《测绘学报》博士论文成果展示（2022年第9期）
本文内容来源于《测绘学报》2022年第9期（审图号GS京（2022）0824号）
面向地震风险评估的高分辨率遥感影像建筑物信息提取与研究
刘耀辉
山东建筑大学测绘地理信息学院, 山东 济南 250101
基金项目：国家自然科学基金国际(地区)合作与交流项目(41661134013);国家重点研发计划项目(2018YFC1504403;2018YFC1504503)
作者简介：刘耀辉(1991—)，男，2020年7月毕业于中国地震局地质研究所，获理学博士学位(指导教师：李志强研究员)，研究方向为遥感信息提取与地震灾害。E-mail：liuyaohui20@sdjzu.edu.cn
刘耀辉. 面向地震风险评估的高分辨率遥感影像建筑物信息提取与研究[J]. 测绘学报，2022，51(9)：1977-1977. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20200630
LIU Yaohui. Extraction and research on building information from high-resolution remote sensing image for seismic risk assessment[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(9): 1977-1977. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20200630
地震灾害具有突发性和不可预测性，严重威胁人类生命财产安全和社会稳定。进行区域尺度地震风险评估，既有助于相关部门制定城市规划和应急管理方案，最大限度减轻地震灾害风险，也可提高人民群众对潜在灾害的风险意识。承灾体、建(构)筑物数据是进行地震风险评估的基础数据之一。然而，当前存在建筑物数据获取难、更新速度慢等局限，无法满足区域尺度地震风险评估中建筑物数据准确性高、获取方便、更新及时等要求。同时，也缺乏结合社会脆弱性因素构建情景地震的应用案例。论文针对上述不足，以基于多源异构数据和机器学习方法快速、准确获取建筑物信息及其地震风险评估为研究目标，主要研究内容如下。
(1) 提出了一种融合编码-解码器结构和空间金字塔池化模块的轻量级卷积神经网络模型——USPP，用于高分辨率遥感影像建筑物自动提取。在Massachusetts和INRIA两个国际开源的建筑数据集上，与其他国际上通用的图像分割模型(包括SegNet、FCN、U-Net、Tiramisu及FRRN)相比，USPP模型的定性和定量结果都有所提升，能较好地提取建筑物，分类误差小、边界清晰。
(2) 上一步提出的USPP模型，虽然取得较优的建筑物分割结果，但无法满足区域尺度地震风险评估的计算效率需求。为此，提出了融合深度可分离卷积和非对称残差连接的ARC-Net网络，同时融合空洞卷积和空洞卷积空间金字塔池化模块来扩大视觉感受野，提升建筑物提取精度。在INRIA和WHU两个数据集上的试验表明，ARC-Net模型性能优于其他国际常用的深度学习模型。在此基础上，应用ARC-Net模型在乌鲁木齐城区和渭南农村地区进行建筑物自动提取。结果表明，ARC-Net模型进行面向地震风险评估的建筑物高精度、快速、自动提取是可行的，可以达到较高的建筑物提取精度和较快的计算效率，并且在农村地区进行建筑物提取效果更好。
(3) 在上一步提取建筑物轮廓基础上，提出了一种基于多源数据融合、机器学习和地理信息技术相结合的建筑物信息提取及其地震易损性的综合评定方法，并以乌鲁木齐为例进行应用验证。首先，选择天山区部分区域进行建筑物详细实地调研；其次，采用EMS-98建筑物易损性分类标准和两种机器学习方法，即支持向量机和关联规则方法，建立建筑物属性信息与地震易损性的对应规则；然后，基于街景影像、道路交通、土地利用规划和多时相遥感影像等多源数据，将乌鲁木齐进行居民地块体划分，将上一步建立的建筑物易损性对应规则应用于乌鲁木齐数据库，整体精度达到79.7%；最后，应用地震风险评估模型，分析不同地震烈度下乌鲁木齐地震风险分布情况。
(4) 基于情景地震的地震易损性、危险性和社会脆弱性的地震风险综合评估分析。首先，对陕西省渭南市3个具有不同地形特征的农村进行建筑物及社会因素的详细调查；然后，应用RISK-UE脆弱性指数方法，对3个村庄在不同地震烈度下的建筑物破坏程度进行定量分析；最后，综合社会脆弱性因素，构建情景地震，对3个村庄可能的地震影响情景进行描述，并针对性地进行地震应急部署准备，为中国西部地区地震风险评估提供参考借鉴。
