博士论文成果展示 |《测绘学报》2024年53卷第2期

本文内容来源于《测绘学报》2024年第2期（审图号GS京(2024)0297号）

可分离非线性最小二乘计算方法及其在LiDAR波形分解中的应用研究

王珂

山东理工大学建筑工程学院, 山东 淄博 255000

基金项目：国家自然科学基金（42074009）；山东省自然科学基金（ZR2020MD043）

作者简介：王珂(1990—), 女, 2021年6月毕业于山东科技大学, 获工学博士学位(指导教师: 刘国林教授), 研究方向为现代测量数据处理理论及应用。E-mail: [email protected]

王珂. 可分离非线性最小二乘计算方法及其在LiDAR波形分解中的应用研究[J]. 测绘学报，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

阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240217.htm

非线性最小二乘作为最基本的非线性优化方法，广泛应用于测绘领域中非线性函数模型的参数估计。LiDAR全波形回波信号的高斯特征参数的求解通常并未考虑模型可以分解成多个高斯函数的结构特点，而将所有的待求参数看作非线性参数，用泰勒级数展开公式对非线性模型线性化，进而利用LM(Levenberg-Marquardt)算法进行求解，对待求参数初值要求较高。根据实际问题的来源，函数模型若可以表示成非线性函数的线性组合形式，则称为可分离非线性最小二乘(separable non-linear least squares，SNLLS)问题，求解此类问题最常用的方法是变量投影(variable projection，VP)算法，但基于传统VP算法的可分离非线性最小二乘目标函数中变量投影算子导数计算的复杂性又会降低可分离非线性最小二乘问题求解的效率，非线性函数矩阵的病态性也会导致参数求解结果不准确。因此，论文在分析VP算法原理的基础上，对传统VP算法的目标函数计算方法进行改进，结合非线性参数优化方法，对参数分离后的线性参数和非线性参数估计方法进行深入研究，并围绕LiDAR波形分解中高斯函数分量特征参数的求解问题，对可分离非线性最小二乘计算方法进行应用和验证。论文的主要研究内容包括以下几个方面。

(1) 系统分析了可分离非线性最小二乘问题的参数分离与参数不分离的解算方法。围绕可分离非线性最小二乘问题的特殊结构形式，结合非线性模型和参数平差问题，在分析VP算法原理的基础上，推导了目标函数变量投影算子的导数计算公式。通过理论分析和机载LiDAR波形分解的试验证明了基于VP算法可分离非线性最小二乘方法与参数不分离的非线性最小二乘方法解算结果的一致性，并且基于VP算法的参数分离方法具有迭代次数少、对参数初值依赖性低，以及能够降低原问题病态程度的优点。

(2) 提出了基于奇异值分解(singular value decomposition，SVD)和基于有限差分方法的改进VP算法。该算法采用有限差分方法近似代替Jacobian矩阵的数值计算，避免了伪逆矩阵的偏导计算，解决了传统变量投影算法计算复杂的问题，有效提高了可分离非线性最小二乘问题的计算效率；结合矩阵分解方法，将非线性函数矩阵在优化过程中进行SVD分解，简化了目标函数的计算，保证了伪逆矩阵求解的稳定性，改进后的变量投影算法既结合了可分离非线性最小二乘的特殊结构特点，简化了矩阵的计算，又提高了可分离非线性参数迭代过程中的计算效率和数值计算的稳定性，并通过模拟高斯函数试验和ICESat-1星载LiDAR波形分解试验对算法进行了验证。

(3) 针对可分离最小二乘非线性参数的解算，提出了基于信赖域(trust-region，TR)准则的LM算法和基于参数约束的粒子群优化(particle swarm optimization，PSO)算法。基于信赖域准则的LM算法是在分析LM算法基本原理的基础上，基于TR准则的思想对迭代过程中的阻尼参数进行调整，实现了可分离非线性参数沿有效搜索方向快速收敛到最优解；基于参数约束的PSO算法是结合非线性参数优化的人工智能算法搜索速度快的特点，在传统粒子群优化算法的基础上通过增加参数的区间约束，缩小粒子初始化的参数范围，提高了可分离非线性参数的全局收敛性。通过三角函数模型解算的数值算例和星载LiDAR波形高斯函数非线性特征参数的估计试验，验证了基于TR准则的LM算法和基于参数约束的粒子群优化算法求解可分离非线性参数的可行性。

