上海市高程基准近五年变化分析

高程基准是一个地区经济社会发展的重要基础设施。上海市于2020—2022年开展了全市高程基准更新工作。通过对原有高程基准基础设施调查、高程控制网水准复测、高程基准分析三步工作完成了上海市的高程基准的更新并发布新一期的高程基准成果。为了掌握上海市高程基准在近5 a的变化情况,对上海市城市水准点的数量变化、区域分布及高程变化情况3个方面进行研究分析,得出了关于上海市城市水准点数量、分布及高程变化的有益结论。最后对上海市高程基准的维护更新提出了一些建议。

一种基于激光点云数据的微距栅格体积算法

针对规则格网算法难以满足激光点云模型高精度体积计算的问题,提出了一种基于激光雷达点云数据的微距栅格体积算法。该方法首先运用葛立恒凸包算法提取凸包点集,然后运用微距格网划分、高程插值和网格体积累加的方法计算体积。与规则格网法不同,这种算法充分利用激光雷达数据高密度点云特征,采用格网微分和增大插值半径的方法改善模型表面的连续性,进而提高计算精度。实验结果表明,微距栅格体积算法具有较好的时间复杂度和较高的计算精度,适宜于激光点云模型高精度体积计算。

基于GIS的灌区土壤投入品残留污染监测预警系统

为了解决工业发展导致的灌区土壤投入品残留污染问题,给出一种基于地理信息系统(geographic information system,GIS)的土壤污染监测预警系统。该系统结合VOC-PF1型传感器、STM32主控芯片和GSM通信模块,实现了高效的数据采集和通信功能。通过反距离加权(inverse distance weighted,IDW)插值法进行空间分析,并设立预警阈值,实现对灌区土壤投入品残留污染的实时监测和预警。实验结果表明:该系统的监测精度高达98%,监测时长最高为49 s,具有很高的实用性和效率。研究结果不仅为灌区土壤投入品残留污染监测提供了有效手段,也为环境保护和农业可持续发展提供有力支持。

基于运动学标定和空间插值的机器人定位误差补偿

绝对定位精度是衡量机器人性能的重要指标。为提升工业机器人的绝对定位精度,提出一种融合运动学标定和空间插值的定位误差分级标定的方法。首先基于D-H法建立机器人运动学模型,运用微分运动学理论建立机器人末端位置误差模型,结合IGG3权因子函数采用抗差岭估计辨识了运动学参数。而后基于机器人定位误差空间相似性特点,采用空间插值法对剩余误差进行补偿。最后通过实验对所提出的方法进行了验证。结果表明:机器人定位误差RMS值由补偿前的0.812 mm减小为0.049 mm,精度提高了93.97%。该方法能够有效减小机器人的绝对定位误差,提高定位精度。

云南省1961-2020年降水结构时空变化特征

[目的]揭示近60 a云南省降水结构的变化,加强对云南省降水的监测和预警,为云南省水旱灾害风险评估提供科学参考依据。[方法]基于云南省32个气象站点逐日降水观测数据,引入降水发生率和降水贡献率两个指标,利用创新趋势分析法(ITA)、Mann-Kendall检验法和反距离权重法(IDW),探讨了在不同降水历时和降水等级下,降水结构时空变化的特征。[结果](1)降水发生率随降水历时增加呈减少趋势,降水贡献率呈先增加后减少趋势,云南省以短历时降水为主。空间上,短历时降水发生率和贡献率整体呈现自东北向西南递减趋势,长历时与之相反。(2)随降水等级的提升,降水发生率呈增加趋势,降水贡献率呈先增加后减少趋势,云南省降水以小雨为主。空间上,小雨发生率呈自北向南递减趋势,中雨、大雨和暴雨发生率趋势与之相反。小雨和中雨贡献率呈自西北向东南递减趋势,大雨和暴雨与之相反。滇中、滇南和滇西南地区大雨和暴雨发生率和贡献率均较高,可能造成洪涝灾害的风险较大。(3)不同降水历时下,大多数站点短历时降水发生率和贡献率呈增加趋势,上升幅度大于5%,长历时呈5%以上下降趋势。不同降水等级下,大多数站点的小雨发生率、贡献率呈10%以内下降趋势,大雨和暴雨发生率、贡献率呈5%以上的上升趋势。[结论]云南省短历时大雨和暴雨发生概率有所上升,地区发生洪涝灾害和土壤侵蚀的几率增大,未来应持续对其降水结构进行监测研究。

