探地雷达对天体熔岩管探测技术类比研究

熔岩管是建立地外天体基地首选地之一。为验证探地雷达对地外天体熔岩管探测的可行性,使用400MHz探地雷达对海南海口石山火山群中的七十二洞和卧龙洞进行熔岩管探测技术类比研究。结果显示:管道上壁距离地面小于等于2m时,雷达可清晰显示上界面;当熔岩管上、下界面高度小于3m时,雷达图可观察到上、下分界面所在位置。使用遗传算法进行雷达数据反演,获得管壁介电常数,并与深度法和样品测量结果对比验证了该反演算法的可靠性。通过分析发现,样品孔隙度与介电常数存在关联性。探地雷达可有效测量地下熔岩管的内部空间信息,并用于未来月球基地建设的准备工作。

多装备协同的县(区)级实景三维生产关键技术

针对复杂环境下实景三维数据采集生产采用单一平台、单一传感器无法满足复杂场景测得全、测得准及测得快的要求,本文提出了多装备协同的实景三维数据获取、处理、质量管控的关键技术,并通过珠海市金湾区实景三维生产项目进行了验证。结果表明,该方法可解决复杂环境下实景三维数据生产的技术难题,且数据模型质量高、成果种类丰富、获取效率高、质量可控,具有示范效应和推广价值。

省级国土三调与用地用海分类数据快速转换技术方法探索

为实现大范围的省级国土三调分类数据与用地用海分类数据间的转换,本文采用深度学习技术和人工目视解译方法,根据国土三调分类与国土空间规划用地用海分类对接情况表,对国土三调分类二级类与用地用海分类二级类进行差异对比。首先,分析地类映射关系,研究“一对一”“一对多”地类映射关系的规律与特征,制作“一对一”转换工具,对“一对一”地类进行批量转换;其次,结合遥感影像、地名地址数据、地理国情监测数据、互联网POI等参考数据,采用深度学习技术方法,开展“一对多”地类自动转换方法研究;最后,研究一套半自动的国土三调地类与用地用海地类的转换技术流程,对基于深度学习的自动转换精度进行分析和评价,验证所提方法的可靠性和准确率。研究成果可实现广东全省国土三调地类向用地用海二级类的批量转换,大大提升转换效率,取得良好的效果,所提出的方法流程具有较强的科学性和可操作性。

面向极地航运的卫星观测技术发展研究

极地是人类生存和发展的新疆域,是未来大国之间围绕生态安全、利益福祉和战略合作的制高点,我国在极地科考、搜索救援、航道开发等方面面临新的需求和挑战。提升极地全球治理与安全保障能力,实现极地全域的实时感知、利用和主导治理已成为极地强国的标志。欧美日等地区和国家已加快发展极地环境认知的立体观监测能力,而我国的极地进入与探测能力仍存在明显短板,相关冰区和海区的第一手资料依旧缺乏,迫切需要加大对极地卫星技术的研发投入,提高极区数据获取和采集能力。该研究侧重面向极地船舶航运的现实需求,系统论述国内外现有极地遥感卫星观测技术现状,提出我国极地天基观测系统的发展趋势,为论证新增极地卫星装备体系能力、制定顶层框架和发展路线提供支撑,支撑我国进入、开发和利用极地,增强在全球地缘政治敏感区和战略区国际重大事务中的话语权与影响力。

基于数字高程模型的月球精细重力场建模研究进展

月球重力场精细建模是构建月球高程基准、开展月球内部结构探测及科学研究的基础性工作.单纯基于航天器轨道数据构建的月球重力场模型空间分辨率有限,难以满足精细重力场研究的需求.高分辨率地形模型的获取为月球精细重力场建模研究提供了新的机遇.本文从月球全球重力场模型及评估方法、高分辨率精细重力场建模的理论技术和研究成果方面介绍当前月球精细重力场建模的现状和进展.在此基础上,本文从数据更新、高频重力场建模的误差改正问题、计算效率以及球谐分析的级数发散问题等方面系统总结了基于精细数字高程模型(DEM)的月球重力场建模中存在的关键理论问题和技术挑战,并探讨了下一步亟需开展的研究工作,为月球和其他类地行星的重力场研究提供参考.

