博士論文成果展示 |《測繪學報》2024年53卷第2期

本文内容來源于《測繪學報》2024年第2期（審圖号GS京(2024)0297号）

可分離非線性最小二乘計算方法及其在LiDAR波形分解中的應用研究

王珂

山東理工大學建築工程學院, 山東 淄博 255000

基金項目：國家自然科學基金（42074009）；山東省自然科學基金（ZR2020MD043）

作者簡介：王珂(1990—), 女, 2021年6月畢業于山東科技大學, 獲工學博士學位(指導教師: 劉國林教授), 研究方向為現代測量資料處理理論及應用。E-mail: [email protected]

王珂. 可分離非線性最小二乘計算方法及其在LiDAR波形分解中的應用研究[J]. 測繪學報，2024，53(2)：391-391. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220697

WANG Ke. Research on computing methods of separable non-linear least squares and application in LiDAR waveform decomposition[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(2): 391-391. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220697

閱讀全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240217.htm

非線性最小二乘作為最基本的非線性優化方法，廣泛應用于測繪領域中非線性函數模型的參數估計。LiDAR全波形回波信号的高斯特征參數的求解通常并未考慮模型可以分解成多個高斯函數的結構特點，而将所有的待求參數看作非線性參數，用泰勒級數展開公式對非線性模型線性化，進而利用LM(Levenberg-Marquardt)算法進行求解，對待求參數初值要求較高。根據實際問題的來源，函數模型若可以表示成非線性函數的線性組合形式，則稱為可分離非線性最小二乘(separable non-linear least squares，SNLLS)問題，求解此類問題最常用的方法是變量投影(variable projection，VP)算法，但基于傳統VP算法的可分離非線性最小二乘目标函數中變量投影算子導數計算的複雜性又會降低可分離非線性最小二乘問題求解的效率，非線性函數矩陣的病态性也會導緻參數求解結果不準确。是以，論文在分析VP算法原理的基礎上，對傳統VP算法的目标函數計算方法進行改進，結合非線性參數優化方法，對參數分離後的線性參數和非線性參數估計方法進行深入研究，并圍繞LiDAR波形分解中高斯函數分量特征參數的求解問題，對可分離非線性最小二乘計算方法進行應用和驗證。論文的主要研究内容包括以下幾個方面。

(1) 系統分析了可分離非線性最小二乘問題的參數分離與參數不分離的解算方法。圍繞可分離非線性最小二乘問題的特殊結構形式，結合非線性模型和參數平差問題，在分析VP算法原理的基礎上，推導了目标函數變量投影算子的導數計算公式。通過理論分析和機載LiDAR波形分解的試驗證明了基于VP算法可分離非線性最小二乘方法與參數不分離的非線性最小二乘方法解算結果的一緻性，并且基于VP算法的參數分離方法具有疊代次數少、對參數初值依賴性低，以及能夠降低原問題病态程度的優點。

(2) 提出了基于奇異值分解(singular value decomposition，SVD)和基于有限差分方法的改進VP算法。該算法采用有限差分方法近似代替Jacobian矩陣的數值計算，避免了僞逆矩陣的偏導計算，解決了傳統變量投影算法計算複雜的問題，有效提高了可分離非線性最小二乘問題的計算效率；結合矩陣分解方法，将非線性函數矩陣在優化過程中進行SVD分解，簡化了目标函數的計算，保證了僞逆矩陣求解的穩定性，改進後的變量投影算法既結合了可分離非線性最小二乘的特殊結構特點，簡化了矩陣的計算，又提高了可分離非線性參數疊代過程中的計算效率和數值計算的穩定性，并通過模拟高斯函數試驗和ICESat-1星載LiDAR波形分解試驗對算法進行了驗證。

(3) 針對可分離最小二乘非線性參數的解算，提出了基于信賴域(trust-region，TR)準則的LM算法和基于參數限制的粒子群優化(particle swarm optimization，PSO)算法。基于信賴域準則的LM算法是在分析LM算法基本原理的基礎上，基于TR準則的思想對疊代過程中的阻尼參數進行調整，實作了可分離非線性參數沿有效搜尋方向快速收斂到最優解；基于參數限制的PSO算法是結合非線性參數優化的人工智能算法搜尋速度快的特點，在傳統粒子群優化算法的基礎上通過增加參數的區間限制，縮小粒子初始化的參數範圍，提高了可分離非線性參數的全局收斂性。通過三角函數模型解算的數值算例和星載LiDAR波形高斯函數非線性特征參數的估計試驗，驗證了基于TR準則的LM算法和基于參數限制的粒子群優化算法求解可分離非線性參數的可行性。