结构总体最小二乘估计理论的拓展及其应用研究
吕志鹏
华东交通大学, 江西 南昌 330013
基金项目：国家自然科学基金(41674016;41904039)
作者简介：吕志鹏(1988—)，男，2020年12月毕业于信息工程大学，获工学博士学位(指导教师：隋立芬教授)，研究方向为大地测量数据处理。E-mail：lv_zhipeng1989@qq.com
吕志鹏. 结构总体最小二乘估计理论的拓展及其应用研究[J]. 测绘学报，2022，51(9)：1978-1978. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210103
LÜ Zhipeng. Research on extended theories of structured total least-squares and their applications[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(9): 1978-1978. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210103
具有随机系数矩阵的高斯-马尔可夫(GM)模型被称为变量误差(EIV)模型，在均方误差意义下，总体最小二乘(TLS)估计得到的EIV模型参数估值优于最小二乘(TLS)估计，这种状况已引起测绘领域的极大关注，并成为多年来的热点问题之一。
近年来，TLS估计逐步演变成一个完备的理论体系，但是相关研究成果仍不够成熟和完善，有待进一步提高和发展。论文从加权总体最小二乘(WTLS)估计的分类、结构总体最小二乘(STLS)估计、STLS问题的(非负)方差分量估计、基于总残差的抗差总体最小二乘(RTLS)估计，以及具有高崩溃污染率的RTLS估计等方面展开系统性的研究。论文主要内容包括。
(1) 系统总结了WTLS估计的解法。从WTLS问题的数学模型表达、优化方法选择和迭代公式设计3方面对WTLS估计的解法进行分类。在不同的模型假设下，采用Gauss-Newton法推导各种解法的估计公式，并说明它们具有LS估计的形式。
(2) 针对测绘领域诸多实际应用中系数矩阵和观测向量具有结构特征这一问题，从EIV函数模型出发，引入变量投影法对系数矩阵和观测向量中的结构特征进行提取，然后基于Gauss-Newton法设计STLS估计算法，算例分析表明该算法相对于WTLS估计算法减少了预测残差的数量。阐明STLS估计和WTLS估计具有等价性。
(3) 分析了TLS估计得到的预测残差特点，说明相对于LS估计，TLS估计并不适合于进行残差预测，推荐采用总残差对等式误差进行预测。
(4) 考虑到系数矩阵和观测向量中的随机量可能来源于不同的观测或者平差，甚至不同期的观测，因而可能具有不同的方差分量，如果考虑随机量之间的相关性，也可能具有不同的协方差分量这一问题，基于总残差将最小二乘方差分量估计(LS-VCE)算法应用到STLS问题的方差和协方差分量估计。采用非负函数对方差分量重新参数化，设计结构变量误差(SEIV)模型的非负函数约束最小二乘方差分量估计(NFC-LS-VCE)算法，算例分析表明该算法可以有效解决初值选取不当引起的负方差问题。
(5) 观测值不可避免地混入粗差，M估计是处理粗差问题的常用方法，以往研究均是基于单个观测值的预测残差进行算法设计。论文以标准化总残差为基础设计相应的M估计算法——RSTLS-LS-IGGⅢ，算例分析说明其性能优于基于单个观测值重定权的策略。
(6) 设计了3种高崩溃污染率的抗差估计方法，即基于枚举法的重复中位数(RM)估计、基于重采样方法的总体最小平方中位数(TLMS)估计和基于分支定界(BAB)算法的总体最小截断平方(TLTS)估计，这3种估计方法均具有50%的渐进崩溃污染率。算例分析表明，上述3种算法有效性较低，并不适合作为最终的参数估值。可以首先采用高崩溃污染率的抗差估计方法计算参数初值，然后进行标准化总残差预测和后验单位权方差估计，最终应用回降M估计计算参数估值，即带有抗差初值的M估计——MM估计，算例分析表明该算法可以同时具有高有效性和高崩溃污染率。
杨岸然
国防科技大学电子科学学院, 湖南 长沙 410073
