利用星载激光雷达数据校正森林区DEM误差

在植被区,通过光学遥感或InSAR技术生产的DEM产品不能反映真实林下地形高度。森林区DEM误差主要是植被高引起的系统偏差,植被覆盖度和地形是森林区DEM的主要误差来源。新一代星载激光雷达可以提供大量高精度林下地形控制点产品,为森林区DEM误差的纠正提供了新的契机。鉴于此,文章提出基于机器学习框架下顾及植被覆盖及地形因素的林区DEM误差校正方法。首先,获取高精度星载激光雷达地形控制点与DEM的地形残差;其次,利用光学遥感数据、SAR遥感数据及DEM产品数据计算与植被覆盖和地形有关的特征参数;最后,联合这些特征参数与获取的地形残差点分别建立不同类型DEM产品误差校正模型。选取位于美国田纳西州和北卡罗来纳州交界处的山地林区作为本研究的实验区。研究结果表明,相对原始DEM,校正高程误差后的DEM精度提升超过40%,有效校正了林区DEM误差。

地形影响的水平相关模型在CMA-MESO中的应用

在背景误差水平相关模型中引入地形作用,研究复杂地形下近地面观测资料同化对分析和预报的影响。CMAMESO三维变分系统中背景误差水平相关关系采用高斯相关模型描述,观测信息在高度追随坐标的模式面上各向同性传播。然而在地形复杂的近地面层,观测信息传播受到山脉阻挡,因而其背景误差协方差非均匀且各向异性,观测信息传播应随地形高度变化。为此,采用美国国家气象中心NMC方法统计复杂地形下背景误差水平相关结构,构建包含地形高度和地形梯度影响的高斯相关模型,并将改进的水平相关模型应用于CMA-MESO三维变分分析。理想试验表明:考虑地形项的水平相关模型方案使观测信息以随地形高度变化的各向异性形式传播,越过大地形观测信息影响明显减弱,分析增量更加合理。我国北方一次强降水过程分析预报试验表明:随地形高度变化的水平相关模型方案使地面观测信息各向异性传播,削弱了大地形处近地面的分析增量,对降水预报略有正贡献。针对华东地区降水过程进行5 d逐小时快速更新分析预报循环试验结果表明,随地形变化的水平相关模型方案对10 m风场和24 h时效内降水预报有正贡献。

基于三维地形扫描的坡沟系统侵蚀产沙监测方法对比

[目的]阐明不同算法在坡面侵蚀监测中的精度和适用性,进而为土壤侵蚀过程监测算法的选择和构建提供参考。[方法]于黄土丘陵沟壑区典型流域同一自然坡面建立5个小区进行径流冲刷试验,以TLS三维点云数据为基础,通过DEM of difference(DoD)、Cloud to Cloud(C2C)、Cloud to Mesh/Model(C2M)和Multiscale Model to Model Cloud Comparison(M3C2)等方法计算侵蚀产沙量,并分析了不同算法对于侵蚀产沙的监测差异。[结果]不确定性分析结果表明:M3C2平均不确定性最小,C2C,C2M次之,DoD最大。产沙结果表明:大流量(85,70,55 L/min)下,4种算法单场次和累计场次产沙量与实测产沙量之间有显著的线性关系(R 2>0.62,p<0.05),M3C2表现最优;小流量(40,25 L/min)下,单场计算产沙量与实测产沙量之间的线性关系不显著但累计产沙量与实测产沙量之间有显著的线性关系(R 2>0.91,p<0.05),DoD表现最优。侵蚀沉积空间分布特征表明:C2C,M3C2和DoD均能反映梁峁坡和沟谷坡侵蚀发展经历的两个阶段(快速发育和稳定发育),其中M3C2能够检测到细微的地形变化,但在TLS扫描盲区,M3C2由于在法线方向上未找到对应点会出现“空洞”。[结论]M3C2算法更适合监测复杂三维地形,但在扫描盲区仍会失效,未来应改进算法,有助于应对更加复杂和剧烈的地形变化。