(4) 針對可分離最小二乘線性參數的解算，提出了基于U曲線的改進譜修正疊代算法。該算法針對可分離非線性函數矩陣構成的法方程矩陣病态問題，為了不改變方程的等量關系，以譜修正疊代算法為基礎，借鑒L曲線确定嶺參數的方法，采用U曲線原理确定譜修正參數，改善了非線性函數矩陣的病态程度，保證了法方程求解的穩定性，通過分數模型算例試驗和GF-7号星載LiDAR波形特征參數的估計試驗驗證了該方法處理線性參數病态情況的有效性。

(5) 拓展了可分離非線性最小二乘方法在LiDAR波形分解中的應用。LiDAR全波形分解的精度直接影響了點雲的生成和地物資訊的提取與分類，針對回波信号模型可以分解成多個高斯函數模型的結構特點，在波形分解時，首先采用VP算法将線性參數(振幅)與非線性參數(波峰位置、幅寬)分離，高斯函數分量的非線性特征參數采用基于TR準則的LM算法進行求解，線性特征參數根據非線性函數矩陣是否病态的情況采用LS算法或基于U曲線的改進譜修正疊代算法進行求解，通過拟合優度、均方根誤差和最大偏差等驗證了該方法的有效性，拓展了可分離非線性最小二乘計算方法在測繪領域的應用。

BDS-2/BDS-3衛星觀測資料聯合處理關鍵技術研究

胡超

安徽理工大學, 安徽 淮南 232001

基金項目：國家重點研發計劃（2020YFA0713502）；安徽省自然科學基金（2108085QD173）；國家自然科學基金（41874039）；安徽高校自然科學研究項目（KJ2020A0310）

作者簡介：胡超(1990—), 男, 副教授, 2020年7月畢業于中國礦業大學, 獲工學博士學位(指導教師: 楊元喜院士、王潛心教授), 研究方向為衛星大地測量。E-mail: [email protected]

胡超. BDS-2/BDS-3衛星觀測資料聯合處理關鍵技術研究[J]. 測繪學報，2024，53(2)：392-392. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220698

HU Chao. An investigation of key technologies related to combining BDS-2 and BDS-3 observations in data processing[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(2): 392-392. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220698

閱讀全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240218.htm

高品質衛星觀測資料及高精度軌道鐘差等産品作為全球導航與位置服務的核心，對整個系統的服務能力起到了至關重要作用。論文針對BDS-2/BDS-3衛星觀測資料聯合進行中空間構型、快速與高精度處理、軌道鐘差精化及觀測資料偏差等關鍵技術進行了深入探讨與系統研究。

(1) 針對分析中心快速、超快速軌道産品精度及時效性等名額和全球跟蹤站分布不均勻性的現狀，提出了一種基于定軌觀測方程精度幾何衰減因子(GDOP)的跟蹤站優選政策。以觀測方程GDOP值最小為準則，通過全球網格劃分，篩選最小跟蹤站全球位置，逐漸累加确定全球跟蹤站最優分布。試驗表明通過篩選的測站清單可獲得與所有測站整體解算軌道參數精度的90%，而時效性提高了約50%。

(2) 為進一步提高地面跟蹤站篩選效率，提出了基于全球格網放縮與遺傳算法的最優站點解算政策；定義了一種顧及軌道與ERP等參數精度的OEDOP；實作了綜合跟蹤站屬性與參數精度的多系統全球測站分布快速确定。基于設定的5%、10%、15%與20% OEDOP門檻值，在軌道與極移測定精度分别損失0.33~9.92 cm與5.77~41.53 uas的前提下，參數處理效率分别提高了1.96、3.32、5.27和6.17倍。

(3) 針對超快速軌道觀測部分後期精度降低現象，提出了一種基于定軌參數精度衰減因子(DOP)的軌道精化模型。利用赤池資訊準則建構與優選了DOP值預報模型，建立了以DOP值為自變量的軌道狀态參數修正函數，實作了超快速觀測軌道後期的精度改進；探讨了星地觀測資料弧段長度與函數模型對軌道修正效果的影響。試驗結果顯示，論文提出的軌道修正政策可實作超快速觀測軌道後3 h精度12.35%~22.02%的提升。

(4) 針對北鬥超快速預報鐘差産品精度較低問題，提出了一種組合鐘差序列頻率資料與Baarda算法的鐘差預處理政策，并基于Tikhonov正則化算法實作了鐘差序列降噪處理，分别提升了BDS-2與BDS-3鐘差預報精度1.0%~15.2%與23.2%~31.9%；提取了BDS-2/BDS-3星間相關性系數，精化了預報鐘差随機模型；并利用PLS+BPNN算法實作了模型殘差提取與預報。鐘差預報結果表明改進的模型可實作BDS-2與BDS-3衛星18 h預報精度分别30.7%~47.3%與49.9%~59.3%的提升。研究了基于鐘差限制的BDS-2/BDS-3超快速軌道定軌政策，建構了預報軌道初始狀态解算的最優觀測弧長合并方法。