作者简介：杨岸然(1988—)，男，博士，2016年12月毕业于国防科技大学，获工学博士学位(指导教师：景宁教授)，研究方向为志愿者地理信息、高性能地理计算。E-mail：anran.yang.china@gmail.com
杨岸然. 基于历史数据的志愿者地理信息数据质量生成机制研究[J]. 测绘学报，2022，51(9)：1979-1979. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210039
YANG Anran. Investigating the mechanisms of VGI data quality assurance based on history data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(9): 1979-1979. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210039
志愿者地理信息是用户以自发开放协作的方式生产的地理空间数据，具备生产成本低、数据更新快等优点，理解数据质量的不确定性是将其用于地理信息应用的关键。与传统地理数据生产通过标准控制数据质量的方式不同，在志愿者地理信息中，数据质量随时间推移不断优化，是一种“生成”的过程。这一过程与数据贡献的过程乃至项目发展的历程密切相关，需要基于历史数据进行分析研究。
以志愿者地理信息中最具代表性的开放街道地图(OSM)项目为研究对象，结合质量和贡献者这两个该领域的重要研究方向，通过分析贡献历史来分析志愿者地理信息的数据质量如何在项目的发展过程中逐渐优化。论文主要包含以下几部分内容。
(1) 提出了志愿者地理信息中数据演化与贡献行为的时空模型。①面向历史数据规模大，数据格式不友好，时空数据具有本质复杂性等问题，基于时间地理学定义了一个OSM历史数据的时空模型，定义了基于时态逻辑的谓词与算子，用于建模和分析历史数据。②实现了历史数据分析处理工具集，包括信息保真、内存轻量的数据库快速导入工具，以及可以支撑多种研究应用的SQL工具集，便于相关研究高效建模并形成分析结果。
(2) 定量分析了贡献不平衡性的基本特征、时空规律与内在机理。①基于分位数的分组策略，使用洛伦兹曲线、基尼系数与秩和检验分析OSM中的贡献不平衡性，即少数人生产绝大多数数据这一现象，发现OSM中的不平衡性显著高于维基百科等通用开放平台，并随着项目发展逐年加剧。②分析了“沉默的多数”和“发声的少数”这两极贡献者在不平衡性加剧中扮演的角色，发现前者人数持续增加、后者人数相对稳定是不平衡性加剧的主要原因；发现不平衡性的程度在没有显著导入的国家持续平滑增长，在有显著数据导入的国家存在波动并与最活跃用户的生产率变化保持一致，这可能由数据大量导入的事件导致。
(3) 基于贡献历史分析了主要贡献者的专业度，重新审视了志愿者地理信息的数据是来自专业用户还是业余用户这一关键问题。①研究选取承担了绝大多数编辑工作的头部贡献者，围绕实践、技能和动机这三个主题，基于假设检验的思想设计了一系列贡献者专业性的鉴定指标，如贡献天数、贡献跨度、主要工具、首月主要工具、工作日生产力及连续贡献天数等，尽可能可信地推断从事数据生产的是否可能是业余贡献者。②通过上述指标，判断在德国、法国和英国的主要贡献者群体更可能是专业人员而非业余贡献者，从一个侧面解释了OSM数据在这些地区的优良质量。
(4) 分析了主要贡献者的行为偏好、偏好变迁及其影响。①对用户偏好进行分类，设计基于熵的多样性指标，基于关联规则挖掘和规律分析方法与一系列统计方法对贡献偏好进行考量，并对其随时间的变化规律进行分析。②以建筑数据为例，运用建筑物数量、建筑物形状特征及建筑物属性等指标对数据演化规律进行刻画，证实了数据从数量到质量逐步精化的发展规律。③发现贡献者偏好多样性的增长，且这一多样性很大程度上归功于偏好不同的贡献者的持续加入。随着多样性的提高，为提高属性精度和精细度进行的编辑在整个贡献中的比重逐渐增长，且与数据演化中发现的相关规律相一致。④发现用户的偏好可能相当极端且具有稳定性。不进行某类操作的习惯较为稳固，许多贡献者甚至一直只进行一类编辑。这说明新增的、偏好不同的用户对补齐数据质量短板具有显著意义。
王刘宇
江苏省水利科学研究院, 江苏 南京 210017
基金项目：国家自然科学基金(51774270)