复杂地层结构三维地质建模空间插值方法研究

三维地质体对于自然资源勘探、环境保护、自然灾害风险评估等领域都具有重要意义。在建模过程中,地质体的模型精度与插值算法有着直接关系。为研究不同插值算法的适用情况,文章对云南陆良某污染场地进行浅层三维地质建模,分别选取反距离权重法和自然邻域法,利用钻孔数据插值建模,并对模型结果进行目视检验和误差对比分析。研究结果表明:反距离权重法适用范围广,建模精度较高;相较于自然邻域法,反距离权重法更适用于地层结构复杂的三维地质建模,该方法对断层细节的描述更细致,模型更符合实际情况;而自然邻域法在断层明显的区域插值效果较差,不适用于地层结构复杂的情况。

基于反障碍距离加权的复杂场景电磁频谱地图构建方法

针对复杂场景中存在电磁波不可穿透的障碍物导致电磁频谱地图(REMs)构建性能不佳、反距离加权(IDW)算法受限于插值邻域的人工选择等问题,该文提出一种基于Voronoi图的反障碍距离加权(VIODW)的复杂场景电磁频谱地图构建算法。该算法通过创建包含障碍物的Voronoi图,为每一个待插值点自适应选定插值邻域用于电磁频谱数据构建,并利用任意角度路径寻优(ANYA)算法计算得到待插值点与插值邻域内每个监测站点之间的障碍距离,最后以障碍距离的反幂次作为权重加权获得待插值点处的电磁频谱数据,实现高精度的复杂场景电磁频谱地图构建。理论分析和仿真结果表明,该方法具有良好的构建精度,能够准确拟合出电磁波在复杂场景中的功率分布情况,为复杂场景下电磁频谱地图高精度构建提供了一种有效方法。

基于移去-恢复技术的海洋垂线偏差插值算法

海洋垂线偏差是惯性导航重力补偿不可或缺的基础信息,高精度的海洋垂线偏差插值算法是关键要件。联合海洋垂线偏差的空域分布特征和频域表征属性,基于移去-恢复技术对海洋垂线偏差插值算法进行了分析,以常用的反距离加权算法和Kriging算法为例,利用船载重力信息计算的垂线偏差数据和全球重力场模型EIGEN-6C4设计了仿真试验,结果表明,顾及频谱特性后,反距离加权算法精度能提高70%,Kriging算法精度能提高20%,验证了本文算法的有效性,可为高精度高分辨率的海洋垂线偏差模型构建提供技术支持。

广西区域速度场模型构建与应变特征分析

利用GAMIT/GLOBK软件解算2009-01~2019-06广西地区83个GNSS站数据,获得ITRF2014框架下GNSS站速度场,并通过Kriging插值法构建广西区域三维速度场模型。联合广西及周边136个GNSS站观测结果,采用格网距离加权法计算区域应变场,并对应变场特征进行分析。结果表明,ITRF2014框架下广西区域平均水平运动速率为34.95 mm/a,优势方向为N106.3°E,垂向运动表现为区域性缓慢隆升和沉降。23.5°N以北区域呈面应变压缩变形状态,以近SN向、NW向主压应变为主;23.5°N以南区域则呈面应变拉张变形状态,并以自西向东扇形展开的张应变为主。剪切应变场表现为四周高值、中部过渡带为低值。研究区内近10 a内地震主要发生在剪切应变高值向低值转变的区域,且时空上具有从断裂带一端向另一端迁移并折返的变化特点。