(5) 研究了BDS-2/BDS-3衛星聯合精密定軌中系統偏差參數(ISB)估計、分析與模組化。提出了一種基于奇異值分解的聯合定軌系統偏差估計模型；建構了系統偏差時間序列短期預報模型，實作了超快速精密定軌中引入系統偏差限制的定軌政策，削弱了BDS-2/BDS-3星地觀測資料之間偏差。通過對ISB時間序列建立短期預報模型，并将預報值作為限制條件引入超快速定軌中，可分别改善BDS-2與BDS-3軌道18 h重疊弧段精度-0.4~1.0 cm與0.8~4.1 cm。

(6) 提出了一種基于LS+AR模型的BDS-2/BDS-3衛星聯合處理的僞距偏差與多路徑延遲一步模組化的政策；考慮BDS-2/BDS-3星間相關性與降噪算法，有效地提高了北鬥僞距偏差與多路徑延遲模組化能力。單頻PPP試驗表明，改進的政策可以分别提升B1I頻率E、N、U 3個方向定位精度2.9%~31.6%，3.3%~21.4%和0.2%~69.2%，提升B3I頻率E、N、U 3個方向2.8%~14.3%，0~20.9%和1.5%~15.3%。

巨厚弱膠結覆岩深部開采岩層運動規律及區域性控制研究

張國建1,2,3

1. 山東建築大學測繪地理資訊學院, 山東 濟南 250101;

2. 中國礦業大學環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116;

3. 山東能源集團技術研究總院, 山東 濟南 250101

基金項目：國家自然科學基金面上項目（51974292）；國家自然科學基金青年科學基金（52204097）

作者簡介：張國建(1989—), 男, 2020年6月畢業于中國礦業大學, 獲工學博士學位(指導教師: 郭廣禮教授), 研究方向為變形監測與沉陷控制。E-mail: [email protected]

張國建. 巨厚弱膠結覆岩深部開采岩層運動規律及區域性控制研究[J]. 測繪學報，2024，53(2)：393-393. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220704

ZHANG Guojian. Study on the strata movement rule and regional control of deep mining with the super-thick and weak cementation overburden[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(2): 393-393. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220704

閱讀全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240219.htm

論文以東勝煤田營盤壕煤礦為研究對象，通過試驗研究弱膠結砂岩的實體力學性能及微觀結構結構特征，對比分析東西部深部礦區岩石力學性質、覆岩結構特征和地表移動變形規律的差異，明确導緻巨厚弱膠結覆岩深部開采地表下沉偏小的影響因素。然後，利用力學分析、數值模拟和實體模拟手段研究巨厚弱膠結覆岩深部開采地表移動變形規律，上覆岩層運動與破壞特征，并提出巨厚弱膠結覆岩深部開采區域性岩層運動控制方法，具體成果如下。

(1) 東西部深部礦區煤炭開采地表移動變形規律存在明顯差異，其本質原因是巨厚弱膠結砂岩岩性偏軟弱，但岩層整體剛度較大。①白垩系志丹群砂岩雖然單軸抗壓強度在10~20 MPa之間、岩性軟弱；岩石内部空隙較大，裂隙和節理幾乎不發育；膠結物為鈣質膠結且不溶于水，膠結物力學性質與岩石顆粒相近；岩層厚度較大，褶皺、斷層不發育，使得志丹群砂岩整體剛度較大。②直羅組砂岩單軸抗壓強度在20~40 MPa之間、岩性呈中硬；岩石較為緻密，裂隙和空洞發育較少；雖然膠結物為黏土礦物，但是不易溶于水；岩層厚度較大，褶皺、斷層不發育，使得直羅組砂岩整體剛度較大。

(2) 采動空間、覆岩結構特征和水準構造應力等因素對巨厚弱膠結覆岩深部開采地表移動變形規律的影響顯著：當D1/H0≥3，D3/H0≥3時，地表達到充分采動；覆岩結構中主要制作用結構及亞關鍵層結構的相對空間距離和相對順序的變化對地表移動變形規律的影響有明顯差別，主關鍵層結構及亞關鍵層結構的相對空間距離的變化對地表下沉系數、水準移動系數和主要影響角正切影響較小，主關鍵層結構及亞關鍵層結構的相對順序的變化對地表下沉系數影響較大，對水準移動系數和主要影響角正切影響較小；營盤壕煤礦多工作面開采時，當水準構造應力達到2倍垂直應力時，地表下沉系數減小值最大達到0.49，減小幅度達到61.3%，SW值最大增加1110 m，增加幅度達到205.6%，SU值最大增加1710 m，增加幅度達到247.8%。

(3) 采用基于等比數列修正的位移視差法單目視覺近景攝影測量技術監測相似材料模型，測量精度約為0.47 mm。提出了深部開采疊合式相似材料模拟的思路及單雙目近景攝影測量聯合監測的方法，克服了正常相似材料模拟研究深部開采岩層運動問題的局限性，為研究深部開采采區多工作面采動聯合影響，甚至是多采區采動聯合影響的區域變形的動态發育過程提供了思路和技術支援。

