基于Top-hat变换和角点检测的MRI脊椎分割算法

脊椎骨骼提取的精度直接影响到脊椎三维重建的效果。针对MR(Magnetic Resonance)脊椎图像成像不均匀的特点,提出一种利用Top-hat变换和角点检测结合的脊椎骨骼提取算法。首先利用Top-hat变换增强脊椎块与周围组织间的对比度,进而用大津法(OTSU)分割图像,获得脊柱的粗分割结果;然后使用改进的CSS(Curvature Scale Space)角点检测算法作用于粗分割图像,获取图像的有效角点;最后通过拟合角点,得到脊柱两侧的曲线,从而分割出脊柱区域。实验表明,该方法可以精确分割出脊椎部分,而且分割的结果可以应用于同一病人同序列的其他图像中,缩短了分割时间,具有较好的应用前景。

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。

利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化的TSVD-Tikhonov正则化方法

利用GPS垂直位移反演区域陆地水储量变化(TWSC)属于典型的病态问题,其关键是如何进行稳定求解并提高反演结果的精度和可靠性.本文引入TSVD-Tikhonov组合正则化方法对利用GPS垂直位移反演区域TWSC的病态问题进行求解,并以四川省TWSC反演为例进行分析与验证.首先,通过数值模拟对TSVD、Tikhonov和TSVD-Tikhonov正则化方法采用不同正则化参数选取策略(RMSE最小准则、GCV法和L-curve法)进行反演,结果显示基于TSVD-Tikhonov正则化反演的TWSC比单独使用TSVD或Tikhonov正则化反演结果的精度和可靠性更高,这三种正则化方法反演2005年1月至12月的TWSC差值的平均STD分别为14.97 mm、7.03 mm和5.04 mm.其次,利用中国地壳运动观测网络(CMONOC)的72个GPS测站的垂直位移数据,基于TSVD-Tikhonov正则化反演了四川省2010年12月至2021年2月的TWSC时间序列,结果表明GPS反演的TWSC与GRACE/GFO Mascon模型(JPL、CSR和GSFC)的空间分布特征及季节性变化符合较好,但其TWSC信号的振幅比GRACE/GFO Mascon模型更强.最后,采用广义三角帽方法(GTCH)融合不同类型的降水、蒸散发和径流数据,并根据水量平衡方程计算的dTWSC/dt序列(PER-dS/dt)对GPS反演的dTWSC/dt序列(GPS-dS/dt)和GRACE/GFO Mascon模型融合的dTWSC/dt序列(GRACE/GFO-dS/dt)进行验证,结果表明这三类dTWSC/dt序列的季节性变化符合较好,平滑后GPS-dS/dt和GRACE/GFO-dS/dt序列与PER-dS/dt序列的相关系数分别为0.78和0.87,但GPS相比GRACE/GFO对降水变化的响应更为敏感.本文研究证明了TSVD-Tikhonov组合正则化方法能够提高GPS垂直位移反演区域TWSC的精度和可靠性,同时也表明GPS观测数据对局部水质量负荷变化更为敏感,可作为GRACE/GFO反演区域TWSC的有益补充.

利用广义三角帽方法评估GRACE反演中国大陆地区水储量变化的不确定性

在无真实观测值的情况下,本文利用广义三角帽方法评估了五种GRACE时变重力场模型(CSR、GFZ、GRGS、HUST发布的球谐系数解和JPL发布的Mascon解)反演中国大陆地区2003—2013年水储量变化的不确定性.研究结果表明,CSR、GFZ、JPL、HUST和GRGS反演月水储量变化不确定性的区域平均RMS分别为14.4mm、26.3mm、25.3mm、26.6mm和56.1mm,其中GRGS的结果未恢复泄漏信号;在季和年尺度上,模型的不确定性均小于月尺度;扣除周期和趋势信号后,各模型反演结果更为一致.除长江流域外,CSR在13个流域的不确定性均小于其他模型,GRGS反演各流域水储量变化的不确定性通常较大,且可能高估了温带大陆性气候地区水储量的波动;CSR和JPL的不确定性受流域周边水文特征、气候类型、流域面积和形状的影响相对较小,不确定性变化范围分别为2.3～17.1mm和5.6～22.5mm,GFZ和HUST受影响较大,不确定性变化范围分别为5.5～35.1mm和4.0～40.6mm.本文的研究结果为GRACE产品不确定性评估提供了新的途径,为GRACE时变重力场模型的选取提供参考.

