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武汉大学学报（信息科学版）
武汉大学学报（信息科学版）

刘经南

月刊

1671-8860

journalw@whu.edu.cn

027-68778465

430072

武汉市珞喻路129号武汉大学测绘校区

武汉大学学报（信息科学版）/Journal Geomatics and Information Science of Wuhan UniversityCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊为测绘专业学术期刊，主要刊登测绘、遥感、图形图像处理等专业及相关学术论文。发表论文强调先进性、创造性。该刊发表的论文部分收录于EI、SCI、AJ等。
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    参数优化变分模态分解的GNSS坐标时间序列降噪方法

    鲁铁定何锦亮贺小星陶蕊...
    1856-1866页
    查看更多>>摘要：针对全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)坐标时间序列中噪声成分难以有效滤除的问题,构建一种基于参数优化变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)的降噪方法.该方法首先以排列熵结合互信息为适应度函数,利用灰狼优化(grey wolf optimization,GWO)算法自适应获取VMD的模态分解个数K和二次惩罚因子α的最优参数组合;然后将GNSS坐标时间序列分解为K个本征模态函数分量,并利用样本熵确定有效模态分量,将其重构为有效信号,从而实现信号与噪声的有效分离;最后,利用仿真信号和中国地壳运动观测网络的20个基准站的实测数据进行实验,将GWO-VMD方法与经验模态分解、小波降噪和基于VMD的降噪方法进行对比分析.结果表明,GWO-VMD方法能够更为有效地去除GNSS坐标时间序列中的噪声,且能较好地保留信号的原始特征,为后续的分析处理提供可靠数据.

    GNSS坐标时间序列VMDGWO排列熵互信息样本熵信号降噪

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    利用PSO算法改进的ENN预报中国区域电离层TEC

    汤俊钟正宇丁明飞吴学群...
    1867-1878页
    查看更多>>摘要：精确的电离层总电子含量(total electron content,TEC)预报,对提高全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的导航定位精度具有重要意义.提出了一种采用基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法的Elman神经网络(Elman neural network,ENN)预报电离层TEC的方法.首先,利用中国大陆构造环境监测网络(crustal movement observation network of China,CMONOC)2018年的GNSS观测数据构建中国区域电离层模型,获取区域电离层TEC格网(regional ionospheric map,RIM).其次,根据RIM TEC数据建立PSO-ENN模型进行预报研究.实验结果表明,磁静日和磁暴日下ENN模型和PSO-ENN模型的均方根误差(root mean square error,RMSE)均在训练集时间尺度为21 d时最低,使用PSO-ENN模型滑动预报5 d的RMSE相较ENN模型分别降低27.6％和20.5％.同时,采用欧洲定轨中心(center for orbit determination in Europe,CODE)发布的全球电离层 TEC 格网(global ionospheric map,GIM)产品建立PSO-ENN模型对中国区域电离层TEC进行预报时,磁静日和磁暴日的平均RMSE均小于CODE发布的 1 d 预报产品(CODE's 1-day predicted GIM,C1PG)、BP神经网络(back propagation neural network,BPNN)模型和ENN模型,说明PSO-ENN模型的预报效果优于C1PG、BPNN模型和ENN模型.利用RIM数据对2018年8月份TEC进行30d滑动预报时,PSO-ENN模型的平均RMSE相较BPNN模型和ENN模型分别降低24.8％和14.3％,说明PSO-ENN 模型具有较高的稳定性.