(4) 针对可分离最小二乘线性参数的解算，提出了基于U曲线的改进谱修正迭代算法。该算法针对可分离非线性函数矩阵构成的法方程矩阵病态问题，为了不改变方程的等量关系，以谱修正迭代算法为基础，借鉴L曲线确定岭参数的方法，采用U曲线原理确定谱修正参数，改善了非线性函数矩阵的病态程度，保证了法方程求解的稳定性，通过分数模型算例试验和GF-7号星载LiDAR波形特征参数的估计试验验证了该方法处理线性参数病态情况的有效性。

(5) 拓展了可分离非线性最小二乘方法在LiDAR波形分解中的应用。LiDAR全波形分解的精度直接影响了点云的生成和地物信息的提取与分类，针对回波信号模型可以分解成多个高斯函数模型的结构特点，在波形分解时，首先采用VP算法将线性参数(振幅)与非线性参数(波峰位置、幅宽)分离，高斯函数分量的非线性特征参数采用基于TR准则的LM算法进行求解，线性特征参数根据非线性函数矩阵是否病态的情况采用LS算法或基于U曲线的改进谱修正迭代算法进行求解，通过拟合优度、均方根误差和最大偏差等验证了该方法的有效性，拓展了可分离非线性最小二乘计算方法在测绘领域的应用。

BDS-2/BDS-3卫星观测数据联合处理关键技术研究

胡超

安徽理工大学, 安徽 淮南 232001

基金项目：国家重点研发计划（2020YFA0713502）；安徽省自然科学基金（2108085QD173）；国家自然科学基金（41874039）；安徽高校自然科学研究项目（KJ2020A0310）

作者简介：胡超(1990—), 男, 副教授, 2020年7月毕业于中国矿业大学, 获工学博士学位(指导教师: 杨元喜院士、王潜心教授), 研究方向为卫星大地测量。E-mail: [email protected]

胡超. BDS-2/BDS-3卫星观测数据联合处理关键技术研究[J]. 测绘学报，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

阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240218.htm

高质量卫星观测数据及高精度轨道钟差等产品作为全球导航与位置服务的核心，对整个系统的服务能力起到了至关重要作用。论文针对BDS-2/BDS-3卫星观测数据联合处理中空间构型、快速与高精度处理、轨道钟差精化及观测数据偏差等关键技术进行了深入探讨与系统研究。

(1) 针对分析中心快速、超快速轨道产品精度及时效性等指标和全球跟踪站分布不均匀性的现状，提出了一种基于定轨观测方程精度几何衰减因子(GDOP)的跟踪站优选策略。以观测方程GDOP值最小为准则，通过全球网格划分，筛选最小跟踪站全球位置，逐步累加确定全球跟踪站最优分布。试验表明通过筛选的测站列表可获得与所有测站整体解算轨道参数精度的90%，而时效性提高了约50%。

(2) 为进一步提高地面跟踪站筛选效率，提出了基于全球格网放缩与遗传算法的最优站点解算策略；定义了一种顾及轨道与ERP等参数精度的OEDOP；实现了综合跟踪站属性与参数精度的多系统全球测站分布快速确定。基于设置的5%、10%、15%与20% OEDOP阈值，在轨道与极移测定精度分别损失0.33~9.92 cm与5.77~41.53 uas的前提下，参数处理效率分别提高了1.96、3.32、5.27和6.17倍。

(3) 针对超快速轨道观测部分后期精度降低现象，提出了一种基于定轨参数精度衰减因子(DOP)的轨道精化模型。利用赤池信息准则构建与优选了DOP值预报模型，建立了以DOP值为自变量的轨道状态参数修正函数，实现了超快速观测轨道后期的精度改进；探讨了星地观测数据弧段长度与函数模型对轨道修正效果的影响。试验结果显示，论文提出的轨道修正策略可实现超快速观测轨道后3 h精度12.35%~22.02%的提升。

(4) 针对北斗超快速预报钟差产品精度较低问题，提出了一种组合钟差序列频率数据与Baarda算法的钟差预处理策略，并基于Tikhonov正则化算法实现了钟差序列降噪处理，分别提升了BDS-2与BDS-3钟差预报精度1.0%~15.2%与23.2%~31.9%；提取了BDS-2/BDS-3星间相关性系数，精化了预报钟差随机模型；并利用PLS+BPNN算法实现了模型残差提取与预报。钟差预报结果表明改进的模型可实现BDS-2与BDS-3卫星18 h预报精度分别30.7%~47.3%与49.9%~59.3%的提升。研究了基于钟差约束的BDS-2/BDS-3超快速轨道定轨策略，构建了预报轨道初始状态解算的最优观测弧长合并方法。