基于数字高程模型的民航甚高频地空通信信号覆盖仿真

为解决起伏地形下民航甚高频(very high frequency,VHF)地空通信信号覆盖范围计算精度低、冗余度大、数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据获取缺乏自动性及信号覆盖图可视性差等问题,采用最大遮蔽角截止法等进行仿真研究。首先,考虑计算覆盖范围存在误差,提出利用反距离加权(inverse distance weight,IDW)插值法提高地形辨识度并在计算覆盖范围时考虑大气损耗;其次,为解决DEM数据获取缺乏自动性,利用MATLAB编码自动提取;再次,考虑遮蔽角计算存在冗余,采用“最大遮蔽角截止法”降低计算量;最后,为使覆盖范围直观可视,绘制二维及三维的覆盖显示图。结果表明,这些方法使遮蔽角计算量相较改进前降低了约64.60%,信号覆盖精度相较改进前提高了约3.315%。改进的覆盖仿真程序可以为VHF地面通信台站选址及飞行航线规划提供有效支撑。

结合基于密度的噪声应用空间聚类和反距离加权算法的城市环境电磁频谱地图构建

针对传统电磁频谱地图构建方法感知节点分布不均匀、监测数据存在异常值等问题,将基于密度的噪声应用空间聚类(Density-based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)算法与反距离加权(Inverse Distance Weighting,IDW)算法相结合,提出一种城市环境电磁频谱地图构建方法。该算法首先通过DBSCAN减轻极端值的影响,并分离核心点、边界点和噪声点,将每个核心点的局部密度作为权重,计算簇的加权中心点。其次,运用IDW对聚类簇的加权中心点进行插值估计,以显著减少需要进行插值的数据点数量,从而构建精度更高的电磁频谱地图。仿真结果表明:与IDW算法和反障碍距离加权算法相比,所提算法重构得到的电磁频谱地图的平均绝对误差和归一化均方误差分别降低了10%和23%以上。

基于反距离加权法的磁记忆信号插值及力-磁效应研究

铁磁性材料是石化工业中重要受力部件的组成材料,石化管道逐渐日益高压输送的趋势对其安全性检测提出了更高的要求。金属磁记忆检测方法(MMM)是一种灵敏便捷的无损检测技术,为使磁记忆检测技术在管件早期缺陷快速检测中广泛应用,需对石化管件材料的磁记忆信号特征进行进一步的研究。通过反距离加权法对四条平行路径上采集的磁记忆信号进行空间插值,将一维磁记忆信号拓展到三维空间,从而以曲面的偏导及全导的形式将传统的磁记忆信号的特征参量演化为空间域的磁记忆信号特征值。为石化管道早期缺陷的快速识别做出了铺垫性研究,对磁记忆检测技术在管道内检测领域的应用具有参考性价值。

基于反距离加权法的内涝灾害临界雨量分析计算

【目的】为了在监测资料缺乏地区划分内涝灾害风险等级,开展内涝风险预警,借鉴山洪临界雨量相关计算方法推求隐患点临界雨量。【方法】以满洲里为例,联合采用单站临界雨量法和反距离加权法对现有气象站网雨量监测资料、内涝过程积水深度、小时降雨量、内涝隐患点地理信息等资料,进行分析计算。【结果】得出互贸区、基准站等7个自动雨量站,4个内涝预警等级下17个单站临界雨量值在2.5~39.6 mm之间。华埠大街套娃广场门前等23个内涝隐患点,4个内涝预警等级下92个致灾临界雨量值在4.30~29.11 mm之间。【结论】根据计算得出的隐患点致灾临界雨量,开展内涝灾害风险等级预警服务,取得了良好的效果。