联合GNSS与GRACE/GRACE-FO数据反演中国西南地区陆地水储量变化

GNSS和重力恢复与气候试验(GRACE)及其后续任务(GRACE-FO)给陆地水储量变化(TWSC)研究带来了技术革新,但这两种技术估计的区域TWSC具有不同的时空尺度和精度特性。因此,有必要融合两种观测数据,以获得同一尺度且高精度的TWSC。本文基于GNSS独立反演模型,使用求和算子对喷气推进实验室(JPL)的GRACE/GRACE-FO Mascon数据进行求和运算来构建约束,通过赤池贝叶斯准则选择最优模型参数,构建了一种联合GNSS与GRACE/GRACE-FO数据的区域TWSC反演模型。随后,本文设计数值模拟试验,以验证利用该模型反演中国西南地区TWSC的可行性。结果显示,1000次试验中联合反演估算的均方根误差均值为10 mm,比GNSS独立反演结果低47%。基于此方法,本文联合GNSS与JPL Mascon数据反演了中国西南地区2011年1月—2022年6月的时变TWSC。对比联合反演、GNSS独立反演、GRACE/GRACE-FO和高分辨率全球陆地数据同化系统(GLDAS)的结果,发现联合反演与GLDAS的TWSC周年振幅空间分布特征最吻合,表明联合反演估计的TWSC空间分辨率优于GNSS独立反演和GRACE的结果。最后,结合水平衡方程估算的区域水文收支情况,并通过广义三角帽方法评估陆地水储量等效水柱高的变化率(d(EWH)/d t)的不确定性。结果显示,联合反演估计的d(EWH)/d t不确定性为8 mm/月,较GRACE/GRACE-FO、GNSS独立反演和水平衡方程结果分别低33%、68%和62%。研究结果表明,与GNSS和GRACE/GRACE-FO独立反演方法相比,联合反演能够改善TWSC估值的精度,可为水资源管理决策及水文气候学研究提供更可靠的数据支撑。

结合GWRFR和作物物候信息的玉米产量早期预测

及时并准确地估计作物产量,对保障粮食安全、维护世界粮食供应稳定具有重要意义。此前,已有许多研究者使用机器学习方法对作物产量预估进行研究。然而,结合作物的空间分布、使用局部模型进行分析的研究较少;且诸多研究均以年份为时间尺度进行建模,未能精细到作物生长的各个阶段,无法实现作物产量的早期预测。针对以上问题,该研究结合多源遥感数据,利用随机森林(random forest,RF)以及地理加权随机森林(geographically weighted random forest regression,GWRFR)模型对美国县级玉米产量进行建模,探讨全局与局部模型在玉米产量预测方面的性能;并通过将GWRFR模型应用于玉米的各个物候期,获取了玉米产量的最佳提前预测时间。结果表明,GWRFR局部模型的精度(R^(2)=0.87,RMSE=864.21 kg/hm^(2))高于传统的RF全局模型(R^(2)=0.83,RMSE=994.75 kg/hm^(2)),并且能够较好地克服空间数据的非平稳性,即使在全局模型中加入经纬度作为变量,RF模型的预测效果(R^(2)=0.85,RMSE=890.88 kg/hm^(2))仍然低于GWRFR模型。对于玉米产量的预测可以提前至收获前2~3个月,即在乳熟期前后就能得到比较准确的预测结果(R^(2)=0.90,RMSE=748.39 kg/hm^(2))。该研究结果可为大尺度作物产量预估提供一种新的思路,对区域或全球其他作物的产量预测也具有一定的指导意义。