(5) 研究了BDS-2/BDS-3卫星联合精密定轨中系统偏差参数(ISB)估计、分析与建模。提出了一种基于奇异值分解的联合定轨系统偏差估计模型；构建了系统偏差时间序列短期预报模型，实现了超快速精密定轨中引入系统偏差约束的定轨策略，削弱了BDS-2/BDS-3星地观测数据之间偏差。通过对ISB时间序列建立短期预报模型，并将预报值作为约束条件引入超快速定轨中，可分别改善BDS-2与BDS-3轨道18 h重叠弧段精度-0.4~1.0 cm与0.8~4.1 cm。

(6) 提出了一种基于LS+AR模型的BDS-2/BDS-3卫星联合处理的伪距偏差与多路径延迟一步建模的策略；考虑BDS-2/BDS-3星间相关性与降噪算法，有效地提高了北斗伪距偏差与多路径延迟建模能力。单频PPP试验表明，改进的策略可以分别提升B1I频率E、N、U 3个方向定位精度2.9%~31.6%，3.3%~21.4%和0.2%~69.2%，提升B3I频率E、N、U 3个方向2.8%~14.3%，0~20.9%和1.5%~15.3%。

巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律及区域性控制研究

张国建1,2,3

1. 山东建筑大学测绘地理信息学院, 山东 济南 250101;

2. 中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116;

3. 山东能源集团技术研究总院, 山东 济南 250101

基金项目：国家自然科学基金面上项目（51974292）；国家自然科学基金青年科学基金（52204097）

作者简介：张国建(1989—), 男, 2020年6月毕业于中国矿业大学, 获工学博士学位(指导教师: 郭广礼教授), 研究方向为变形监测与沉陷控制。E-mail: [email protected]

张国建. 巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律及区域性控制研究[J]. 测绘学报，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

阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240219.htm

论文以东胜煤田营盘壕煤矿为研究对象，通过试验研究弱胶结砂岩的物理力学性能及微观结构结构特征，对比分析东西部深部矿区岩石力学性质、覆岩结构特征和地表移动变形规律的差异，明确导致巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉偏小的影响因素。然后，利用力学分析、数值模拟和物理模拟手段研究巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律，上覆岩层运动与破坏特征，并提出巨厚弱胶结覆岩深部开采区域性岩层运动控制方法，具体成果如下。

(1) 东西部深部矿区煤炭开采地表移动变形规律存在明显差异，其本质原因是巨厚弱胶结砂岩岩性偏软弱，但岩层整体刚度较大。①白垩系志丹群砂岩虽然单轴抗压强度在10~20 MPa之间、岩性软弱；岩石内部空隙较大，裂隙和节理几乎不发育；胶结物为钙质胶结且不溶于水，胶结物力学性质与岩石颗粒相近；岩层厚度较大，褶皱、断层不发育，使得志丹群砂岩整体刚度较大。②直罗组砂岩单轴抗压强度在20~40 MPa之间、岩性呈中硬；岩石较为致密，裂隙和空洞发育较少；虽然胶结物为黏土矿物，但是不易溶于水；岩层厚度较大，褶皱、断层不发育，使得直罗组砂岩整体刚度较大。

(2) 采动空间、覆岩结构特征和水平构造应力等因素对巨厚弱胶结覆岩深部开采地表移动变形规律的影响显著：当D1/H0≥3，D3/H0≥3时，地表达到充分采动；覆岩结构中主控制作用结构及亚关键层结构的相对空间距离和相对顺序的变化对地表移动变形规律的影响有明显区别，主关键层结构及亚关键层结构的相对空间距离的变化对地表下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切影响较小，主关键层结构及亚关键层结构的相对顺序的变化对地表下沉系数影响较大，对水平移动系数和主要影响角正切影响较小；营盘壕煤矿多工作面开采时，当水平构造应力达到2倍垂直应力时，地表下沉系数减小值最大达到0.49，减小幅度达到61.3%，SW值最大增加1110 m，增加幅度达到205.6%，SU值最大增加1710 m，增加幅度达到247.8%。

(3) 采用基于等比数列修正的位移视差法单目视觉近景摄影测量技术监测相似材料模型，测量精度约为0.47 mm。提出了深部开采叠合式相似材料模拟的思路及单双目近景摄影测量联合监测的方法，克服了常规相似材料模拟研究深部开采岩层运动问题的局限性，为研究深部开采采区多工作面采动联合影响，甚至是多采区采动联合影响的区域变形的动态发育过程提供了思路和技术支持。