作者简介：王刘宇(1995—)，女，2020年12月毕业于中国矿业大学，获工学博士学位(指导教师：邓喀中教授)，研究方向为矿区形变监测。E-mail：wangly@cumt.edu.cn
WANG Liuyu. Study on key technologies of deformation monitoring in mining areas based on phase and intensity information of SAR images[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(9): 1980-1980. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210055
SAR技术已在矿区形变监测方面得到了广泛的应用。InSAR技术在矿区小变形监测方面具有较高的精度，但无法获取矿区大量级形变。子带干涉技术能降低解缠难度进而提高测量精度。偏移量追踪方法可用于提取矿区大形变，但其监测精度相对较低。如何融合各方法的优势，获取矿区高精度大梯度形变信息是目前面临的科学问题。为此，论文重点研究了子带干涉技术在矿区形变监测中的适宜性、偏移量追踪方法在矿区形变监测中互相关窗口的选取方法及InSAR技术、子带干涉技术、偏移量追踪方法和概率积分模型融合的方法，通过与实测对比证明了方法的可靠性。主要工作及成果如下。
(1) 子带干涉技术的监测精度与全频带宽、子带带宽参数和形变量级有关；存在监测不同量级形变的最优全频带宽和子带带宽，因此，应根据影像带宽和下沉量级来选取合适的子带带宽以达到最优监测的目的。提出的基于概率积分模型的子带干涉技术去噪方法能够有效地去除子带干涉相位中的噪声。利用该方法提取了陕西大柳塔矿52304工作面的地表形变信息，与常规D-InSAR和GPS实测数据进行对比分析发现：在小形变区域，常规D-InSAR比子带干涉技术具有更高的精度；在采空区边缘形变梯度大区域，常规D-InSAR已经完全无法监测正确的形变信息，而该方法能较好地获取地表形变信息，其标准差为0.108 m。
(2) 系统研究了互相关窗口对偏移量追踪方法提取不同形变精度的影响。结果表明：小的互相关窗口可以保证形变结果的准确性，大的互相关窗口可以较好地抑制噪声，在形变梯度较大的区域，大的互相关窗口则会造成形变压缩。因此，当主辅影像间存在噪声时，对于非形变区域和形变梯度较小的区域，选取较大的互相关窗口来抑制噪声对形变结果的影响；对于形变梯度较大的区域，选取较小的互相关窗口来保证形变信息的准确性。为此，提出了一种基于形变梯度的自适应互相关窗口的偏移量追踪方法。使用该方法对两景间隔143 d的TSX影像进行了形变提取，试验结果证明了该方法的可靠性和有效性。
(3) 针对InSAR技术和偏移量追踪方法受矿区植被影响很难获取矿区完整形变场的问题，提出了基于概率积分模型的融合InSAR技术和偏移量追踪方法的IOP方法来获取矿区高精度的完整形变场。IOP方法利用InSAR技术和偏移量追踪方法获得的部分离散点的形变信息，通过概率积分模型求取参数和计算植被区未获取的形变信息，填补了InSAR技术和偏移量追踪方法未获取的形变信息，从而可以获取植被区完整的形变场。通过与GPS测量数据比较，IOP方法走向和倾向的监测精度分别为0.122、0.103 m，其监测精度优于InSAR技术和偏移量追踪方法。
(4) 针对InSAR(小梯度)、子带干涉(中梯度)、偏移量追踪(大梯度)监测不同变形的适应性和精度，提出了基于概率积分模型的融合InSAR技术、子带干涉技术和偏移量追踪方法获取高精度的矿区完整形变场的ISOP方法。该方法采用InSAR获取盆地边缘小形变信息、子带干涉获取采空区边缘中等形变信息及偏移量追踪获取盆地中心大梯度形变信息，采用概率积分模型去噪、融合3种方法结果及反演，从而获取矿区高精度完整形变信息场。通过与GPS测量数据进行对比，ISOP方法的走向和倾向的均方根误差分别为0.161、0.105 m。
徐龙威
航天工程大学航天信息学院, 北京 101416
作者简介：徐龙威(1988—)，男，2018年12月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：刘晖教授)，研究方向为多模GNSS组合高精度定位。E-mail：xlw_ltu2012@163.com