    电离层预报ENNPSO算法电离层TEC

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    风云四号卫星轨道运动补偿算法建模与仿真分析

    王嘉琛王静刘成保杨磊...
    1879-1890页
    查看更多>>摘要：中国第二代静止气象卫星风云四号(Fengyun-4,FY-4)是首次采用三轴稳定方式的高轨气象卫星系列,可以连续稳定高时间分辨率地对地球全圆盘观测.为了保证成像精度和稳定性,必须对载荷指向进行实时的轨道运动补偿(orbit motion compensation,OMC)、姿态运动补偿和热形变补偿来弥补卫星轨道漂移、姿态运动和热形变对卫星载荷指向偏差的影响.轨道漂移使像元周期性地偏离标称位置,星地一体化图像导航定位与配准系统(navigation and registration sys-tem,NRS)首先需要对载荷机械扫描角进行OMC来将视线引导至预期目标.为此,介绍了OMC算法原理,针对FY-4小视场类载荷辐射成像仪给出了其几何指向模型并生成了标称网格;重点推导了FY-4轨道坐标系、瞬时东南系和东南系3种姿态参考基准下的OMC转换模型,给出了定义法和旋转法两种轨道系与地固系的转换方法.利用在轨数据进行地面仿真计算,结果表明,两种转换方法对OMC精度的影响差异平均约为-1.1 μrad.为提升NRS系统计算效率,以轨道坐标系和东南系作为OMC基准时宜采用定义法,以瞬时东南系作为基准时宜采用旋转法.针对FY-4B大视场载荷快速成像仪,仿真分析了长线列探测器边缘与主光轴的补偿误差.结果表明,当卫星偏离标称位置0.1°时,2048×1维长线列探测器在250 m分辨率下,南北OMC高纬误差和低纬误差最大可达到8.2像元和8.3像元,两个扫描行的配准误差最大可达到11.6像元.

    FY-4OMC标称网格长线列探测器

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    不同分析中心BDS-3姿态四元数产品比较及其在PPP中的应用

    田福娟聂琳娟周晓慧
    1891-1899页
    查看更多>>摘要：国际卫星导航服务组织在第三次重处理中推出了卫星姿态四元数产品,该产品不仅有利于地影期间各分析中心精密产品的综合,同时也有助于提高卫星姿态异常时期精密单点定位(precise point positioning,PPP)的可靠性.对武汉大学(Wuhan University,WHU)、德国地学研究中心和欧洲定轨中心3家分析中心提供的4种北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 satellite navigation system,BDS-3)最终/快速姿态四元数产品进行了比较,分析了各个产品对不同类型的BDS-3卫星所采用的姿态模型的特点,并探究了不同卫星姿态对BDS-3动态PPP定位的影响.结果表明,在卫星太阳高度角接近0°时,不同分析中心采用了不同的BDS-3姿态模型,其偏航角差异可高达约120°;使用各个分析中心配套的姿态四元数,地影期间动态PPP三维定位精度都得到一定的提升,其中,采用WHU快速产品的提升率较为显著,与采用名义姿态相比,使用四元数产品后,动态PPP的三维定位精度可提高约18.4％.虽然采用目前公开的BDS-3模型姿态对PPP定位有所改善,但不同分析中心对精密产品估计时采用的卫星姿态可能会有所不同,因此,配套使用各分析中心提供的姿态四元数才能获得可靠的定位结果.

    卫星姿态四元数BDS-3模型姿态精密单点定位卫星偏航姿态

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    组合GPS/GLONASS三频观测值的非差非组合PPP模糊度快速固定

    章繁柴洪洲王敏肖国锐...
    1900-1910页
    查看更多>>摘要：俄罗斯全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GLONASS)目前有4颗GLONASS-M+卫星和两颗GLONASS-K1卫星支持在第3个频点传输码分多址(code division multiple access,CDMA)信号,使得研究GLONASS三频精密单点定位(precise point positioning,PPP)成为可能.为顺应多频多系统发展趋势,研究了联合GPS和GLONASS三频观测值的非差非组合PPP模糊度固定(ambiguity resolution,AR)模型与方法,推导了顾及频率间钟偏差(inter-frequency clock bias,IFCB)影响的GPS+GLONASS三频非差非组合PPP模型,给出了服务端三频非差未校验相位延迟(uncalibrated phase delay,UPD)估计方法和用户端三频PPP-AR策略.但限于当前GLONASS三频观测数据数量及其分布,实验中组合GPS和GLONASS观测值进行三频非组合PPP-AR,但只固定GPS三频模糊度,而GLONASS模糊度保持其浮点形式.利用全球分布的300余个多模全球卫星导航系统实验跟踪网(multi-GNSS(global navigation satellite system)experiment,MGEX)测站估计IFCB和UPD改正产品,14个MGEX测站用于用户端PPP-AR性能评估,结果表明:组合GPS和GLONASS观测值进行三频非组合PPP-AR,但只固定GPS三频模糊度实现了快速收敛,此外相对于GPS单系统三频PPP-AR,静态解在东、北、天和三维方向上定位精度提升幅度分别达到80.7％、60.0％、61.0％和63.8％,仿动态解提升分别达到41.9％、14.5％、11.6％和16.3％.若忽略GLONASS三频IFCB误差,组合GPS和GLONASS三频PPP-AR在收敛序列出现较大幅度的波动,定位性能甚至不及GPS单系统固定解.组合GPS和GLONASS观测值进行三频非组合PPP-AR可实现模糊度快速固定,静态和仿动态实验模糊度平均首次固定时间分别为12.3、12.9 min,相较于GPS单系统提升显著,其中仿动态实验提升率达53.8％.此外,相对于组合GPS三频观测值和GLONASS双频观测值方案,添加GLONASS三频观测值后,仿动态偏差序列稳定性得到小幅改善.