基于轻量型移动测量系统的地外熔岩管3D探测与地表验证

熔岩管广泛存在于地球及地外天体,可为人类未来登陆地外天体提供天然庇护,地外熔岩管探测具有重要意义。然而,熔岩管探测存在许多挑战,已有的地球熔岩管探测方案设备不便携、自动化程度和工作效率低,难以用于地外熔岩管探测。针对上述问题,提出一种基于轻量型移动测量系统的熔岩管3D探测方法,利用穿戴式设备实现高效精细的地图构建和三维形态表达,并通过地球熔岩管探测进行验证。首先利用激光扫描高效获取熔岩管内点云,并基于迭代卡尔曼滤波算法生成熔岩管3D点云实时地图。然后结合地面滤波、管道壁提取、法向量估计等点云智能处理方法,实现熔岩管的三维智能化重建,并作形态学分析。选取海南省海口市的仙人洞及七十二洞作为地外熔岩管的模拟场景进行实验,结果表明,所提方法实现了熔岩管3D实时自主测图,生成的点云地图及3D模型相比于已有研究结果更精准、地貌形态细节信息更多,可更好地满足熔岩管的形态分析需求,有望为地外熔岩管探测提供基础。

远海环境低成本RTK接收机多路径效应与平滑伪距单点定位性能

低成本RTK接收机抗多路径性能较弱,导致远海环境中的单点定位性能显著下降。综合分析远海环境中载波相位平滑抑径算法对低成本RTK接收机单点定位性能的影响。结果表明,远海环境中RTK接收机的多路径效应为陆地环境的2~3倍,E5频点的抗多路径性能最强;平滑抑径效果与伪距多路径效应大小有关,采用平滑抑径算法后,RTK接收机SPP定位精度在远海环境提升62%,在陆地环境提升24%;平滑抑径后GPS/Galileo/BDS-3多系统SPP定位精度优于1 m,可满足海上较精细作业的需求。

基于无人机倾斜摄影和激光扫描的离岸海岛高精度实景三维重建

本文面向离岸海岛实景三维需求与技术挑战,以珠海市庙湾岛为观测对象,采用无人机倾斜摄影与激光扫描的方式进行离岸海岛的实景三维数据获取。详细介绍了无人机任务规划、地面控制与实景三维数据处理工作,以及基于无参数布料模拟滤波的DEM生成,最终通过检查点验证了数据的绝对精度。结果表明,获取的正射、倾斜影像总中误差分别为14.72、6.60 cm;点云、DSM、DEM高程中误差分别为3.10、6.20、7.11 cm,满足离岸海岛实景三维展示与调查管理的需求。

多卫星星座对时变重力场反演精度和时空分辨率影响的模拟研究

近二十年,GRACE/GRACE-FO实现了对地球时变重力场的连续监测.但受单极轨轨道配置、背景模型误差和载荷精度的限制,其时空分辨率和观测精度不足以探测短时间、小尺度的质量变化信号.以欧空局MAGIC(Mass Change and Geoscience International Constellation)和中山大学“天琴计划”为代表的下一代重力计划将通过多对卫星星座和新一代高精度载荷来提高时变重力场反演精度.考虑到未来多项卫星重力计划和当前GRACE-FO、中国重力卫星同期观测的可能,本文基于动力学方法对双极轨、Bender、极轨+Bender和双Bender四种星座构型进行了闭环仿真模拟,并对其月尺度解和1~3天短周期解进行评估.结果表明:(1)相较于单极轨,双极轨、Bender、极轨+Bender和双Bender四种星座的月尺度时变重力场恢复精度分别提高了30.7%、85.7%、85.9%和89.5%.(2)多对卫星星座能够恢复高空间分辨率的短周期时变重力场解,且在时间序列中能够保留地球物理信号的高频部分.其中双Bender能够恢复40阶的1天解时变重力场,极轨+Bender能够恢复40阶的2天解时变重力场,Bender能够恢复40阶的3天解时变重力场.