XU Longwei. Research on the key technologies of multi-frequency and multi-GNSS large-scale real-time high precision positioning[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(9): 1981-1981. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210069
多模GNSS发展及其应用领域的拓展使卫星导航产业迎来巨大发展机遇的同时，也带来了一些亟须解决的问题。各GNSS系统由不同的国家或地区设计、建设和维护，其时空基准、信号频率和编码调制方式都存在差异，多模GNSS组合解算必须顾及系统间和系统内的多种偏差；受大气延迟等误差的影响，中长基线模糊度快速固定困难；大范围参考站网络，大气延迟建模精度低，流动站定位精度差且经常出现无法获取固定解的现象；另外，受限于当前网络RTK系统的服务机制，实时在线用户数量过大易导致服务中断甚至系统崩溃等问题。
针对上述问题，论文分别对GLONASS频间偏差、多模GNSS中长距离参考站模糊度固定和适用于大范围大数量用户在线的网络RTK高精度服务模式3个方面开展了研究工作，内容如下。
(1) 提出了一种GLONASS站间IFCB估计方法。基于2016年全年观测数据，证明了IFCB具有长期稳定的特性；异质基线站间IFCB的量级可达数米，同质基线也存在一定量级的IFCB。利用本文提出的算法，零基线站间IFCB单天解稳定性优于6 cm。受多路径效应的影响，非零基线的站间IFCB稳定性略差，单天解稳定性小于10 cm，而轨道周期单天解稳定性约5~6 cm。
(2) 实现了不受接收机类型限制的GLONASS中长基线实时宽巷模糊度固定。IFCB导致HMW组合无法用于GLONASS宽巷模糊度固定。利用基于历史观测数据计算的站间IFCB改正HMW组合观测值，可以恢复其在宽巷模糊度固定中的整数特性。试验表明，改正后的HMW组合能够用于GLONASS宽巷模糊度固定，固定率比GPS稍差，正确率在98%以上。
(3) 提出了一种多模多频GNSS中长距离参考站实时模糊度分步固定方法，解决大规模基准站网解模型计算压力大的问题。首先, 采用大气延迟加权增强的单基线非组合模型优先固定宽巷模糊度。宽巷模糊度固定后，构建电离层延迟参数化的网解模型，充分利用整网观测量，进行窄巷模糊度解算。试验表明，80%的测试能够在10个历元内完成初始化，99%的测试能够在40个历元内完成初始化。三频观测值可以明显加快宽巷和窄巷模糊度固定。
(4) 使用基于网解的反向RTK模型为距离参考站过远的流动站用户提供高精度位置服务。将流动站数据回传到数据中心，在服务端整网解算，避免常规网络RTK技术的大气延迟内插误差，且定位解算可用信息更加丰富。试验表明，基于网解的反向RTK的定位精度和固定率都明显优于VRS，其单GNSS解算也能实现4~5个历元内流动站固定率达到95%以上。利用三频数据，网解反向RTK算法优势更明显。
(5) 将用户回传数据进行反向RTK解算后，作为“流动参考站”参与整个参考站网络的区域误差建模，实现参考站网加密，提高大气延迟内插的精度和可靠性。试验中，流动参考站虽未明显提升大气延迟建模精度，但播发给用户的增强信息中可用卫星数明显增多，定位可靠性提高。
(6) 提出虚拟参考站格网的服务模式。VRS模式的实时在线用户数过多时，数据中心计算压力大。在参考站网络覆盖区域内划分虚拟格网，每个格网点作为一个虚拟参考站，数据中心只需生成格网点处的虚拟观测值。然后基于用户概略坐标，向用户播发相应格网点的虚拟观测值。在同一台设备上分别对两种服务模式进行压力测试试验表明，VRS平台在接入5000个用户时，软件CPU占用率已经高达78%；而虚拟参考站格网技术在接入8000个用户时，软件CPU占用率仅48%。
自动生成带有名称注记的示意化网络地图
蓝天1,2
1. 西南交通大学地球科学与环境工程学院, 四川 成都 611756;
2. 香港理工大学土地测量与地理资讯学系, 香港 999077
基金项目：国家自然科学基金(42101442);香港研究资助局项目(152233/15E)
作者简介：蓝天(1991—)，男，2020年9月毕业于香港理工大学，获哲学博士学位(指导教师：李志林教授)，研究方向为制图综合、交通地理。E-mail：tianlan@swjtu.edu.cn