(4) 巨厚弱膠結覆岩破壞模式呈“梁-拱殼”式破壞，破壞邊界呈拱形裂隙，随着開采範圍不斷擴大逐漸由完整“拱殼”式破壞轉變為“半拱殼”式破壞。随着單層厚度的增大，厚層弱膠結砂岩破壞模式由“拱殼”式破壞向“拱殼-梁-拱殼”式破壞轉變。巨厚弱膠結砂岩發生“拱殼-梁”式破壞前，其運動過程表現出明顯的時間相關性，之後，其運動過程時間相關性消失，表現出随采随沉的特征。由于巨厚志丹群砂岩的“拱殼-梁-拱殼”式破壞模式，巨厚弱膠結覆岩深部多工作面開采地表呈跳躍式下沉。

(5) 論文結合關鍵層理論、岩梁理論和随機媒體的顆粒體媒體理論模型，揭示了厚層弱膠結砂岩和水準構造應力影響巨厚弱膠結覆岩深部開采岩層運動規律的作用機理，為合了解釋巨厚弱膠結覆岩深部開采地表下沉明顯偏小和深部開采影響範圍較廣提供了理論依據。結合岩梁理論和壓力拱理論，分析了巨厚弱膠結覆岩破壞模式，推導了岩梁任意截面上任意點的拉應力和剪應力方程，建立了拱迹線任意截面的彎矩、剪力和軸力平衡方程。

(6) 提出了基于主關鍵層的巨厚弱膠結覆岩深部煤炭部分充填開采地表沉陷控制及能量積聚降低方法。通過研究影響基于主關鍵層的巨厚弱膠結覆岩深部煤炭部分充填開采地表沉陷控制及能量聚集降低效果的影響因素和響應規律，認為各影響因素對基于主關鍵層的部分充填開采岩層移動控制效果的影響程度從大到小依次為：垮落工作面寬度>充填率>區段煤柱寬度>充填工作面寬度；對基于主關鍵層部分充填開采能量積聚的影響程度從大到小依次為：區段煤柱寬度>充填率>垮落工作面>充填工作面寬度。通過分析基于主關鍵層的部分充填開采的充填工作面複合充填體和上覆岩層的應力分布特征，指出基于主關鍵層的部分充填開采控制機理是複合充填體與主要關鍵層結構之間的協同作用。

基于InSAR/GIS的礦區地下非法開采監測關鍵技術研究

夏元平

東華理工大學測繪工程學院, 江西 南昌 330013

基金項目：國家自然科學基金（42174055；41962018）

作者簡介：夏元平(1982—), 男, 2020年12月畢業于中國礦業大學, 獲工學博士學位(指導教師: 汪雲甲教授), 研究方向為國土環境及災害監測。E-mail: [email protected]

夏元平. 基于InSAR/GIS的礦區地下非法開采監測關鍵技術研究[J]. 測繪學報，2024，53(2)：394-394. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220707

XIA Yuanping. Research on the key technologies of InSAR/GIS monitoring for illegal underground mining in coal mining area[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(2): 394-394. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220707

閱讀全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240220.htm

地下非法開采是許多礦區存在的頑疾。由于地下非法開采事件的識别難度較大，盡管有關部門采取了一定的防範措施，但還是屢禁不止，嚴重影響礦山正常開采秩序，容易形成安全事故隐患。是以，為了實作在人無須進入井下或井下實測空間的條件下确定地下開采區域，進而進行非法采礦識别成為可能，論文從解決地表形變資訊的擷取，地表形變資訊與地下開采位置的關聯，合法與非法開采的甄别3個關鍵技術問題入手，綜合運用空間對地觀測技術、GIS、開采沉陷等技術的理論成果，解決礦區範圍内InSAR擷取地表形變資訊的問題，以煤炭地下開采引起的地表沉陷為研究對象，在揭示地表形變資訊與地下開采面的關聯機理的基礎上，建構能融合多源資料，反映多層次時空變化過程中地質空間與分布特征的GIS時空資料模型，建立地下合法開采和非法開采的甄别模型，并內建InSAR和GIS技術來實作礦區地下非法采礦的快速高效監測，主要内容如下。

(1) 總結了目前利用InSAR技術進行礦區地表形變監測的研究發展現狀，分析了InSAR形變探測的主要誤差來源及其在礦區非法開采監測中的主要影響因素。

(2) 針對礦山地下開采誘發的地質現象和動态過程，結合地下非法采礦監測的實際需求，建構了支援地質時空過程動态表達的GIS資料模型，并對礦山開采沉陷各類别的詳細結構和時空資料庫表結構進行了描述。在此基礎上，提出了內建InSAR與GIS技術進行地下非法采礦識别的方法，并搭建非法采礦識别平台體系結構，為不同類型非法采礦事件的識别和監測提供平台保障。

