近日,自然资源部第一海洋研究所科研人员在重力反演水深研究领域取得新进展.研究结果以"Bathymetric Prediction Using Multisource Gravity Data Derived From a Parallel Linked BP Neural Network"为题发表在国际地学TOP期刊、自然指数期刊《Journal of Geophysical Research:Solid Earth》上.高精度的海底地形数据对研究海底地质过程、海洋环流和海洋生物等问题具有重要意义.传统的海底地形数据获取方式存在测量范围有限、耗费人力财力且数据分布不均匀的缺点,短时间内难以获取全球海底地形.
国际地球参考框架(ITRF)是目前理论背景最完善、构建方法最全面、实现精度最高的全球地心基准,也是世界各国在建立区域地心基准时的重要参考.给出了国际地球自转与参考系统服务组织(IERS)最新发布的ITRF2020的理论定义,重点讨论了各专业技术组织提供的数据资源和计算模型,以及IERS在数据整合时的处理策略,并对基于震后形变(PSD)模型的位置计算进行了讨论,给出了相对于ITRF2014的改进和转换参数.ITRF2020首次区分了地球的质量中心和形状中心,并考虑了 PSD模型的季节性信号,提高了坐标框架精度,为地球科学研究和应用提供了统一基准,对精化和维持我国地心参考框架具有重要参考意义.
针对真实数据场景中点云平面特征提取易受到感兴趣区域外其他地物点云影响,造成拟合平面与实际平面相差较大、地物特征分类精度较低、参考数据可靠性差以及平面形变监测失效等问题,提出一种基于抗差估计的点云平面高精度提取与拟合方法.该方法从随机模型的角度出发,使用权函数以平面拟合残差量重构权阵,新权阵中拟合残差小的点相应权值不变、残差大的点(高程异常点)相应权值变小,以降低甚至去除异常点对平面拟合的影响,从而获得最优的平面特征数据.基于多组数据和模型的实验结果表明:所提方法较好地排除了高程异常点的影响,各组实验拟合RMSE(均方根误差)均减小75％以上,平面提取结果稳定可靠,可为平面结构形变监测提供高精度的基础数据.
多波束数据的广泛利用目前存在两个问题:一是多波束数据多以二进制等形式存储,难以直接进行读取使用;二是由于不同厂商的数据格式不同,批量处理多个来源数据的难度较大.为此,研究了 S7K、ALL、HSX、XTF、XSE、GSF共6种主流多波束数据格式及数据结构,并比较分析了不同数据格式之间的差异性.在此基础上,设计开发了一款能够自动解译并快速显示和存储所需数据的软件系统.该软件通过数据库技术管理海量数据,可以按照自定义格式存储关键数据并以文本格式输出,数据可视化图形实时检索定位,有助于提高多波束数据解译和分析的效率.
为了解决无法从CAD电子海图中,精确提取单物标水深(Single Object Depth)数据实测点位坐标的问题.以HYPACK海道测量软件生成的CAD水深图为样本,根据各种典型数字字符水深数据实例的归纳统计分析,发现了字符的宽度、高度、旋转角度、插入点坐标与实测坐标之间的数学关系,推导了根据CAD中水深字符插入点坐标反算水深实测坐标的公式.通过计算机编程,使用文件数据流I/O读写、多线程并发、数组分块等技术,直接访问CAD的DXF交换格式文件,实现了海量数据的快速读取、识别、分类、坐标推算和生成XYZ文件报表.将本文算法对各种典型和极端水深样例进行了检验,统计工程实例的反算水深坐标与原始实测坐标差值小于5 cm.
为有效解决低纬度地区磁异常资料化极处理过程中存在沿垂直于磁偏角方向放大、拉伸高频干扰等问题,进而提高磁资料解释的精度,在总结前人提出的低纬度磁异常化极方法原理的基础上,对化极转换因子进行改造,提出基于泰勒级数展开的低纬度化极法.经单模型、多模型正演数据验证和实测数据应用分析,该方法在低纬度区域化极结果准确、可靠、精度更高,有效消除磁异常沿垂直于磁偏角方向拉伸的现象.本文提出的方法明显改善了低纬度地区磁异常化极效果.
针对目前海上风电场运维阶段海缆断点快速探测及修复的需求,研究了海底电缆断点探测技术.结合具体案例,在判别特征、探测效率、干扰因素、定位精度等方面分析了声学和电磁学在海缆断点的探测能力.声学探测法具有断点判别特征明显、探测效率快、精度高、易受底质扰动影响等特点,电磁法与声学探测法存在较好的互补.实际作业中根据具体环境制定合适的探测方案,可有效提高断点探测效率和准确度.上述方法可广泛用于海底电缆断点检测领域,促进我国海上风电资源开发利用.
为满足潮间带大比例尺测图和三维建模等测绘需求,以某海岸带测量项目为基础,探索完成大面积(约6 km2)的泥沙滩无人机航测生产实践,在充分掌握潮汐变化规律基础上,制定周密规范的航摄和像控方案,实现高效、批量化生产潮间带标准化地理信息产品,定位精度满足1:500大比例尺测图需求.还提出了利用数字表面模型快速提取海岸线的新方法,实现了潮间带70％以上面积的测量作业,满足了《海道测量规范》中海岸地形测量需求,验证了无人机航测替代传统RTK碎部点测量实施潮间带地形测量的可行性.