LAN Tian. Automated generation of labelled schematic network maps[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(9): 1982-1982. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210073
示意化网络地图是对线状网络进行简化表达的方式。在示意化地图中，线状网络的真实几何被扭曲，而拓扑关系被保留。Harry Beck在20世纪30年代设计的伦敦地铁图是最著名的示意化地图之一，该地图具有三大特征：拥挤区域被扩大；线条被归化至水平、垂直和斜对角线方向；拓扑关系被保留。这些设计提升了原始网络的清晰度和可读性，使得人们可以快速、准确地进行路线规划和定位任务。示意化地图已经被广泛用于各种空间网络(如地铁网络和地下管线网络)与非空间网络(如项目计划网络)的可视化表达中。
目前，示意化地图主要由计算机辅助的方式生成。利用这种方式生成示意化地图不仅需要丰富经验的制图人员，也需要花费不少时间。在过去的20年间，一些研究人员致力于发展自动生成示意化地图的方法。然而，该研究还存在两大问题：①尽管多种限制条件被用在自动示意化中，自动生成的示意化网络布局仍不能和计算机辅助生成的结果相媲美；②示意化地图的名称注记自动摆放没能很好地实现。尽管一些研究尝试去解决这个问题，但这些研究中所使用的注记摆放规则太简单，不能够满足示意化地图的需求。
论文旨在处理以上两大问题。为了解决第1个问题，论文提出了以下策略：首先把“示意化的一般性原则”建模为限制条件(比如，把“保留主体结构”建模为“尽可能使网络的主要线路变直”)，然后把这些限制条件融入混合整数规划模型中进行示意化。为了评价这种方法(简称“GP-MP方法”)的可用性，以现有方法生成的北京地铁和全国高铁网络布局为基准进行了试验。试验结果显示，GP-MP方法生成的网络布局不仅在“分形维数”这一复杂度指标上表现得更好，而且在心理学测试中的平均得分也更高。表明GP-MP方法能够生成更具美感和更高清晰度的示意化网络布局。
为了解决第2个问题，提出了以下策略：首先从现有示意化地图中获取摆放规则(包括注记的潜在位置和这些位置的顺序)，然后把这些规则融入优化算法中进行名称注记摆放。注记的潜在位置通过站点周边线路的连接情况来确定，而位置的顺序则通过“描述性统计量”来确定。以香港和天津地铁官方示意化地图中的注记为基准进行了试验。结果显示，基于DS方法的注记在“注记间的拥挤程度”和“寻找注记对应站点的难易程度”上与官方地图的注记基本相同。这表明DS方法能够自动摆放与官方示意化地图相媲美的名称注记。
DS方法有一个缺点：如果某些站点所在的情形没能被建模到规则的获取中，那么DS方法将不能合适地摆放这些站点的注记。人工神经网络(ANN)具有推断未知数据间关系的能力。基于此，论文提出了一种基于ANN的注记摆放方法。在每个样本中，输入连接关系、注记长度、线路方向和站点坐标这4个属性，输出注记的位置与方向这两个属性。试验结果表明，相比于DS方法，ANN方法在心理学测试中表现得更好。此外，还发现ANN方法能够把未知情景下的站点名称正确地摆放。这些结果意味着基于ANN的方法不仅能够有效地摆放示意化地图的名称注记，也具有推断未知情形下名称注记的能力。
综上所述，论文发展了多种自动示意化网络布局的方法和摆放名称注记的方法。为了实现示意化地图的完全自动化生成，自动生成示意化地图的其他要素也应该被考虑。
联合卫星重力和GNSS观测反演地震断层参数的研究
郑增记
西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
基金项目：国家重点研发计划(2018YFC0603502)
作者简介：郑增记(1989—)，男，讲师，2020年6月毕业于中国科学院上海天文台，获理学博士学位(指导教师：金双根研究员)，研究方向为卫星重力与地震研究。E-mail：zhengzengji@126.com
郑增记. 联合卫星重力和GNSS观测反演地震断层参数的研究[J]. 测绘学报，2022，51(9)：1983-1983. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210078