不同偏移量追踪算法提取冰川流速的亚像素级精度比较

偏移量追踪技术不易失相关,是利用光学与SAR卫星影像监测冰川流速的主要手段。该技术通过互相关方法获得像素级偏移量,并通过插值算法达到亚像素级别。实地测量冰川流速不易获取,难以用于验证亚像素级算法精度,因此本文采用图像处理方法对其精度进行分析。本研究以格陵兰Petermann和Kangerlussuaq冰川为例,通过模拟实验设定偏移量场并生成模拟的偏移影像,将COSI-Corr、autoRIFT和ImGRAFT等偏移量追踪软件得到的结果与设定偏移量场对比,而后使用三次函数拟合判断是否存在系统误差,并通过拟合函数的反函数对其进行校正。结果表明COSI-Corr软件的偏移结果的亚像素级系统误差较小,而autoRIFT和ImGRAFT存在一定的亚像素级系统误差且与实验区无关。autoRIFT的亚像素级系统偏差最大,校正后其单方向RMSE平均提升了0.0054 pixels(px),提升率约为11%;而ImGRAFT(CCF-O)和ImGRAFT(NCC)的单方向RMSE平均分别提升了0.0014 px和0.0012 px,提升率较小。经校正后,autoRIFT精度最优,Petermann和Kangerlussuaq冰川区域的单方向综合精度分别为0.04 px和0.12 px;ImGRAFT(CCF-O)表现次之,不同实验条件下的单方向精度约为0.08 px;Im GRAFT (NCC)较差,Petermann和Kangerlussuaq冰川区域的单方向综合精度分别约为0.09 px和0.12 px。

顾及地理尺度的矢量建筑物变化检测方法

高现势性数据与现有矢量地理实体数据库融合和更新时,由于现有基础地理数据库具有特定规范、精度与比例尺要求,使变化检测异常困难。鉴于此,提出了一种顾及地理尺度的变化检测样本构建方法。首先通过数据匹配建立新旧矢量数据同名实体间的对应关系,再通过固定尺度地理单元和数学形态学方法将变化样本聚焦在局部显著变化区域,以提高卷积神经网络对变化信息的尺度感知力。通过实验确定了样本地理单元的合适尺度,并对比了AlexNet、GoogleNet与传统C4.5决策树模型的变化检测效果。结果表明,基于图像的深度学习方法优于基于矢量人工特征的C4.5模型;基于固定尺度单元样本库的变化检测模型明显优于基于外接矩形样本的构建方法,进一步验证了该方法的有效性。

面向新工科的人工智能与测绘课程融合教改思考与实践

人工智能技术的迅速发展,推动了其他领域的技术变革,测绘作为与人工智能密切相关的学科也开启了技术交叉。在遥感与测绘大数据时代,转型赋能的知识储备与技术在学术与产业界中交替升级,将人工智能新技术融入测绘课程教学可加快测绘行业的发展进程。以遥感科学与技术专业的《计算机视觉与模式识别》课程为例,通过实践项目将计算机视觉、信号处理和传统测绘理论与方法高度融合,在新工科与新基建背景下,将人工智能技术与测绘行业需求相结合,探索学科交叉的教学模式。理论与实践教学案例和经验表明,交叉学科的创新和跨学科思维的建立对于培养解决实际问题的多元化人才至关重要。

利用GPS观测中国大陆固体地球潮汐形变

利用中国陆态网242个GPS连续观测站超过10年的观测数据,采用精密单点定位静态方法获得了八个主要潮波的三维潮汐位移.与建模值对比结果表明,GPS观测潮汐位移的精度可达亚毫米级.进一步将GPS观测值与OTL(Ocean Tide Loading)建模值对比,除DTU10外其他七种海潮模型与GPS观测值之间一致性较好.综合考虑验潮站观测结果,最适合中国大陆M2、O1潮波OTL建模的海潮模型是TPXO9-Atlas,地球模型为PREM.本研究还发现,M2、O1潮波GPS观测值与建模值之间的残差存在明显的大尺度空间相关性,表明中国地区存在固体潮建模误差等系统误差.本文对198个离海岸线距离超过200 km的内陆站点的系统误差进行分析,改正系统误差后内陆站点东、北和垂直方向加权均方根误差(Weighted Root Mean Square,简称WRMS)分别为:0.04 mm、0.07 mm和0.11 mm(M2),0.05 mm、0.07 mm和0.11 mm(O1);44个沿海站点WRMS分别为:0.18 mm、0.27 mm和0.59 mm(M2),0.10 mm、0.16 mm和0.30 mm(O1).部分沿海站点仍存在较大残差,主要源于海潮负荷位移建模误差,除海潮模型外还包括海水密度、地球模型、上地幔和地壳模型等因素影响.本文首先使用最新WOA(World Ocean Atlas)18海洋数据集计算海水密度和可压缩性的影响,结果表明中国内地OTL建模对海水密度变化和可压缩性并不敏感.其次,软流圈滞弹性散耗效应可使半日潮软流圈的剪切模量降低约8.5%,周日潮软流圈的剪切模量降低约9.1%,考虑滞弹性散耗效应,M2、O1潮波垂直方向上残差最大可分别减小0.50 mm、0.25 mm.最后,本文利用GPS实测数据对四种三维地球模型进行了适用性评价,结果表明除USTC地球模型受沉积层影响外,其他三种地球模型都能有效提高GPS观测结果与理论建模结果的一致性;另外全球地壳模型CRUST1.0与GPS观测值之间的残差最小,说明中国大陆海潮负荷建模精度受地壳结构精度影响较大.本文研究结果证明现今中国大陆GPS观测潮汐位移的结果已经具有足够的精度用于约束该区域地球内部结构.