考虑高程的降水空间插值方法研究——以巴河流域为例

在气候变暖的背景下,构建质量可靠的降水数据,对水资源管理与水土流失预防与治理至关重要。基于站点观测数据,利用空间插值方法是获得可靠的降水数据的重要途径。为提高空间插值方法对水文站点稀疏、地形复杂的山区流域降水数据精度,以巴河流域为例,采用径流系数作为评价指标,评估GLADS、GSMaP以及再分析数据集CMFD等3种降水数据的适用性,并考虑高程变化对降水空间垂直分布的影响,提出了一种基于高程递推的反距离加权法,分析研究区不同高程降水的空间变化规律。结果表明:GLADS、GSMaP以及再分析数据集CMFD降水数据对巴河流域的年均降水量的模拟存在不同程度的低估现象,模拟精度从大到小排序为CMFD>GSMaP>GLADS,均不能准确的刻画巴河流域降水量随高程的变化。巴河流域水文观测站点较少,代表性有限,遥感数据反演精度偏低,基于高程递推的反距离加权法模拟的巴河流域降水空间分布再现效果较好,明显优于传统的反距离加权法。该方法得到的降水量能够更好的反映高程变化对巴河流域降水空间分布的影响,巴河流域年均降水量为1522 mm,径流系数为0.92,降水量主要来源于4000~6000 m高海拔地区,相对贡献率最大,占比高达89.5%,4000 m以下海拔对应的降水量占比为10.1%。研究可为水文资料短缺的高寒山区流域的水文模拟与预报提供参考。

一种顾及方向遮蔽性的高效空间插值方法

反距离权重插值方法在航空航天中有着广泛的应用,但其存在仅考虑距离关系而忽视方位关系的缺点,顾及方向遮蔽性的调和反距离权重插值方法弥补了这种不足,提高了插值精度,但仅适用于平面插值。借鉴该方法的基本假设,根据归一化后样本点的不同空间分布,以平面均匀角和球面均匀角为基准,制定统一的均匀性量化标准,提出一种更具普适性的三维空间插值方法。在搜索插值点的临近样本点时,提出一种最近邻搜索算法,极大提高了插值计算效率。通过测试函数计算发现,与反距离权重插值方法相比,所提插值方法误差显著降低。将所提插值方法应用于某型民用飞机短舱的气动载荷插值,结果表明,所提插值方法兼具高效和高精度的优点。

粒子群局部优化的反距离权重插值算法

参考点与参数的选取会对反距离权重(IDW)的精度产生影响。针对多参数协同优化反距离权重算法(PIDW)忽略局部特性的问题,提出一种利用粒子群对IDW进行局部优化的改进算法——PLIDW。首先,分别对研究区域中各个样本点的参数进行寻优,利用交叉验证方法进行评估,记录各自最优取值的一组参数;同时,为提高查询效率,使用K维树(KD-Tree)保存空间位置与最优参数;最后,根据空间邻近程度从K维树选取最近的一组参数优化IDW。基于模拟数据与真实的温度数据集上的实验结果表明,相较于PIDW,PLIDW在真实数据集上的准确度提高4.18%以上,改善了PIDW存在的因忽略局部特性导致部分场景准确度低的问题,适应能力更强。

三种插值方法在降水等值线绘制中的对比分析

为对比不同插值方法在宁夏回族自治区的适用性,基于宁夏及其周边地区77个气象台站1956—2016年平均降水量数据,运用泰森多边形法、距离平均反比法、克里金插值法对降雨量数据进行空间插值和交叉验证,从插值方法的稳健性和准确度出发进行对比分析,得出适用于宁夏回族自治区的插值方法。研究表明:(1)从准确度来看,克里金插值法与观测值走向、位置较为相似;从稳健性来看,克里金插值法MAE平均值为4.43 mm、RMSE平均值为10.36 mm,显著小于泰森多边形法和距离平均反比法。(2)整体来看,克里金插值法更为理想,可以用于宁夏回族自治区降水量空间插值分析。