(4) 巨厚弱胶结覆岩破坏模式呈“梁-拱壳”式破坏，破坏边界呈拱形裂隙，随着开采范围不断扩大逐渐由完整“拱壳”式破坏转变为“半拱壳”式破坏。随着单层厚度的增大，厚层弱胶结砂岩破坏模式由“拱壳”式破坏向“拱壳-梁-拱壳”式破坏转变。巨厚弱胶结砂岩发生“拱壳-梁”式破坏前，其运动过程表现出明显的时间相关性，之后，其运动过程时间相关性消失，表现出随采随沉的特征。由于巨厚志丹群砂岩的“拱壳-梁-拱壳”式破坏模式，巨厚弱胶结覆岩深部多工作面开采地表呈跳跃式下沉。

(5) 论文结合关键层理论、岩梁理论和随机介质的颗粒体介质理论模型，揭示了厚层弱胶结砂岩和水平构造应力影响巨厚弱胶结覆岩深部开采岩层运动规律的作用机理，为合理解释巨厚弱胶结覆岩深部开采地表下沉明显偏小和深部开采影响范围较广提供了理论依据。结合岩梁理论和压力拱理论，分析了巨厚弱胶结覆岩破坏模式，推导了岩梁任意截面上任意点的拉应力和剪应力方程，建立了拱迹线任意截面的弯矩、剪力和轴力平衡方程。

(6) 提出了基于主关键层的巨厚弱胶结覆岩深部煤炭部分充填开采地表沉陷控制及能量积聚降低方法。通过研究影响基于主关键层的巨厚弱胶结覆岩深部煤炭部分充填开采地表沉陷控制及能量聚集降低效果的影响因素和响应规律，认为各影响因素对基于主关键层的部分充填开采岩层移动控制效果的影响程度从大到小依次为：垮落工作面宽度>充填率>区段煤柱宽度>充填工作面宽度；对基于主关键层部分充填开采能量积聚的影响程度从大到小依次为：区段煤柱宽度>充填率>垮落工作面>充填工作面宽度。通过分析基于主关键层的部分充填开采的充填工作面复合充填体和上覆岩层的应力分布特征，指出基于主关键层的部分充填开采控制机理是复合充填体与主要关键层结构之间的协同作用。

基于InSAR/GIS的矿区地下非法开采监测关键技术研究

夏元平

东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013

基金项目：国家自然科学基金（42174055；41962018）

作者简介：夏元平(1982—), 男, 2020年12月毕业于中国矿业大学, 获工学博士学位(指导教师: 汪云甲教授), 研究方向为国土环境及灾害监测。E-mail: [email protected]

夏元平. 基于InSAR/GIS的矿区地下非法开采监测关键技术研究[J]. 测绘学报，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

阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240220.htm

地下非法开采是许多矿区存在的顽疾。由于地下非法开采事件的识别难度较大，尽管有关部门采取了一定的防范措施，但还是屡禁不止，严重影响矿山正常开采秩序，容易形成安全事故隐患。因此，为了实现在人无须进入井下或井下实测空间的条件下确定地下开采区域，进而进行非法采矿识别成为可能，论文从解决地表形变信息的获取，地表形变信息与地下开采位置的关联，合法与非法开采的甄别3个关键技术问题入手，综合运用空间对地观测技术、GIS、开采沉陷等技术的理论成果，解决矿区范围内InSAR获取地表形变信息的问题，以煤炭地下开采引起的地表沉陷为研究对象，在揭示地表形变信息与地下开采面的关联机理的基础上，构建能融合多源数据，反映多层次时空变化过程中地质空间与分布特征的GIS时空数据模型，建立地下合法开采和非法开采的甄别模型，并集成InSAR和GIS技术来实现矿区地下非法采矿的快速高效监测，主要内容如下。

(1) 总结了当前利用InSAR技术进行矿区地表形变监测的研究发展现状，分析了InSAR形变探测的主要误差来源及其在矿区非法开采监测中的主要影响因素。

(2) 针对矿山地下开采诱发的地质现象和动态过程，结合地下非法采矿监测的实际需求，构建了支持地质时空过程动态表达的GIS数据模型，并对矿山开采沉陷各类别的详细结构和时空数据库表结构进行了描述。在此基础上，提出了集成InSAR与GIS技术进行地下非法采矿识别的方法，并搭建非法采矿识别平台体系结构，为不同类型非法采矿事件的识别和监测提供平台保障。