ZHENG Zengji. Seismic faulty parameters estimated from joint satellite gravity and GNSS observations[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(9): 1983-1983. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210078
地震的发生会造成巨大的破坏和损失，大地测量技术能观测地震形变和反演地震断层的错动情况，对于减少地震灾害具有非常重要的现实意义。GNSS技术已广泛用于震源参数的反演工作，但对于发生在海域的地震，由于GNSS站点往往位于陆地一侧，导致对断层的约束能力有限。卫星重力技术因其全天候、全球覆盖、连续性，以及不受地域地形限制等诸多特点，可弥补海洋一侧常规观测不足。联合GNSS和GRACE两种观测手段反演震源机制，可进一步提高反演海域地震的震源参数。为此，论文基于GRACE和GNSS观测的同震和震后形变，联合反演了断层参数和地幔黏滞性系数等，主要成果如下。
(1) 比较分析了GRACE时变重力场同震和震后信号提取中常用的叠积法和最小二乘拟合法。通过2004年苏门答腊Mw9.3地震的对比分析发现，叠积法不仅容易引入长周期年际变化项信号及趋势项信号，而且难以分离震后信号；最小二乘拟合法可以精确分离同震和震后信号，但对采用的数据长度要求较高，如果时间段较短，无法剔除长周期信号。此外，采用最小二乘拟合法提取GRACE信号时，拟合因子需尽量接近实际情况。GRACE数据时间范围较长的情况下，建议采用最小二乘拟合法。
(2) 基于GRACE Level-2数据首次成功地提取了2007年Bengkulu地震的同震重力变化信号并分离了垂直位移与密度变化引起的重力效应。基于最小二乘拟合法提取的Bengkulu地震的同震重力呈“正-负”分布，振幅为-2.0~1.3 μGal，与位错理论模拟结果符合较好，证明了观测结果的可靠性。此外，同震垂直位移引起的重力变化和密度重新分布引起的重力变化量级相当，并且震中以西垂直位移因素占主导作用，而震中以东密度变化因素占主导作用。
(3) 基于GNSS数据反演了2007年Bengkulu地震的滑动分布，并联合GRACE和GNSS数据反演了2007年Bengkulu地震的断层几何参数。反演结果表明，此次Mw8.4地震以逆冲为主，兼具轻微的右旋走滑，并且此次破裂具有明显的分段特征，地震发生后，沿着断层面向西北方向破裂，最大破裂点并不在震源附近，而是在震源西北方向180 km左右。联合反演得到的断层长度、宽度、均匀滑动量和滑移角的最优值分别为427、330、0.78 m和114°，相应的地震矩为3.30×1021 Nm，矩震级为8.31。与仅基于GRACE反演结果相比，联合反演结果精度提高了50%，显示了联合反演的优越性。
(4) 针对去相关滤波造成的信号扭曲现象，从空间域和频率域分析了重力和重力梯度北向分量的优越性，并基于重力和重力梯度的北向分量反演了2012年苏门答腊Mw8.6地震的断层参数。结果表明，重力和重力梯度的北向分量相较其余分量可以很好地削弱条带误差，并且阶方差最小。GRACE反演结果显示发震断层为滑移角175.26°的右旋走滑断层，断层的走向为113.63°，倾角近乎垂直为89.99°，平均滑移量为28.18 m，地震矩为12.85×1021 Nm，相应的矩震级为8.71。
(5) 针对传统格网搜索法在反演地幔黏滞性系数时计算量大的缺陷，提出利用震后间隔较长时间数据反演稳态黏度，震后较短时间数据反演瞬态黏度的反演策略，并利用上述方法，联合GRACE和GNSS数据反演了2004年苏门答腊地震的地幔黏滞性系数。Burgers体可以很好地描述苏门答腊Mw9.3地震后的长期形变，其瞬态黏度在震后1 a起主导作用，2~4 a瞬态黏度和稳态黏度相互耦合，5~7 a稳态黏度起主导作用。远场GNSS数据反演结果的一致性较好，其中ηm=3.2×1018Pa·s，ηk=2×1018Pa·s，而不同GRACE特征点反演结果差异性较大。
GNSS对流层天顶延迟模型及映射函数研究
章迪
武汉大学测绘学院, 湖北 武汉 430079
基金项目：国家自然科学基金(41604019)
作者简介：章迪(1984—)，男，2017年6月毕业于武汉大学，获工学博士学位(指导教师：郭际明教授)，研究方向为GNSS对流层延迟高精度建模与处理算法。E-mail：zhangdi@whu.edu.cn