三种河流相对高程模型生成方法对比

相对高程模型(REM,Relative Elevation Model的缩写)表示相对于河流水面或活性河道的海拔高度,衍生于数字高程模型(DEM,Digital Elevation Model的缩写),能够消除因河流纵向的地势造成的DEM表征不清楚,高差过大造成细节模糊地势的影响,从而在平面图上更为清晰地表征河流地形的细微变化,因而研究REM的生成方法及其适用性具有十分重要的意义。通过文献综述,选取美国加利福尼亚州内华达山脉的卡森河某河段为实验区,利用其高精度(米级分辨率)DEM数据,介绍核密度法、反距离加权法、横截面插值法三种REM生成方法。通过REM和DEM的对比,以及三种REM的效果对比,得出:当高程差过大时,DEM可视化方案往往不能很好地在河流地貌刻画中发挥作用,尤其是在解译时,利用REM可解决高差过大造成的细节模糊问题;横截面插值法主要的优势表现在可根据用户需要做适用性调整,相对而言鲁棒性强,较为灵活,但其自动化程度较低,且花费的时间较长,因此需较多的人工干预;核密度法耗时相对较少,REM结果很少有伪影或错误的相对高程值,但核密度法导致一些潜在的伪影或者错误的相对高度,体现在研究河段范围的终点会有偏差;反距离加权法(IDW,Inverse Distance Weighted的缩写)的优势是创建用时较少,且只需要输入两个数据:DEM和河流中心线,但因搜索距离问题不合适易在特殊地段出现失效情况。因此,REM将在河流精细刻画中发挥重要的作用,其生成方法已经可以实际应用,但有待进一步提高和完善;REM模型不需经过复杂计算,适合难以进行现场调查的河流对比研究,且应用范围较广,为河流迁移、洪水分析、河流管理和修复、生物栖息地选取以及文化评估方面的研究提供了重要作用。

融合IDA-GRU和IIDW的水产养殖溶解氧时空预测模型

为了提高大面积水产养殖中养殖效率、降低养殖风险、提高溶解氧(dissolved oxygen,DO)时空预测精度,该研究基于双重注意力机制改进的门控循环单元(improved gated recurrent unit based on dual attention mechanism,IDA-GRU)和改进逆距离加权插值算法(improved inverse distance weighting interpolation algorithm,IIDW),提出了一种改进的水产养殖溶解氧时空预测模型。首先在门控循环单元(gated recurrent unit,GRU)的基础上,引入特征和时间双重注意力机制(dual attention,DA),实现溶解氧时间序列预测,其中特征注意力机制实时计算各环境特征的贡献率,不断修正各环境特征的权重,时间特征注意力机制自主地提取关键历史时刻信息;然后在溶解氧时间序列的基础上,利用IIDW算法实现溶解氧空间预测,该算法中提出的距离权重校正系数,能够实时调整插值权重。最后,在上海城市电力公司数字化生态养殖基地对该模型进行了试验验证。试验结果表明,对于溶解氧时间序列预测,该研究提出的IDA-GRU模型评价指标均方误差、均方根误差、平均绝对误差分别为0.068 7 mg^(2)/L2、0.262 1 mg/L和0.205 1 mg/L,优于对比模型;对于溶解氧空间预测,该研究提出的IIDW算法,其均方误差、均方根误差、平均绝对误差分别为0.2088 mg^(2)/L2、 0.4570 mg/L和0.3835 mg/L,均优于对比算法。该研究提出的模型提高了溶解氧时空预测精度,对提升大面积水产养殖防灾能力,实现水质智能化调控具有重要的推动作用。

基于多方位相干属性的断裂预测技术

地震相干属性是地震解释中识别大中尺度构造和地层异常的关键技术,目前常规属性技术基于叠后三维数据进行.宽方位地震采集和解释技术的发展为提高地下构造的地震识别精度提供了新思路,但如何利用丰富的宽方位地震数据开展地震几何属性研究仍具有挑战.因此,本文充分利用地质不连续面造成的地震异常在不同观测方位上的差异,以及垂直断裂构造走向的部分方位叠加数据对识别断裂有更好的效果,发展了一种基于方位地震数据提取多方位相干属性的方法.首先,在不同方位地震数据的三维分析窗中对地震道插值,沿不同方向构造方位分析窗,其次,在计算方位相干时,对方位分析窗内不同位置的地震道使用反距离加权算法计算权重,最后通过主成分分析技术实现多方位信息融合,并将归一化后的结果定义为最终多方位相干.实际应用验证了所提方法的有效性和稳定性,与常规方法相比,本文所提方法包含了地质构造不同方位的特征,在所有方向上突出了地质边缘,同时提供了局部和整体的不连续性,并且有效地提高了相干图像的信噪比.