基于Point Transformer v2的点云枝叶分离方法研究

准确高效的点云枝叶分离对精确计算森林树木的垂直参数至关重要。然而,当前的研究方法计算成本高,且依赖先验知识导致泛化能力不足。针对以上问题,文章提出利用基于点特征的Transformer网络进行自动化的森林场景三维点云的枝叶分离研究。该方法使用Point Transformer v2网络,首先利用网格编码模块提取可学习的局部结构关系,保留点云的几何拓扑结构;其次使用分组注意力实现多通道联合学习,降低特征的冗余度,提高计算的效率;最后构建了基于点的Transformer网络实现高精度森林树木三维点云语义分割,降低了对于先验知识的需求。使用地基激光扫描仪获取的加拿大和芬兰7个不同树种样地的三维点云数据,进行枝叶分离实验和精度评价。实验结果表明,网络整体精度(OA)为94.42%,mIoU为78.89%,能够适应不同树种、不同点云密度的森林场景的枝叶分离。

面向地外天体熔岩管的三维探测与形态研究

针对地外天体熔岩管探测,利用激光雷达技术对与月球、火星具有较高相似度的海口市石山火山群区域内的熔岩管进行了实地勘测,提出了基于网格划分的天窗检测方法以及利用基于数据增强与多尺度特征学习网络的裂缝检测方法,对熔岩管内部结构进行探测及形态研究;使用便携式手持激光扫描仪对管道内部进行全方位扫描获得高精度点云数据,在ContextCapture软件中完成三维建模,对管道内特殊的微型地貌天窗及其内壁裂隙进行了自动化的检测与提取。实验结果表明,利用激光扫描仪搭配点云处理软件及程序可以高效、直观且真实地还原熔岩管的形态结构,进行定量化分析,对管道内特殊的微型地貌可进行检测与提取。