(3) 針對引起地表較大量級形變的地下無證開采事件，根據由地下開采引起地表沉陷區域獨特的空間、幾何、形變特征，建構了從分布範圍較大的差分幹涉圖中快速、準确圈定地表開采沉陷區的算法模型。在此基礎上，實作了從圈定的開采沉陷區中進行非法采礦事件的識别，并通過資料對比和實地調查驗證了地下非法開采的識别結果與實際情況基本一緻，具有較好的識别效果。

(4) 針對引起地表小量級形變且隐蔽在房屋下的無證開采事件，通過聯合PS-InSAR技術和高分光學遙感，提取地表建築物(居民地)對應PS點集的沉陷資訊，并對提取的建築物沉陷資訊進行形變時空特征分析，提出了一種從覆寫範圍較大的建築物沉陷資訊中快速、準确探測出疑似非法開采點的方法。利用陽泉市郊區山底村的Worldview-2與PALSAR資料進行執行個體研究，成功探測出該村發生過的非法采煤點，且探測結果與已有監測資料高度吻合，具有一定的工程适用性和實際應用價值。

(5) 結合InSAR地表形變監測技術和開采沉陷預計方法，通過開采沉陷原理建立起地表沉陷和地下開采面的時空關系模型，提出了一種面向越界開采識别的地下采空區位置反演方法。模拟資料與實測資料均表明，無論是相比于同類基于複雜非線性模型的算法，還是相比于忽略煤層傾角的算法，該方法由于不依賴複雜非線性模型，且反演出的采空區位置平均相對誤差也更小，是以具有較高的工程應用價值。

融合GNSS和RS資料的三維水汽層析方法及其應用研究

張文淵

中國礦業大學環境與測繪學院, 江蘇 徐州 221116

基金項目：國家自然科學基金（42271460；42361134583；U22A20569）；中央高校基大學研業務費專項資金（2024QN11077）

作者簡介：張文淵(1996—), 男, 2022年12月畢業于中國礦業大學, 獲工學博士學位(指導教師: 楊元喜院士, 張書畢教授), 研究方向為GNSS和RS水汽反演及應用。E-mail: [email protected]

張文淵. 融合GNSS和RS資料的三維水汽層析方法及其應用研究[J]. 測繪學報，2024，53(2)：395-395. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220710

ZHANG Wenyuan. Study on the three-dimensional water vapor tomography method combining GNSS and RS data and its applications[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(2): 395-395. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20220710

閱讀全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240221.htm

近年來，全球極端氣象事件頻發，台風、強降雨等極端天氣引發了城市内澇、山洪和地質滑坡等氣象災害，對生态環境、經濟社會及人民生命财産安全造成了嚴重影響，是以，亟需發展高精度、全方位、精細化的大氣水汽監測技術。目前，GNSS水汽層析技術作為極具潛力的高時空大氣水汽探測手段已取得了蓬勃發展。論文以三維水汽層析技術為主線，聚焦于GNSS水汽層析模型中層析觀測幾何缺陷的關鍵問題，綜合利用新一代GNSS技術和RS技術，系統建構了融合GNSS與RS資料的三維水汽層析理論與方法，提出了GNSS-RS水汽層析新技術。進一步，借助于深度學習技術初步建立了基于三維層析水汽場的降雨預報模型，有望推動GNSS/RS技術在氣象監測與預警中的拓展應用。論文從模型優化、算法改進、産品應用多角度入手，主要研究内容和成果如下。

(1) 以融合GNSS和RS水汽産品為切入點，建構了附加RS PWV限制的GNSS水汽層析優化算法，探讨了RS PWV資料融入水汽層析模型的可行性，并給出了RS PWV信号的參數化思路。基于徐州地區的試驗結果表明優化算法可适當地提高層析結果的精度，但由于RS PWV限制條件在體素基層析模型中的不足，導緻層析結果的改善效果并不顯著。

(2) 針對RS PWV限制條件無法充分發揮其觀測優勢的問題，提出了構造RS SWV觀測值的新思路，形成了近似正錐形的RS水汽信号，并發展出基于GNSS/RS SWV聯合觀測的水汽層析方法。基于空間互補的GNSS/RS聯合信号的試驗結果表明該方法可充分提升三維層析模型的觀測值數量和穿刺體素塊數量，展現出良好的三維水汽場重構能力。

(3) 充分考慮高水準分辨率RS水汽産品的特點，結合節點基層析模型的模組化優勢，給出了RS PWV/SWV的節點參數化流程，并構造了基于節點參數化的GNSS/RS聯合水汽層析算法。與基于GNSS資料的節點基層析算法相比，基于GNSS與RS PWV的節點基算法和基于GNSS與RS SWV的節點基算法均可以反演出較高精度的三維水汽層析産品。

