差的影响。实验表明,仅考虑南极信号泄露时,拟合边界至少为南极海岸线外扩300km;当考虑外扩范围内的海洋信号对南极质量变化及其空间分布的影响时,最佳拟合边界为海岸线外扩100km。采用最佳外扩边界线利用拟合法估算的CSRRL05时变重力场模型的南极质量变化速率为-178.61Gt/a,其质量变化空间分布与Mascon模型一致性较好。

利用ERA-Interim数据计算GRACE大气去混频模型

针对欧洲中程天气预报中心实时大气数据中由于水平及垂直分辨率变化所引起的大气压跳跃,利用再分析大气数据(ERA-Interim)及去平滑球谐分析方法计算重力恢复与气候实验卫星(gravity recovery and climate experiment,GRACE)大气去混频模型,从谱域、空域角度及利用主成分分析方法比较其与标准大气与海洋去混频模型的差距,并采用星间距离变率残差作为标准衡量两种模型的优劣。结果表明:两种模型之间精度相近,用于计算时变重力场模型时其影响可忽略,但在用于计算下一代卫星重力场模型时,需考虑其影响。

利用能量守恒法和GOCE卫星轨道数据反演地球重力场模型

利用傅立叶级数拟合GOCE卫星的耗散能,解决了基于能量守恒法恢复GOCE重力场模型时耗散能的计算问题。采用Helmert-Wolf参数估计法统一求解位系数、能量常数和耗散能的傅立叶级数拟合参数,并采用消局部参数的最小二乘法求解位系数。该方法不需要任何初始值或参考模型,不需要采用差分方法处理能量常数,也不需要进行迭代计算。利用GOCE卫星2009-11-01~2010-02-12共103d的精密轨道数据反演了三组100阶次的重力场模型GOCE-ECP01S、GOCE-ECP02S和GOCE-ECP03S,并与EIGEN-5C、EIGENCHAMP05S和GOCO03S模型进行比较。结果表明,采用一阶傅立叶级数拟合GOCE卫星的耗散能效果最好,反演的GOCE-ECP01S模型精度最高,整体精度优于EIGEN-CHAMP05S,但较GOCO03S模型的精度偏低;在100阶次的大地水准面误差为±3.2cm,但由于极空白的影响,恢复模型的带谐项位系数精度偏低。

重力卫星数据反演地表质量变化的点质量模型法研究进展

利用多代重力卫星观测数据监测全球质量变化,使人类对全球物质迁移和环境变化有了更加深刻的认识和理解。由于卫星星载仪器精度和分辨率的限制以及建模误差等多种因素的影响,利用重力卫星数据解算的全球质量变化模型受到条带误差的影响,广泛采用的滤波平滑手段虽然可以对其削弱,但同时会引起更严重的信号泄漏问题。为了克服这些问题,并进一步提高重力卫星数据解算地表质量变化模型的时空分辨率和精度,许多学者基于牛顿万有引力定律发展了点质量模型法,该类方法直接建立地表质量变化参数与卫星受摄运动的关系,并采用约束矩阵处理条带误差和向下延拓产生的不适定问题。综述了点质量模型法的研究进展,详细梳理了不同点质量模型法的基本理论和方法,分析了不同约束矩阵的构建策略和特点,简要总结了点质量模型法的后处理方法,以期能为点质量模型法的后续发展和研究提供参考。

利用三维加速度点质量模型法解算华北地区陆地水储量变化

三维加速度点质量模型法为反演陆地水储量变化提供了新的途径,采用三维加速度点质量模型法计算了中国华北地区2003—2014年的水储量变化。为了检验反演结果,采用球谐系数法以及德克萨斯大学空间研究中心(Center for Space Research,University of Texas at Austin,CSR)发布的RL06 Mascon模型进行对比分析。研究结果表明,两种方法反演结果均反映出华北地区陆地水储量长期处于亏损趋势,但不同方法计算的亏损速度有一定的差别,三维加速度点质量模型法采用CSR提供的RL06数据反演的华北地区陆地水储量亏损速度为-3.09 cm/a,而球谐系数法反演结果为-2.60 cm/a;三维加速度点质量模型法特征点的反演结果与Mascon法相关系数更高,而球谐系数法与三维加速度点质量模型法结果之间的差异主要是由条带噪声约束平滑策略不一致导致的。

不等视距水准测量应用及精度分析

在水准测量作业过程中,为减小视距差引起的系统误差,相关规范对水准测量前后视距差及视距累积差进行了严格的控制,而在实际的工作中对前后视距差的控制又极大地限制了水准测量的应用领域以及工作效率。针对此问题,该文提出将i角当作系统参数进行平差的方法,平差结束即可得到i角值以及经过i角误差改化后的高程平差值。对比分析了附加系统参数平差法与条件函数法,实例表明附加系统参数平差法具有更好的高效性和稳健性。

全球正向建模恢复法改正南极泄漏误差探讨

全球正向建模恢复法改正南极泄漏误差的效果取决于初始信号的准确性。球谐系数的截断和滤波导致南极周边海洋信号内泄漏至相邻的南极陆地,造成相应区域初始信号不准确。以美国德克萨斯大学的空间研究中心(Center for Space Research,CSR)Mascon数据为模拟数据,讨论周边海洋信号对南极泄漏误差改正的影响。结果表明,海洋信号内泄漏对南极冰盖的质量变化及其空间分布影响显著,造成东南极Coats Land、Queen Maud Land、Enderby Land和Kemp Land等沿海地区反演结果不准确。引入“流域”函数分离海洋信号,利用全球正向建模恢复法改正南极泄漏误差,通过CSR RL05 GSM(glacial systems model)数据估算出南极冰盖的质量变化速率为-180.66 Gt/a,且质量变化空间分布与Mascon数据一致性较好。