揭示配体拓扑结构对Fe-N_(x)-C单原子催化剂表面氧还原反应中间体吸附的影响

过渡金属单原子氮掺杂碳催化剂(TM-N-C SAC)因其更高的金属原子效率而被认为是提升氧还原反应(ORR)效率的重要途径.TM-N-C SAC反应中心的活性与配体结构密切相关,构建基于配体结构的ORR活性描述符是高效设计高催化活性单原子催化剂的关键.然而目前大多配体描述符基于催化剂的综合表观性质,如OH吸附能和金属中心d带中心等,其获取仍需进行额外计算,不利于通过配体结构快速推测反应活性;而目前基于配体结构拓扑参数,如金属中心原子及其配位原子属性、数量等设计的描述符存在对催化活性的描述较差或仅适用于特定配体等问题.解决该难题的关键在于理清OH与TM-N-C SAC成键的微观机制.本文全面考察了ORR中间体OH在21种具有不同氮原子数量、位置以及不同配体尺寸的卟啉型FeNxC SAC表面上的吸附机制.对有限尺寸卟啉型Fe-Nx-C(x=0-4)SAC模型上OH吸附的密度泛函理论计算结果表明,OH吸附能与SAC的配位氮原子的数量并不线性相关,且受氮原子排布方式的影响.利用能量分解分析(EDA)将OH与SAC的成键作用分解,重点讨论氮的掺入对静电作用、泡利排斥作用和轨道作用的影响.针对静电作用,Bader分析与电荷密度差值分析结果表明,氮的掺入一方面将电荷向配位原子上聚集,且配位原子上电荷数随氮原子数量增加而线性增加;另一方面大幅增强铁-配体键(Fe-L)的离子性,减少铁与配体间的电子密度,提高铁中心电子能量,并从而改变静电作用能量.对于泡利排斥作用,其影响因素与静电作用类似,因而作用强度与静电作用强度呈较好线性关系.对于轨道作用,结合扩展过渡态-化学价的自然轨道(ETS-NOCV)和电子定域化(LOL-π)等综合分析发现,氮原子的掺入破坏了配体的离域π键,从而影响OH与配体的轨道在成键时的相互作用.此外,对配体大小影响的研究表明,配体边缘原子仅当出现在包含配位原子的环上时才对OH与SAC成键有较大影响,这充分证明了OH吸附这一过程的局域性.综上,本文提供了Fe-N-C型SAC上完整的OH吸附键形成机制,强调了配位原子及其近邻原子对吸附活性的影响,为构建基于SAC拓扑特征的ORR活性描述符,实现SAC配体的快速筛选提供参考.

不同指向模式下星载冷原子梯度仪对重力场解算精度的影响

冷原子干涉测量技术(CAI, Cold-Atom Interferometry)的发展为未来卫星重力梯度测量任务提供了新的测量思路.目前基于该任务概念的模拟研究均基于单一的观测指向模式对CAI梯度仪的对地观测能力进行论证.本文在GOCE卫星任务背景下,通过数值闭环模拟评估了CAI梯度仪在近地指向和惯性指向模式下对重力场观测影响.实验结果表明:在近地指向观测模式下,CAI梯度仪受卫星旋转角速度的影响,重力场解算的精度仅在50阶以内优于GOCE卫星的模拟结果.若当卫星搭载轨道旋转补偿系统时可以有效地减弱卫星旋转对CAI梯度仪的影响,进而提高重力场模型的解算精度.梯度张量主对角线三分量的联合解算精度在全频段内都要优于GOCE卫星相应分量的结果,精度可提高1.5~6倍.在惯性指向观测模式下且仅考虑卫星残余角速度的影响时,CAI梯度仪的解算结果在30阶以后比GOCE卫星所搭载的GRADIO梯度仪的精度低.而在综合考虑卫星残余角速度和卫星轨道面旋转后,解算得到的重力场在100阶以内优于GOCE卫星解算精度.进一步比较两种指向模式下分别基于单轴、双轴和三轴观测的结果可以发现,三轴观测时两种指向模式的解算精度相当,在所有阶次上都要优于GRADIO梯度仪的结果.但基于单轴进行观测时,近地指向模式下V_(zz)分量的精度更高,而对于双轴观测的情况,惯性指向下的组合(V_(xx)+V_(zz)和V_(yy)+V_(zz))解算精度更高.本研究通过对不同指向模式下CAI梯度仪对地观测影响的分析,可为基于CAI梯度仪的新型空间量子-地球重力场测量任务提供相应的参考.

顾及形态特征的遥感影像湖泊多分辨率表达方法

遥感影像的多分辨率表达在数据传输、计算效率和隐私保护方面发挥着重要作用。传统的遥感影像多分辨率表达方法忽略了目标的整体形态特征,容易产生信息冗余,影响图像的易读性。结合超像素分割和纹理迁移技术,文章提出了一种顾及形态特征的遥感影像多分辨率表达方法。该方法首先根据地理特征差异和分形维数对湖泊形态特征进行了分析。然后,基于超像素分割算法对湖泊边界进行了简化。最后,利用原始和简化湖泊边界进行纹理迁移,生成多分辨率遥感影像。结果表明,该方法在遥感影像多分辨率表达过程中能够有效去除冗余细节,提高对象的易读性。