基于贝叶斯三角帽法的多源降水数据融合分析及应用

目前的降水产品依然存在较大的不确定性,采用多源降水数据融合可以更准确地估计降水量和空间分布情况。为实现无资料地区的数据融合,本文在不使用任何先验信息的前提下,通过整合站点插值、卫星遥感和再分析的降水产品,基于贝叶斯三角帽(Bayesian-Three Cornered Hat, BTCH)法,融合多源降水数据,探究不同输入数量的降水产品对于融合数据精度的影响以及每个降水产品对于融合数据精度的贡献率,并在黄河源区进行应用。结果表明:在月尺度上,融合数据性能优于原始降水产品;在日尺度上,融合数据性能明显高于卫星遥感和再分析降水产品,但低于基于站点的降水产品CHM_PRE;2套基于站点的降水产品CN05.1和CHM_PRE对于融合数据有最大的贡献率。在黄河源区的应用表明,该数据融合方法确实能够更准确地估计降水量,可应用于无实测降水资料地区,为数据融合分析及应用提供参考。

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。

全球探空站附近掩星观测资料误差估计

利用2016年1月1日至2020年10月1日GPS无线电掩星观测、探空观测、美国微波综合反演系统(MiRS)卫星微波资料反演产品、美国国家环境预报中心全球预报系统(Global Forecast System,GFS)分析资料和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料这5种资料,采用“三角帽”方法,估计GPS掩星资料的观测误差,分析了资料集之间偏差和误差相关性对观测误差估计值的影响。结果表明,用MiRS资料替代ERA5再分析资料后所得到的掩星观测误差大于用掩星、探空观测、GFS分析和ERA5再分析资料的掩星观测误差。掩星观测误差随纬度增加而减小。本文对即将到来的掩星资料的合理应用具有重要意义。

GRACE反演格陵兰冰盖质量变化的不确定性分析与数据融合

重力恢复与气候实验(gravity recovery and climate experiment,GRACE)卫星已成为观测冰盖质量变化的主要手段之一,但不同机构发布的GRACE数据在估计格陵兰冰盖质量变化上存在较大差异,在研究长期变化趋势时会产生很大不一致性。针对此问题,先分析了用不同GRACE数据估算的格陵兰冰盖质量变化数据之间的差异,再用三角帽(three-cornered hat,TCH)方法对其进行不确定性分析,并通过数据融合消除了不同数据间的不一致性。

30cm超稳腔的振动、热分析及稳定度评估

高性能的超稳腔是实现高稳定度光钟的关键。振动噪声和温度波动噪声是影响超稳腔稳定度的主要因素。本文利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术实现了171Yb光钟钟激光与30 cm可搬运超稳腔的锁定,并对超稳腔的振动噪声、温度波动噪声以及超稳腔稳定度的评估进行了研究。通过对超稳腔施加主动振动激励的方式得到该腔在三个正交方向上的振动敏感度分别为5.6×10^(−10)/g,4.8×10^(−10)/g,1.5×10^(−10)/g。通过测量腔谐振频率随腔体温度的变化,拟合得到其零膨胀温度点为34.0(0.4)℃。最后通过与两套独立的30 cm超稳腔的三角帽比对,对该超腔的稳定度进行了评估,采用去关联算法得到2 s平均时间下的稳定度为4.1×10^(-16)。噪声谱分析表明该稳定度主要受限于振动噪声。这些研究为我们进一步优化可搬运超稳钟激光的稳定度提供了方向。