章迪. GNSS对流层天顶延迟模型及映射函数研究[J]. 测绘学报，2022，51(9)：1984-1984. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210100
ZHANG Di. The study of the GNSS tropospheric zenith delay model and mapping function[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(9): 1984-1984. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20210100
对流层延迟是指电磁波信号穿透中性大气层时速度和路径均发生改变的效应，具有非色散性，无法通过多频组合方式消除；由于水汽具有典型的时空非平稳特征，难以对非流体静力学分量进行精确建模。如何妥善处理对流层延迟，是提高GNSS定位精度的重点和难点问题。
通常将任意高度角方向的对流层斜延迟表达为天顶延迟与映射函数的乘积。鉴于GNSS参数估计过程中通过给定精确的天顶流体静力学延迟(ZHD)，继而对天顶非流体静力学延迟(ZWD)进行参数估计，论文重点针对ZHD模型和映射函数模型展开研究，对二者的发展历程、研究现状及存在的问题进行了剖析；系统论述了在大气折射率域进行射线追踪的原理和方法，研究了重要参数和关键算法；利用fortran语言开发了射线追踪软件WHURT。论文的主要研究工作和结论如下。
(1) 归纳总结了射线追踪的基本原理，重点对大气折射率计算、气象元素内插与外推、水汽压转换、高程系统转换及地球曲率半径等关键算法进行了分析讨论。开发了射线追踪软件WHURT，能基于探空气球观测数据或数值天气模型精确计算任意高度角和方位角上的对流层延迟。
(2) 基于全球分布的91个探空站4年的气象数据，对两个ZHD模型(Saastamoinen和Hopfield模型)及多个气象元素经验模型(STP、UNB3m、GPT、GPT2、GPT2w)的精度进行了评估，结果表明各模型误差均具有一定的纬度相关性。在气象元素模型中，GPT2和GPT2w的精度最高。ZHD模型中Saastamoinen模型优于Hopfield模型，但存在约-3 mm的系统偏差；拟合了改进的Saastamoinen模型，与射线追踪结果的吻合程度达到亚毫米级。
(3) 分析了目前GNSS数据处理中应用最为广泛的3种映射函数(NMF、VMF1和GMF)在我国境内的适用性。选取了我国境内8个代表性探空气球站点2012年全年的观测数据，与WHURT计算结果进行比较，发现各映射函数计算的流体静力学延迟偏差多表现为系统性，而非流体静力学延迟偏差多呈现随机性；NMF在中国站点普遍呈现季节性偏差，且误差存在较强的纬度相关性，其中hNMF是纬度越高、误差越大，wNMF是纬度越低、误差越大；VMF1在绝大部分站点的精度最高，但在部分站点如ZHHH(武汉)、ZGCS(长沙)等也存在较大的季节性偏差；GMF的精度介于NMF与VMF1之间。
(4) 论述了映射函数拟合的基本原理和方法，研究了三阶连分式系数的取位精度。基于欧洲中尺度气象预报中心提供的高时空分辨率产品Era-Interiam，利用WHURT进行射线追踪得到了对流层斜延迟，结果表明：在不同方位角上，不论是流体静力学还是非流体静力学分量，对流层延迟的差异是普遍存在的，其中后者的各向异性明显高于前者，在低高度角处可以达到分米级；通过对同一高度角不同方位斜延迟序列取均值后计算映射因子，拟合了新的映射函数WHMF，在卫星残差、基线内符合性和ZTD估计精度几个方面都要优于VMF1。
(5) 通过零基线试验证明：如果在基线解算过程中进行对流层天顶延迟和梯度估计，对基线的N和E分量的影响在亚毫米级；对于U分量的影响不到2 mm，且通过多时段平均后能有效地减弱此影响。通过对一条高差约为156 m、长度约为1.2 km的短基线进行解算发现：不估计对流层延迟造成了测站间8 mm的大地高差偏差；表明当两测站的高差较大时，即使基线长度较短，模型改正和双差也不能完全消除对流层延迟的影响。因此，不论基线长短，在基线解算时都应尽量对天顶延迟和梯度进行参数估计，以削弱对流层延迟误差对于定位的影响。
终审：金 君
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