(3) 针对引起地表较大量级形变的地下无证开采事件，根据由地下开采引起地表沉陷区域独特的空间、几何、形变特征，构建了从分布范围较大的差分干涉图中快速、准确圈定地表开采沉陷区的算法模型。在此基础上，实现了从圈定的开采沉陷区中进行非法采矿事件的识别，并通过资料对比和实地调查验证了地下非法开采的识别结果与实际情况基本一致，具有较好的识别效果。

(4) 针对引起地表小量级形变且隐蔽在房屋下的无证开采事件，通过联合PS-InSAR技术和高分光学遥感，提取地表建筑物(居民地)对应PS点集的沉陷信息，并对提取的建筑物沉陷信息进行形变时空特征分析，提出了一种从覆盖范围较大的建筑物沉陷信息中快速、准确探测出疑似非法开采点的方法。利用阳泉市郊区山底村的Worldview-2与PALSAR数据进行实例研究，成功探测出该村发生过的非法采煤点，且探测结果与已有监测资料高度吻合，具有一定的工程适用性和实际应用价值。

(5) 结合InSAR地表形变监测技术和开采沉陷预计方法，通过开采沉陷原理建立起地表沉陷和地下开采面的时空关系模型，提出了一种面向越界开采识别的地下采空区位置反演方法。模拟数据与实测数据均表明，无论是相比于同类基于复杂非线性模型的算法，还是相比于忽略煤层倾角的算法，该方法由于不依赖复杂非线性模型，且反演出的采空区位置平均相对误差也更小，因此具有较高的工程应用价值。

融合GNSS和RS数据的三维水汽层析方法及其应用研究

张文渊

中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116

基金项目：国家自然科学基金（42271460；42361134583；U22A20569）；中央高校基本科研业务费专项资金（2024QN11077）

作者简介：张文渊(1996—), 男, 2022年12月毕业于中国矿业大学, 获工学博士学位(指导教师: 杨元喜院士, 张书毕教授), 研究方向为GNSS和RS水汽反演及应用。E-mail: [email protected]

张文渊. 融合GNSS和RS数据的三维水汽层析方法及其应用研究[J]. 测绘学报，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

阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240221.htm

近年来，全球极端气象事件频发，台风、强降雨等极端天气引发了城市内涝、山洪和地质滑坡等气象灾害，对生态环境、经济社会及人民生命财产安全造成了严重影响，因此，亟需发展高精度、全方位、精细化的大气水汽监测技术。目前，GNSS水汽层析技术作为极具潜力的高时空大气水汽探测手段已取得了蓬勃发展。论文以三维水汽层析技术为主线，聚焦于GNSS水汽层析模型中层析观测几何缺陷的关键问题，综合利用新一代GNSS技术和RS技术，系统构建了融合GNSS与RS数据的三维水汽层析理论与方法，提出了GNSS-RS水汽层析新技术。进一步，借助于深度学习技术初步建立了基于三维层析水汽场的降雨预报模型，有望推动GNSS/RS技术在气象监测与预警中的拓展应用。论文从模型优化、算法改进、产品应用多角度入手，主要研究内容和成果如下。

(1) 以融合GNSS和RS水汽产品为切入点，构建了附加RS PWV约束的GNSS水汽层析优化算法，探讨了RS PWV数据融入水汽层析模型的可行性，并给出了RS PWV信号的参数化思路。基于徐州地区的试验结果表明优化算法可适当地提高层析结果的精度，但由于RS PWV约束条件在体素基层析模型中的不足，导致层析结果的改善效果并不显著。

(2) 针对RS PWV约束条件无法充分发挥其观测优势的问题，提出了构造RS SWV观测值的新思路，形成了近似正锥形的RS水汽信号，并发展出基于GNSS/RS SWV联合观测的水汽层析方法。基于空间互补的GNSS/RS联合信号的试验结果表明该方法可充分提升三维层析模型的观测值数量和穿刺体素块数量，展现出良好的三维水汽场重构能力。

(3) 充分考虑高水平分辨率RS水汽产品的特点，结合节点基层析模型的建模优势，给出了RS PWV/SWV的节点参数化流程，并构造了基于节点参数化的GNSS/RS联合水汽层析算法。与基于GNSS数据的节点基层析算法相比，基于GNSS与RS PWV的节点基算法和基于GNSS与RS SWV的节点基算法均可以反演出较高精度的三维水汽层析产品。