    GPS+GLONASS非差非组合PPP三频ARFDMA+CDMA观测值

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    GNSS/IMU与里程计紧-松耦合的因子图融合定位方法

    崔晓珍周琪武东杰吴汶鸿...
    1911-1921页
    查看更多>>摘要：开展了不同深度的信息融合对微惯性导航(micro inertial navigation system,M-INS)与全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)组成的导航系统精度的影响研究,以及室内外一体化定位研究.首先,基于因子图优化(factor graph optimization,FGO)算法分别建立M-INS/GNSS单点定位的松耦合系统和M-INS/伪距/多普勒速度的紧耦合系统,并通过实验验证紧耦合设计的优势.然后,将视觉惯性里程计(visual inertial odometry,VIO)因子以松耦合的方式接入紧耦合M-INS/GNSS系统的因子结构中,提出了基于FGO紧-松耦合的多源融合算法模型.最后,通过实验验证系统的定位精度和室内外一体化定位能力.实验结果表明,在无法观测到4颗卫星而导致无法获得单点定位解时,M-INS/GNSS紧耦合系统的定位精度可以达到M-INS/GNSS松耦合系统的2倍;基于FGO的M-INS/GNSS/VIO紧-松耦合系统能够无缝应对室内外环境之间的变化,在GNSS或VIO任意一种传感器突然失效的情况下保证持续可靠定位,东、北向的平均误差比基于滤波方法的M-INS/GNSS/VIO系统精度分别提升了53.98％、54.74％.

    组合导航因子图松耦合紧耦合多源融合

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    采用高精度地球重力场模型计算垂线偏差及隧道贯通误差

    李敏李琼苏勇
    1922-1930页
    查看更多>>摘要：高精度、高分辨率地球重力场模型可用来获取全球或区域垂线偏差,利用3组最大阶数为2 190阶的超高阶高精度重力场模型(GECO模型、EIGEN-6C4模型和SGG-UGM-2模型)计算了西部重要交通枢纽工程沿线区域尤其是规划站点的垂线偏差,针对重点隧道区域,计算分析了不同的洞外控制点高度角条件下垂线偏差带来的隧道贯通误差影响.结果表明,采用3组地球重力场模型获取的西部重要交通枢纽工程沿线区域垂线偏差的子午圈分量为20"左右,卯酉圈分量小于1",且3组模型计算的垂线偏差卯酉圈分量差异小于0.04",而子午圈分量差异小于0.6".针对工程中规划的6个重要隧道设计的实验结果表明,当洞外控制点高度角分别为45°、35°、25°、15°时,垂线偏差对横向贯通误差影响值分别约为180、130、100、70 mm.因此,隧道外控制点高度角大小能直接决定垂线偏差对隧道横向贯通误差的影响,在实际施工过程中应尽量保证将隧道外控制点埋设在等高面上,若由于地形条件等影响无法调整控制点间高度角,则必须进行垂线偏差改正,以削弱贯通误差的影响,保证隧道的顺利贯通.