基于CMA-TRAMS模式地形高度偏差的地面气温误差订正方法研究

采用一元线性方法建立南海台风模式CMA-TRAMS地形高度偏差和地面气温预报误差的回归关系,分别开展不分级、高度偏差分级和地面气温误差分级的三种订正方法的研究,并进行订正效果评估。结果表明,模式地面气温预报误差与地形高度偏差总体呈负的线性相关关系,地面气温预报绝对误差随地形高度偏差绝对值增大而增大(对模式地形高度偏低站点尤为明显),但不同时刻地面气温预报误差特征表现不同,模式对地形高度偏高(即模式地形高于测站高度)和地形高度偏差小于50m的站点,06时地面气温(世界时,下同)预报总体偏低,对地形高度偏低大于50m的站点(即模式地形低于测站高度),06时地面气温预报总体偏高;而无论站点地形高度偏差如何,模式对18时地面气温预报总体偏高。三种订正方法中地面气温误差分级法能有效地减小地面气温预报误差,该方法订正后的分析场准确率可达96%~99%,12~48小时时效预报场准确率总体可提升至90%以上,该方法具有回归关系稳定、效果显著、适用性广、简单易行等特点。

基于地形趋势面的边缘波束数据处理方法研究

受多波束特点及水体环境的影响,多波束边缘波束的数据质量低于中央波束的数据质量。通过分析多波束边缘波束测深误差的影响因素,提出了通过相邻条带中央波束的水深数据获取地形趋势面来提高边缘波束的水深数据质量。在此基础上,推导出了水底地形的曲线拟合公式和边缘波束测深点误差改正公式,并采用了多波束实测数据进行了验证。结果表明:使用该方法处理后的多波束边缘波束水深数据质量明显提高,水深数据更接近真实水深,有效削弱了多波束边缘波束的测深误差,对如何提高多波束的边缘波束数据质量有指导作用。研究成果可应用于多波束数据处理软件的深度研发和多波束实测数据后处理。

机载激光雷达在地形测绘中的运用

机载激光雷达(带摄影测量)可快速、高效获取数字高程模型(正射影像图),提取制作多种测绘成果。文章从机载激光雷达的工作原理、技术特点、施测步骤和精度统计出发,辅以具体工程测绘案例,介绍如何运用该技术进行地形测绘,以提升地形测绘设计的质量,这对缩短外业测绘周期、降低勘测难度和成本、保障人员安全具有重大现实意义,可以为机载激光雷达在地形测绘中的运用提供经验,提升我国地形测绘的整体质量。

不同测地型GNSS接收机在峡谷区控制测量数据分析

某水库勘测设计阶段测图控制网采用四等GNSS三维控制网(精化高程),针对测区山大沟深,地形陡峻,属于典型的“V”型高山峡谷地形,可见卫星数量很少,且高度角大于30°,控制网测量时分别采用8套华测i90接收机和8套华测P5(配套HXCCGX601A扼流圈天线)接收机,对两种接收机的观测数据、基线精度、同步环闭合差、平差精度等方面进行对比分析,数据比较结果表明,带有扼流圈天线的分体型GNSS接收机在高山峡谷条件下观测效果强于标称精度相同的一体化GNSS接收机,建议在类似不利观测条件下应尽量选择带扼流圈天线的分体型GNSS接收机。

无人机地形建模误差空间分布影响因素研究

无人机发展迅速,已经在地球科学领域得到了广泛应用.前人以中误差(root mean square error,RMSE)为精度评价指标对影响无人机摄影测量精度的各类因素进行了大量研究.但是,基于无人机摄影测量的地形建模误差往往空间上变化分布,中误差无法反映误差的空间分布特征.因此,本文从误差空间分布的视角出发,通过计算误差空间分布图、误差的莫兰指数、样区整体的平均误差和标准误差,分析了相机倾角、航高和控制点数量对地形建模高程误差的大小及空间分布的影响.在黄土高原两个小流域的实验结果表明:(1)在无控制测量的情况下,误差受相机倾角的影响较大,采用较大角度的倾斜摄影不仅可以降低整体误差,还能改善误差的空间分布,减少误差的空间自相关性.(2)航高方面,尽管航高(60~160 m)变高会增大误差,但是航高对误差的空间分布影响不大.(3)在有控制测量的情况下,控制点的使用不仅降低了整体误差也优化了误差空间分布.在整体误差方面,使用少量的控制点即能达到一个稳定的精度水平.但此时,误差的空间分布还可以继续优化,要使样区的误差空间分布达到稳定的水平,需要相对较多的控制点.本研究为使用消费级无人机进行地形建模提供了有益的参考,在实际应用中可根据本文的结论优化航线设计方案和控制点布设.