(4) 为了解决RS水汽产品和GNSS数据之间明显的时间分辨率差异问题，提出了一种融合GNSS与类RS虚拟信号的优化水汽层析方法。该方法参考近似正锥形RS SWV信号，创新性地构造了一种与GNSS信号具有相同时间分辨率的正锥形类RS虚拟信号。基于香港地区的密集型GNSS站网和徐州地区的稀疏型GNSS站网的层析试验均表明所提的优化方法明显提高了三维层析模型观测结构的时空稳定性，达到了反演全天候、高精度三维水汽层析产品的效果。

(5) 围绕代数重构算法在水汽层析方程组解算方面的不足，提出了一种基于动态误差分配准则和高度角定权的三维水汽层析的自适应代数重构算法。基于大气水汽的垂直不均匀分布特性，首先提出了一种顾及水汽密度变化的动态误差分配准则，然后引入高度角定权模型，对观测值进行合理化定权，基于徐州地区的试验结果验证了自适应算法相较于普通算法在重构三维水汽场方面的显著优势。

(6) 由于缺乏基于三维水汽层析产品的降雨预报工具，提出了一种基于三维层析水汽场和深度学习的短临降雨预报方法。该方法初步探讨了垂直水汽观测值和三维水汽密度场的变化特征与降雨演变的相关性，并分别构造了基于垂直水汽信息的ANN降雨预报模型和基于水汽影像的CNN降雨预报模型，均取得了良好的预报效果，初步展现出三维层析水汽产品在短临降雨预报中的应用潜力。

高精度伪卫星系统关键技术研究与应用

范曹明

清华大学电子工程系, 北京 100084

基金项目：国家自然科学基金（42274018）

作者简介：范曹明(1992—), 男, 2022年12月毕业于山东大学, 获工学博士学位(指导教师: 邢建平教授), 研究方向为高精度全球/区域定位。E-mail: [email protected]

范曹明. 高精度伪卫星系统关键技术研究与应用[J]. 测绘学报，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

阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240222.htm

随着智能化时代的到来，人们对定位、导航和授时(positioning, navigation and timing, PNT)性能提出了越来越高的要求，例如准确性、完整性、连续性、稳健性等。虽然全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)具备全球、全天候的PNT功能，但是GNSS信号到达地面时非常微弱，面临着遮挡、欺骗和干扰3大问题，无法在物理遮挡、电磁干扰等复杂环境中正常使用。伪卫星系统(pseudolite system, PLS)可以作为GNSS失效或性能降级情况下的有效补充、备份和增强方案。因此，PLS具有非常重要的研究意义与价值。

论文在PLS独立定位性能提升及其增强GNSS方面进行了深入研究，主要工作和贡献如下。

(1) 提出了一种天线相位中心现场绝对标定方法。该方法利用伪卫星自身收发一体机进行接收天线和发射天线的相位中心标定。为了消除硬件延迟变化的影响，提出了一种监测硬件延迟变化的方法。利用不同站点多路径不同的特点，在多个站点进行标定，使得多路径误差随机化，削弱多路径误差对标定结果的影响。试验表明，该方法标定的天线相位中心精度可达毫米级，为实现PLS高精度定位及其模糊度固定奠定了坚实的基础。

(2) 得益于天线相位中心的准确标定，使得载波相位模糊度整周性的恢复变为可能。但是PLS发射端初始相位偏差(transmitter phase bias, TPB)仍然是阻碍PLS模糊度固定的一个重要因素，论文提出了一种在线标定TPB的方法，并分析了TPB的特征。试验表明，在系统未重启的情况下TPB几乎不随时间变化。因此，PLS不需要频繁地播发TPB。用户接收机在获得PLS播发的TPB后，用其修正载波相位观测量，可实现整周模糊度固定，从而加速收敛和提高定位精度。