(4) 為了解決RS水汽産品和GNSS資料之間明顯的時間分辨率差異問題，提出了一種融合GNSS與類RS虛拟信号的優化水汽層析方法。該方法參考近似正錐形RS SWV信号，創新性地構造了一種與GNSS信号具有相同時間分辨率的正錐形類RS虛拟信号。基于香港地區的密集型GNSS站網和徐州地區的稀疏型GNSS站網的層析試驗均表明所提的優化方法明顯提高了三維層析模型觀測結構的時空穩定性，達到了反演全天候、高精度三維水汽層析産品的效果。

(5) 圍繞代數重構算法在水汽層析方程組解算方面的不足，提出了一種基于動态誤差配置設定準則和高度角定權的三維水汽層析的自适應代數重構算法。基于大氣水汽的垂直不均勻分布特性，首先提出了一種顧及水汽密度變化的動态誤差配置設定準則，然後引入高度角定權模型，對觀測值進行合理化定權，基于徐州地區的試驗結果驗證了自适應算法相較于普通算法在重構三維水汽場方面的顯著優勢。

(6) 由于缺乏基于三維水汽層析産品的降雨預報工具，提出了一種基于三維層析水汽場和深度學習的短臨降雨預報方法。該方法初步探讨了垂直水汽觀測值和三維水汽密度場的變化特征與降雨演變的相關性，并分别構造了基于垂直水汽資訊的ANN降雨預報模型和基于水汽影像的CNN降雨預報模型，均取得了良好的預報效果，初步展現出三維層析水汽産品在短臨降雨預報中的應用潛力。

高精度僞衛星系統關鍵技術研究與應用

範曹明

清華大學電子工程系, 北京 100084

基金項目：國家自然科學基金（42274018）

作者簡介：範曹明(1992—), 男, 2022年12月畢業于山東大學, 獲工學博士學位(指導教師: 邢建平教授), 研究方向為高精度全球/區域定位。E-mail: [email protected]

範曹明. 高精度僞衛星系統關鍵技術研究與應用[J]. 測繪學報，2024，53(2)：396-396. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20230001

FAN Caoming. Research and application of key technologies for high accuracy pseudolite system[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(2): 396-396. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20230001

閱讀全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240222.htm

随着智能化時代的到來，人們對定位、導航和授時(positioning, navigation and timing, PNT)性能提出了越來越高的要求，例如準确性、完整性、連續性、穩健性等。雖然全球導航衛星系統(global navigation satellite system, GNSS)具備全球、全天候的PNT功能，但是GNSS信号到達地面時非常微弱，面臨着遮擋、欺騙和幹擾3大問題，無法在實體遮擋、電磁幹擾等複雜環境中正常使用。僞衛星系統(pseudolite system, PLS)可以作為GNSS失效或性能降級情況下的有效補充、備份和增強方案。是以，PLS具有非常重要的研究意義與價值。

論文在PLS獨立定位性能提升及其增強GNSS方面進行了深入研究，主要工作和貢獻如下。

(1) 提出了一種天線相位中心現場絕對标定方法。該方法利用僞衛星自身收發一體機進行接收天線和發射天線的相位中心标定。為了消除硬體延遲變化的影響，提出了一種監測硬體延遲變化的方法。利用不同站點多路徑不同的特點，在多個站點進行标定，使得多路徑誤差随機化，削弱多路徑誤差對标定結果的影響。試驗表明，該方法标定的天線相位中心精度可達毫米級，為實作PLS高精度定位及其模糊度固定奠定了堅實的基礎。

(2) 得益于天線相位中心的準确标定，使得載波相位模糊度整周性的恢複變為可能。但是PLS發射端初始相位偏差(transmitter phase bias, TPB)仍然是阻礙PLS模糊度固定的一個重要因素，論文提出了一種線上标定TPB的方法，并分析了TPB的特征。試驗表明，在系統未重新開機的情況下TPB幾乎不随時間變化。是以，PLS不需要頻繁地播發TPB。使用者接收機在獲得PLS播發的TPB後，用其修正載波相位觀測量，可實作整周模糊度固定，進而加速收斂和提高定位精度。