    重力场模型垂线偏差贯通误差西部重要交通枢纽工程

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    利用改进的亮温日较差法探测格陵兰冰盖表面融化

    肖倩雨周春霞刘勇
    1931-1939页
    查看更多>>摘要：格陵兰冰盖是全球海平面上升的主要贡献源之一,其表面融化和融水径流引发的物质损失约占冰盖总物质损失的60％,研究格陵兰冰盖的表面融化具有重要意义.采用2019年增强分辨率的专用微波成像仪37 GHz垂直极化被动微波数据,提出改进的亮温日较差(advanced diurnal amplitude variations,ADAV)方法,并利用该方法探测格陵兰冰盖的表面融化.与自动气象站的气温数据对比,ADAV方法使用动态阈值探测结果的平均精度高于使用固定阈值的传统日较差方法,且被动微波数据时间对探测精度无明显影响.采用该方法分析格陵兰冰盖冻融发现,2019年冰盖融化天数最多达165d,7月31日融化面积达到最大,占冰盖总面积的67％;夏季3次出现融化峰值,且南部沿岸发生了冬季融化事件.

    格陵兰冰盖表面融化改进的亮温日较差法Rosin阈值Ramage阈值

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    信息熵估计辅助的域自适应多源遥感影像地表覆盖分类

    王定盼董小环黄令勇王晓华...
    1940-1952页
    查看更多>>摘要：在多源遥感影像地表覆盖分类中,引入域自适应方法能够对齐源域和目标域影像或其特征,提升深度学习模型的泛化能力,在智能遥感影像解译任务中具有重要意义.提出了一种基于信息熵不确定性估计的伪标签纠正方法,用于自训练的域自适应任务.其核心是提出一种熵不确定损失函数,用于跨源遥感影像之间的地表覆盖分类.首先,用含标签的源域影像训练语义分割模型,对缺乏真实标签的目标域影像预测并生成伪标签.然后,用伪标签继续训练目标域影像,计算预测结果的信息熵,并将该信息熵作为伪标签的不确定性估计,以校正伪标签并再次进行目标域影像的自训练,得到适用于目标域数据集的地表覆盖分类模型权重.最后,在3个数据集(武汉市2017年及2019年地表覆盖影像分类数据集、ISPRS 2D语义标注比赛数据集、WHU建筑物变化检测数据集)上进行了跨域的多源遥感影像地表覆盖分类实验.结果显示:引入所提方法对现有语义分割网络的性能有显著提升;相比于传统自训练方法,所提方法具有一定的提升,同时,所提方法也超越了最新的基于Kullback-Leibler散度不确定性估计的方法.以上结果表明,所提方法能够在原有预训练语义分割模型基础上进一步提升该模型对不含标签的目标域影像的分割能力,且不需要在原模型上增加额外的模块和参数.

    域自适应自训练信息熵伪标签纠正多源遥感影像地表覆盖分类

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    融合气象和遥感植被信息的综合干旱指数构建及精度评价

    王丹钰张唯卢灿炯李文凯...
    1953-1961页
    查看更多>>摘要：干旱的准确监测对于全球农业生产有着重要的现实意义,作为衡量区域干旱程度的重要工具之一,具有较高监测精度的综合指数的构建是当今干旱灾害研究的热点之一.基于Gaussian Copula函数,联合归一化植被指数(normal-ized difference vegetation index,ND VI)和月平均降水两种常见的干旱影响变量,构建了一种综合降水和遥感植被特征的新型综合干旱指数(meteorology-agriculture drought index,MADI).与月尺度标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)和植被状态指数(vegetation condition index,VCI)的对比,以及在历史干旱事件中的检验,证实了采用MADI捕捉干旱事件的优越性.研究结果表明:(1)MADI与传统干旱指数SPI和VCI对干旱表征的一致性均较高.MADI与SPI表征一致的月份占总月份的62.24％,与VCI表征一致的月份占总月份的83.82％;(2)MADI对干旱现象的敏感性高.在MADI与SPI和VCI表征一致的月份中,60％以上的月份中MADI的绝对值较SPI和VCI更大,对干旱的表征更明确;(3)结合年鉴记载的历史干旱事件验证表明,MADI具有较高的准确性.MADI成功捕捉到2012年1月—4月以及2007年的8月—10月的两次重大干旱事件,而SPI和VCI在两次事件中的表征均存在遗漏.由此可见,MADI可以作为SPI和VCI的有益补充,为长江流域干旱灾情的准确判定提供辅助决策.

    降水NDVI干旱指数Copula函数

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