(3) PLS不仅可以独立自主定位，也可以用来增强GNSS。GNSS精密单点定位(precise point positioning, PPP)收敛时间长，阻碍了GNSS PPP的广泛应用。而伪卫星(pseudolite, PL)距离用户较近，用户接收机移动时可以产生快速的几何变化，使参数之间的相关性降低，这有利于参数快速收敛。利用PLS这一优势，论文通过单频PLS原始观测量与双频GNSS原始观测量紧组合模型来增强GNSS PPP。试验表明，经过PLS增强后，收敛时间从大约900 s缩短到约4 s，缩短了约99.5%。在900 s的数据时长中，使用PLS增强后，GNSS模糊度平均固定率达到约90%。此外，与单GNSS的PPP相比，PLS增强的GNSS PPP显示出了更好的定位精度。即使在短时间增强的情况下，PLS的贡献仍然很明显。比如，在位置收敛后，如果PLS可以再提供约8 s的增强，GNSS PPP将可以独立提供连续的高精度定位信息。不过，更长的增强时间有利于提高GNSS模糊度的固定率。总而言之，使用PLS增强后，GNSS PPP定位精度，收敛速度和模糊度固定率都有显著提升。

(4) 考虑到PLS覆盖范围有限，即增强时间有限，在有限的增强时间内使GNSS PPP参数(尤其是GNSS模糊度参数)收敛至关重要。所以应尽可能地挖掘出PLS的潜能，以及有效地利用PLS所带来的增益。论文分析了不同组合模型下PLS对GNSS PPP收敛的贡献，并提出了双滤波紧组合(dual-filter tightly coupled, DF-TC)模型，该模型可以更加安全可靠地利用PLS固定解信息。在PL数量足够且增强时间足够长的情况下，不同组合模型的定位效果没有显著区别，但是在PL数量不足以支持PLS单独定位时，半紧组合模型将失效。此外，在短时间增强的情况下，双滤波紧组合模型展现出了最好的增强性能，可显著降低GNSS所需的增强时间，这意味着PLS所需覆盖范围可以更小，使用更加灵活方便。

长时序Sentinel-1InSAR形变监测关键算法研究

马张烽

南洋理工大学新加坡地球观测中心, 新加坡 639798

基金项目：国家自然科学基金（42274038）

作者简介：马张烽(1995—), 男, 2022年12月毕业于河海大学, 获工学博士学位(指导教师: 黄腾研究员), 研究方向为影像大地测量。E-mail: [email protected]

马张烽. 长时序Sentinel-1InSAR形变监测关键算法研究[J]. 测绘学报，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

阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2024/1001-1595/20240223.htm

合成孔径雷达干涉测量(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)作为一种新兴的空间大地测量技术，能够全天候、大面积、连续、高精度、高空间分辨率地获取地表形变信息，与传统大地测量相比有效地提高了观测精度，扩大了观测范围，缩短了观测周期。该技术在探索地震、火山喷发、海陆升降的成因过程与机制中有着广阔的前景。论文以当前InSAR数据处理过程中需应对大量数据为背景，提出了基于Sentinel-1双星的长时序InSAR处理流程，主要研究内容如下。

(1) 提出了一种Sentinel-1 TOPS (terrain observation with progressive scans)宽幅数据配准方法。该方法通过引入相位序贯估计器到配准工作流程中，解决了快速去相干条件下的配准精度不足的难题，同时序贯配准方法支持在数据集引入新影像时无须重复处理已配准数据，并对已配准的数据进行压缩，节省了约90%的过程文件存储空间。

(2) 提出了全新的Sentinel-1时序子带重叠区域干涉测量技术。方法通过引入重叠区域相位优化估计器提升了重叠区域的相位信噪比，并提出了顾及板块运动的子带重叠区域干涉测量轨道误差的纠正方法，获得了Chaman断层毫米级的方位向时序形变，揭示Chaman断层容纳着印度-欧亚板块约27%的相对运动。

(3) 提出了一种面向单视InSAR数据的三维相位解缠新方法。该方法在空间维解缠中引入图论的全对最短路径算法(all-pair shortest path, APSP)，而非常规的Delaunay网络，最大化了解缠网络的时间相干性，从而在二维空间域逼近了相位连续性假设。在一维时间域，将解缠误差修正作为稀疏信号恢复问题，引入压缩感知领域的整数线性规划方法提升了解缠误差纠正精度。该方法较传统解缠方法可以减少约29%的解缠误差。

(4) 提出了一种面向多视InSAR数据的相位解缠误差校正新方法。该方法结合去相关相位校正与整数线性规划提升了解缠误差校正精度，并进一步探讨了解缠误差对走滑断层浅层蠕滑模型的影响。利用该方法对圣安德烈斯断层蠕滑段进行了研究，结果表明新误差修正方法比传统StaMPS(stanford method for persistent scatterers) 3D解缠方法精度提升了约61%。经过解缠误差纠正后的InSAR数据推算出的蠕滑模型的不确定性比未经解缠误差纠正模型有所降低。