基于数字高程模型的重力中区地形改正

笔者分析区域重力调查中区地形改正计算精度的主要因素,基于高精度1 m×1 m数字高程模型(DEM)数据,分析不同的网格间距所产生的绝对误差,计算结果表明在高山地区至少要采用20 m×20 m以及更高精度的数字高程模型,才能满足区域重力调查规范的中区地改误差要求。

ICESat-2 ATL08地形和冠层高度产品精度评估

ICESat-2 ATL08地形及冠层高度产品在大范围的森林资源调查研究中的性能还需进一步探究。为此,文章首先对35个生态网络观测站的ATL08地形及冠层高度产品进行整体的精度评估;其次,验证其在不同生物群落中的精度并对单站精度进行定量评价;最后,分析该产品在多种误差因素条件下的性能。结果表明:地形和冠层高度产品的整体RMSE分别为3.23 m和6.58 m;地形高度产品在低矮或稀疏的植被区精度较高,在高大或茂密的森林区精度较低,且其精度随坡度、植被覆盖度及冠层高度的增加而降低;冠层高度产品在温带阔叶林和混交林地区的%RMSE为34.78%,在沙漠和干旱灌木丛地区的%RMSE为127.47%。另外,相比地形高度产品,冠层高度产品受地物覆盖类型、冠层高度和植被覆盖度的影响更严重且影响机制较为复杂。

粤北山区降水量空间插值方法对比分析

利用韶关市2015—2020年区域自动气象站降水数据,选用泰森多边形法、反距离权重法、普通克里金法、协同克里金法、样条函数法、薄盘光滑样条函数法6种插值方法对降水插值效果进行对比分析,结果表明:各种插值算法一致反映出韶关地区2015—2020年平均降水空间分布整体呈现中南部多、北部少,降水大值区位于韶关南部与清远交界一带,且极值区域落在曲江南部喇叭口地形处;对于粤北山区降水插值,在前汛期、后汛期和年尺度上考虑高程和经纬度的协同克里金法的均方根误差(RMSE)最小,且能很好的反映局部地形降水特征;在月尺度上,泰森多边形法的RMSE最小。

ALOS PALSAR雷达影像InSAR数据处理中的基线和地形误差分析

从理论上分析了InSAR处理中的两大误差源——基线和地形对形变测量精度的影响,并建立了评价模型。在此基础上,研究了上述两种误差源对ALOS PALSAR的影响,获取了两种误差对形变影响的空间分布特征。结果表明,ALOS PALSAR的轨道精度为3～5 m,在现有的轨道精度情况下,形变测量精度较差,需对基线误差进行纠正;地形误差的影响很小,主要误差源于轨道误差。在现有DEM精度条件下(SRTM DEM),利用ALOS PALSAR,要获得优于1cm的形变测量精度,基线长度最好小于400 m。

基于Coons曲面的规则格网DEM表面模型

内插是数字高程模型的核心问题。目前的内插模型主要是由离散的格网数据构建的连续曲面，直接以点推面，可能存在较大的地形误差。本文建立的Coons曲面DEM表面模型，首先利用离散的格网数据构造与格网边界相对应的地形剖面曲线的拟合曲线，再基于拟合曲线构建DEM表面模型。实验表明：Coons曲面DEM表面模型是一种高精度的DEM表面模型，其地形模拟误差比直接基于格网数据建立的双线性内插、样条函数内插和移动曲面拟合法的误差都小，实际地形模拟误差与双线性模型相比减少15％-28％，且精度随着构建边界拟合曲线所用格网点的增多而逐渐提高。