(3) PLS不僅可以獨立自主定位，也可以用來增強GNSS。GNSS精密單點定位(precise point positioning, PPP)收斂時間長，阻礙了GNSS PPP的廣泛應用。而僞衛星(pseudolite, PL)距離使用者較近，使用者接收機移動時可以産生快速的幾何變化，使參數之間的相關性降低，這有利于參數快速收斂。利用PLS這一優勢，論文通過單頻PLS原始觀測量與雙頻GNSS原始觀測量緊組合模型來增強GNSS PPP。試驗表明，經過PLS增強後，收斂時間從大約900 s縮短到約4 s，縮短了約99.5%。在900 s的資料時長中，使用PLS增強後，GNSS模糊度平均固定率達到約90%。此外，與單GNSS的PPP相比，PLS增強的GNSS PPP顯示出了更好的定位精度。即使在短時間增強的情況下，PLS的貢獻仍然很明顯。比如，在位置收斂後，如果PLS可以再提供約8 s的增強，GNSS PPP将可以獨立提供連續的高精度定位資訊。不過，更長的增強時間有利于提高GNSS模糊度的固定率。總而言之，使用PLS增強後，GNSS PPP定位精度，收斂速度和模糊度固定率都有顯著提升。

(4) 考慮到PLS覆寫範圍有限，即增強時間有限，在有限的增強時間内使GNSS PPP參數(尤其是GNSS模糊度參數)收斂至關重要。是以應盡可能地挖掘出PLS的潛能，以及有效地利用PLS所帶來的增益。論文分析了不同組合模型下PLS對GNSS PPP收斂的貢獻，并提出了雙濾波緊組合(dual-filter tightly coupled, DF-TC)模型，該模型可以更加安全可靠地利用PLS固定解資訊。在PL數量足夠且增強時間足夠長的情況下，不同組合模型的定位效果沒有顯著差別，但是在PL數量不足以支援PLS單獨定位時，半緊組合模型将失效。此外，在短時間增強的情況下，雙濾波緊組合模型展現出了最好的增強性能，可顯著降低GNSS所需的增強時間，這意味着PLS所需覆寫範圍可以更小，使用更加靈活友善。

長時序Sentinel-1InSAR形變監測關鍵算法研究

馬張烽

南洋理工大學新加坡地球觀測中心, 新加坡 639798

基金項目：國家自然科學基金（42274038）

作者簡介：馬張烽(1995—), 男, 2022年12月畢業于河海大學, 獲工學博士學位(指導教師: 黃騰研究員), 研究方向為影像大地測量。E-mail: [email protected]

馬張烽. 長時序Sentinel-1InSAR形變監測關鍵算法研究[J]. 測繪學報，2024，53(2)：397-397. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20230002

MA Zhangfeng. Research on key algorithms for long-time-series deformation monitoring by Sentinel-1 InSAR[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(2): 397-397. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20230002

閱讀全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240223.htm

合成孔徑雷達幹涉測量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)作為一種新興的空間大地測量技術，能夠全天候、大面積、連續、高精度、高空間分辨率地擷取地表形變資訊，與傳統大地測量相比有效地提高了觀測精度，擴大了觀測範圍，縮短了觀測周期。該技術在探索地震、火山噴發、海陸升降的成因過程與機制中有着廣闊的前景。論文以目前InSAR資料處理過程中需應對大量資料為背景，提出了基于Sentinel-1雙星的長時序InSAR處理流程，主要研究内容如下。

(1) 提出了一種Sentinel-1 TOPS (terrain observation with progressive scans)寬幅資料配準方法。該方法通過引入相位序貫估計器到配準工作流程中，解決了快速去相幹條件下的配準精度不足的難題，同時序貫配準方法支援在資料集引入新影像時無須重複處理已配準資料，并對已配準的資料進行壓縮，節省了約90%的過程檔案存儲空間。

(2) 提出了全新的Sentinel-1時序子帶重疊區域幹涉測量技術。方法通過引入重疊區域相位優化估計器提升了重疊區域的相位信噪比，并提出了顧及闆塊運動的子帶重疊區域幹涉測量軌道誤差的糾正方法，獲得了Chaman斷層毫米級的方位向時序形變，揭示Chaman斷層容納着印度-歐亞闆塊約27%的相對運動。

(3) 提出了一種面向單視InSAR資料的三維相位解纏新方法。該方法在空間維解纏中引入圖論的全對最短路徑算法(all-pair shortest path, APSP)，而非正常的Delaunay網絡，最大化了解纏網絡的時間相幹性，進而在二維空間域逼近了相位連續性假設。在一維時間域，将解纏誤差修正作為稀疏信号恢複問題，引入壓縮感覺領域的整數線性規劃方法提升了解纏誤差糾正精度。該方法較傳統解纏方法可以減少約29%的解纏誤差。

(4) 提出了一種面向多視InSAR資料的相位解纏誤差校正新方法。該方法結合去相關相位校正與整數線性規劃提升了解纏誤差校正精度，并進一步探讨了解纏誤差對走滑斷層淺層蠕滑模型的影響。利用該方法對聖安德烈斯斷層蠕滑段進行了研究，結果表明新誤差修正方法比傳統StaMPS(stanford method for persistent scatterers) 3D解纏方法精度提升了約61%。經過解纏誤差糾正後的InSAR資料推算出的蠕滑模型的不确定性比未經解纏誤差糾正模型有所降低。