(5) 通过深入归纳(1)—(4)的研究内容，论文提出了一个全新的处理框架，该框架不仅可以获得雷达视线向形变，还可以获得子带重叠区域的方位向形变结果。论文在3个具有代表性地貌过程地区验证了所提出工作流的有效性。相比常规处理流程，计算效率提高了约65%，存储空间节省了约21.8%。

顾及权重信息的地图点群目标自动综合方法

禄小敏1,2

1. 兰州交通大学测绘与地理信息学院, 甘肃 兰州 730070;

2. 地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心, 甘肃 兰州 730070

基金项目：国家自然科学基金（41930101；42161066）

作者简介：禄小敏(1982—), 女, 2019年6月毕业于兰州交通大学, 获工学博士学位(指导教师: 闫浩文教授), 研究方向为地图制图综合。E-mail: [email protected]

禄小敏. 顾及权重信息的地图点群目标自动综合方法[J]. 测绘学报，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在小比例尺地图上，许多地物呈点群状分布。当地图比例尺进一步缩小时，点状符号之间会出现相互堆叠、覆盖等情形。为了保持地图的清晰度、层次特征与美观性，需要对点群进行综合，即从原始点群中抽取出一定数量相对重要的点而删除相对次要点。点的权重反映了单个点在点群整体中的重要性程度，在点群综合算法设计中非常关键。按照点群综合过程中对权重信息的顾及情况，可以将已有的点群综合算法分为两大类：第1类算法在点群综合过程中没有顾及其权重信息，第2类算法在综合过程中虽然顾及到了权重信息，但仍然存在点群权重设定比较主观、综合结果缺乏现势参考价值，以及没有顾及道路网在点群综合中的制约与影响作用等问题。为了弥补以上不足，论文借助相关数据获取技术及脉冲耦合神经网络、网络加权Voronoi图、Delaunay三角剖分等理论和工具，在对点群权重信息进行科学分析与计算的基础上，系统研究了顾及权重信息的点群综合方法。论文主要内容如下。(1) 为了让权重信息尽可能全面、真实地反映点在点群中的重要性程度，更好地指导点群综合，算法结合点群属性特征，研究了不同类型点的权重影响因子并在此基础上计算了点群权重。(2) 根据点群影响范围与影响人群数量计算权重，在此基础上实现点群综合。对于语义信息比较丰富的地理空间设施点，利用相关数据获取与处理技术实现了点群影响范围与影响人群的计算与表达，提出了一种顾及实际影响范围和影响人群的高现势性点群综合算法。(3) 将与点群相关联的道路网的约束作用引入到影响范围构建过程，利用网络加权Voronoi图计算点群权重并实现点群综合。对于影响范围无法确定的设施点群，引入道路网约束条件，提出了一种基于脉冲耦合神经网络的网络加权Voronoi图构建方法，并以此为基础实现了顾及道路网约束的点群综合算法。基于脉冲耦合神经网络的并发性及自动波发放原理，在改进脉冲耦合神经网络的基础上实现了网络加权Voronoi图的构建，为进一步的点群综合及空间分析与优化等领域研究提供了技术参考；以网络加权Voronoi图为基础，利用带约束的Delaunay三角剖分及动态阈值剥皮法实现了点群网络Voronoi多边形的构建。将网络Voronoi多边形面积及多边形内部道路段总长度作为点群权重的衡量依据，实现了顾及点群等级、道路属性及道路网对点群约束作用的综合算法。(4) 对于不具备或无法确定其重要性程度区分的点群(如树木、电线杆及控制点等)，算法选择最大限度地保持其几何结构及拓扑特征。利用Delaunay三角剖分、动态阈值剥皮法实现点群外部轮廓点的提取，在此基础上利用Douglas-Peucker算法及外部轮廓约束下的内部点Voronoi图分别实现了外部轮廓点及内部点的取舍，在继承已有算法对点群外部轮廓及内部密度保持方面优势的同时，解决了将轮廓点与内部点独立化简而导致的拓扑信息顾及不足的问题。最后，对提出的点群综合方法的适用性及有效性分别进行了试验。分析表明，论文方法在尽可能地顾及点群权重信息的基础上，有效地传输了原始点群各类信息，弥补了已有算法存在的各种不足，较好地解决了地理空间中各种类型点群的综合问题。

初审：张 琳复审：宋启凡

终审：金 君

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