数字高程模型地形描述误差的量化模拟——以黄土丘陵沟壑区的实验为例

本研究以陕北黄土高原丘陵沟壑区为试验样区 ,综合运用统计分析及比较分析的原理与方法 ,通过数学模拟、对比分析、误差可视化分析 ,研究不同空间尺度下DEM地形描述误差的数学转换模型。实验结果证明 ,目前适用于欧洲地区的地形描述误差的模拟方程EtD=q·a·(EtD′) b,经过参数的修正 ,在我国黄土高原丘陵沟壑区具有较高的模拟精度。该模型的建立可以实现应用低空间分辨率的DEM数据在栅格水平模拟高空间分辨率DEM所提取的地形描述误差 ,从而 ,在一定精度范围内大大提高Et的计算速度和计算效率。并且 ,对我国其它地貌类型区类似模型的建立 。

基于双线性内插规则格网DEM地形误差模型

双线性DEM表面模型的精度包括:使用双线性建模方法从格网量测数据传递过来的误差和地形表面的线性表达导致的精度损失。从理论上推导并证明了地形线性表达的误差极值是格网分辨率与地形坡度乘积的常数倍。并根据地形说明了,在不同地形时常数c的不同取值。

地形复杂的风电场资源评估误差分析方法

由于计算模型本身的限制,风能资源地图分析与应用程序(WAsP)不能准确模拟复杂地形中风的流动变化情况,用其评价复杂地形风电场的风能资源时存在一定误差。目前,主要采用RIX方法来评估WAsP在复杂地形中的风速预测误差,长期以来一直缺少根据风速预测误差来评估风电场发电量预测误差的有效方法。文章在RIX方法的基础上,对WAsP应用于复杂地形风电场发电量预测的误差进行了研究,结合工程实践提出了一种发电量误差评估方法;根据某风电场实际发电量数据对提出的评估方法进行了验证,证明其有效性和实用性。

不同精度DEM流域地形特征提取分析及坡度误差控制研究

以北京密云水库牛河流域为试验区,对该流域4种精度DEM提取的流域地形值进行分析,并基于此对不同精度DEM所提取的坡度值进行了误差量化控制,运用曲线回归方法,建立了坡度损失拟合方程系。试验证明,该方法对坡度误差控制较好,具有较大的应用价值。

基于GPM卫星的广东汛期降水日变化特征与评估

新一代全球降水观测计划GPM作为TRMM卫星的继承者,在物理探测和降水反演算法上具有明显进步。以广东省雨量自动站为基准,对2014—2018年间GPM的格点降水估测产品IMERG(V5B)的日变化特征和估测误差进行分析。结果表明,IMERG能清晰反映广东前、后汛期的降水双峰型特征,但对下午降水峰值明显高估,峰值出现时间滞后;而对于沿海早晨峰值降水则明显低估,对于降水极值,低估更加显著。IMERG对两个峰值的估测误差受不同因素影响,下午峰值降水的相对偏差与地形密切相关,珠江三角洲平原为稳定高估区,地形高度越高,低估幅度越大;而早晨峰值降水极值负偏差与地形高度、降水量的相关性均较小。对出现显著负偏差的早晨沿海降水样本日进行925 hPa风场合成,可知IMERG明显低估时,对应区域上游较强的超低空西南气流与风速夜间增长。IMERG对这一季风活动背景降水的低估构成了其估测早晨降水误差的主要来源。

ASTER GDEM垂直精度评价及其在重力地形改正中的适用性

利用重力剖面的GPS数据对ASTER GDEM模型进行垂直精度评估,并对其在重力地形改正中的适用性进行讨论。结果表明,ASTER GDEM模型在贵阳-维西和金川-犍为两个重力剖面中,与实测GPS高程相比标准差分别为14.93m和18.02m,模型起伏与实测数据具有较好的一致性。在小比例尺中、远区及大比例尺远区重力地形改正中,ASTER GDEM模型数据的适用性较好。

基于分块和包围球误差函数的地形绘制方法

针对大规模地形数据庞大、绘制速度慢的问题,提出一种基于数据分块和包围球误差函数的地形绘制方法。该方法对数据进行分块组织,按行列顺序对数据块编号,实现对地形数据的部分读取。依据视点可见性判断,实时调入可见数据块,设计一种基于包围球的误差函数,通过三角形二叉树构建层次细节模型,实现大规模地形实时绘制。实验结果表明该方法可以取得较高的帧速率和较好的绘制效果。