(5) 通過深入歸納(1)—(4)的研究内容，論文提出了一個全新的處理架構，該架構不僅可以獲得雷達視線向形變，還可以獲得子帶重疊區域的方位向形變結果。論文在3個具有代表性地貌過程地區驗證了所提出工作流的有效性。相比正常處理流程，計算效率提高了約65%，存儲空間節省了約21.8%。

顧及權重資訊的地圖點群目标自動綜合方法

祿小敏1,2

1. 蘭州交通大學測繪與地理資訊學院, 甘肅 蘭州 730070;

2. 地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心, 甘肅 蘭州 730070

基金項目：國家自然科學基金（41930101；42161066）

作者簡介：祿小敏(1982—), 女, 2019年6月畢業于蘭州交通大學, 獲工學博士學位(指導教師: 闫浩文教授), 研究方向為地圖制圖綜合。E-mail: [email protected]

祿小敏. 顧及權重資訊的地圖點群目标自動綜合方法[J]. 測繪學報，2024，53(2)：398-398. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20230010

LU Xiaomin. Point cluster generalization approaches taking into account the weights of the points[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2024, 53(2): 398-398. DOI: 10.11947/j.AGCS.2024.20230010

：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240224.htm在小比例尺地圖上，許多地物呈點群狀分布。當地圖比例尺進一步縮小時，點狀符号之間會出現互相堆疊、覆寫等情形。為了保持地圖的清晰度、層次特征與美觀性，需要對點群進行綜合，即從原始點群中抽取出一定數量相對重要的點而删除相對次要點。點的權重反映了單個點在點群整體中的重要性程度，在點群綜合算法設計中非常關鍵。按照點群綜合過程中對權重資訊的顧及情況，可以将已有的點群綜合算法分為兩大類：第1類算法在點群綜合過程中沒有顧及其權重資訊，第2類算法在綜合過程中雖然顧及到了權重資訊，但仍然存在點群權重設定比較主觀、綜合結果缺乏現勢參考價值，以及沒有顧及道路網在點群綜合中的制約與影響作用等問題。為了彌補以上不足，論文借助相關資料擷取技術及脈沖耦合神經網絡、網絡權重Voronoi圖、Delaunay三角剖分等理論和工具，在對點群權重資訊進行科學分析與計算的基礎上，系統研究了顧及權重資訊的點群綜合方法。論文主要内容如下。(1) 為了讓權重資訊盡可能全面、真實地反映點在點群中的重要性程度，更好地指導點群綜合，算法結合點群屬性特征，研究了不同類型點的權重影響因子并在此基礎上計算了點群權重。(2) 根據點群影響範圍與影響人群數量計算權重，在此基礎上實作點群綜合。對于語義資訊比較豐富的地理空間設施點，利用相關資料擷取與處理技術實作了點群影響範圍與影響人群的計算與表達，提出了一種顧及實際影響範圍和影響人群的高現勢性點群綜合算法。(3) 将與點群相關聯的道路網的限制作用引入到影響範圍建構過程，利用網絡權重Voronoi圖計算點群權重并實作點群綜合。對于影響範圍無法确定的設施點群，引入道路網限制條件，提出了一種基于脈沖耦合神經網絡的網絡權重Voronoi圖建構方法，并以此為基礎實作了顧及道路網限制的點群綜合算法。基于脈沖耦合神經網絡的并發性及自動波發放原理，在改進脈沖耦合神經網絡的基礎上實作了網絡權重Voronoi圖的建構，為進一步的點群綜合及空間分析與優化等領域研究提供了技術參考；以網絡權重Voronoi圖為基礎，利用帶限制的Delaunay三角剖分及動态門檻值剝皮法實作了點群網絡Voronoi多邊形的建構。将網絡Voronoi多邊形面積及多邊形内部道路段總長度作為點群權重的衡量依據，實作了顧及點群等級、道路屬性及道路網對點群限制作用的綜合算法。(4) 對于不具備或無法确定其重要性程度區分的點群(如樹木、電線杆及控制點等)，算法選擇最大限度地保持其幾何結構及拓撲特征。利用Delaunay三角剖分、動态門檻值剝皮法實作點群外部輪廓點的提取，在此基礎上利用Douglas-Peucker算法及外部輪廓限制下的内部點Voronoi圖分别實作了外部輪廓點及内部點的取舍，在繼承已有算法對點群外部輪廓及内部密度保持方面優勢的同時，解決了将輪廓點與内部點獨立化簡而導緻的拓撲資訊顧及不足的問題。最後，對提出的點群綜合方法的适用性及有效性分别進行了試驗。分析表明，論文方法在盡可能地顧及點群權重資訊的基礎上，有效地傳輸了原始點群各類資訊，彌補了已有算法存在的各種不足，較好地解決了地理空間中各種類型點群的綜合問題。

初審：張 琳複審：宋啟凡

終審：金 君

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