为得到中国近海及邻域精度较高的海面地形,同时尽可能减少滤波对海面地形精度的影响,提出了联合卫星测高潮汐分析与XGM2019e地球重力场模型确定海面地形的方法,首先通过T/P系列(包括Jason-1、Jason-2、Jason-3)卫星测高数据潮汐分析得到沿迹点平均海面高,从中扣除根据XGM2019e重力场模型计算相应沿迹点上的大地水准面高得到沿迹点海面地形,最后通过Kriging插值和Gauss滤波得到研究区域内30'x30'海面地形模型.与DTU22同区域海面地形对比整体差异为±4.49 cm,与沿岸长期验潮站实测海面地形对比整体精度为±4.56 cm,高精度的海面地形为研究海流的变化提供了现实依据.
海平面不断上升威胁人类的生命安全,高精度的海平面预测对人类预防水文灾害具有重要意义.现有的预测方法因验潮站数据为单一时间序列而难以进行高精度预测.针对此问题,提出一种融合变分模态分解(VMD)和极度梯度提升算法(XGBoost)的变分模态分解-极度梯度提升预测模型,简称VMD-XGBoost模型.与XGBoost模型、卷积神经网络与长短期记忆神经网络混合模型(CNN-LSTM)、变分模态-卷积神经网络与长短期记忆神经网络混合模型(VMD-CNN-LSTM)对比,对荷兰沿岸海平面验潮站时间序列进行预测.验潮站预测结果分析表明:相较于XGBoost模型,VMD-XGBoost模型预测结果的均方根误差平均降低65.43％,平均绝对误差平均降低63.79％,平均绝对百分比误差平均降低63.44％,且相较于VMD-CNN-LSTM模型,VMD-XGBoost模型在验潮站海面高序列预测上具有更高预测精度,可实现高精度验潮站时间序列预测.
为评估海上无人船USV进行非差模糊度固定AR的PPP性能,首先基于S变换简述了多模PPP的可估模型,然后根据一组USV实测的近海多模数据评估了多系统PPP-AR的收敛时间和定位精度.结果表明:相较于浮点PPP,进行模糊度固定的PPP收敛时间减少至19.2 min,改善约33.3％;模糊度固定解在东、北、天3个方向的精度分别为1.5 cm、0.8 cm和4.8 cm,表明PPP-AR技术可较好应用于厘米级的USV定位.
针对传统的花杆测量法、GPS实测法在南极冰架高程变化监测上的覆盖范围小、操作难度大和安全成本高以及基于SAR差分干涉冰雪表面高程测量易失相干等问题.基于亚米级卫星激光测高数据ICESat/GLAS与ICESat-2/ATLAS重叠点法和克里金插值法,对Amery冰架近15年高程变化进行监测.为了纵向比较,本文以2003～2018年、2004～2019年和2005～2020年3组15年周期数据进行高程变化监测.实验结果表明:在近15年里Amery冰架冰雪物质积累区域大于减少区域,高程变化主要分布在0～±2 m之间,在冰架与大洋接壤区域高程显著升高近40m.从3组数据纵向对比分析发现,Amery冰架中部区域高程变化相对稳定,边缘区域受接壤冰盖影响年际波动相对较大.
针对电子航海图中CATZOC/QoBD属性如何赋值这一问题,在详细介绍国际海道测量组织(IHO)相关标准开发情况和深入分析其在我国适用性的基础上,提出了符合我国国情的水深数据质量等级评定方法.对标国际并结合国内实际,从基本赋值原则、降级因素、测算程序和步骤等3个方面,提出了具体可行的国内CATZOC/QoBD属性赋值思路和建议,可为我国水深数据质量等级的评定和电子航海图中水深数据置信度等级设置提供参考.
在水下高精度声学定位和声纳水深测量中,需要高精度的有效声速参量.在实际中,精确计算有效声速需要声线跟踪算法,但计算成本较高.有效声速的泰勒级数逼近作为一种有效声速的近似逼近方法,可避免大量计算成本.讨论了有效声速泰勒级数逼近公式的不同阶数逼近情况,特别是给出了两类有效声速泰勒级数逼近公式的适用条件,以及他们随高度增大适用性和逼近精度的变化.研究表明,当声速剖面稀疏时,宜采用谐波平均声速下的泰勒级数改正公式;当高度角小于50.时,有效声速泰勒级数逼近精度出现明显的衰减.
无人机多光谱遥感技术具有快速、大范围、动态监测等优势,为水环境监测和管理提供了新的研究手段.利用无人机多光谱遥感平台,进行水质参数定量反演研究.围绕红边和近红外光谱波段提出和构建了 7种水体指数,结合采样点实测浊度、透明度数据,建立水质参数反演模型,并进行模型精度分析,得出试验区域水体浊度和透明度空间分布图.试验证明:水体指数RENDWI的反射值与浊度参数相关性较高(r=0.821),采用RENDWI构建指数函数模型对于浊度的反演效果较好(R2=0.711,RMSE=2.013度);水体指数RDWI反射值与透明度相关性较高(r=0.844),采用RDWI构建二次多项式模型对于透明度的反演效果较好(R2=0.748,RMSE=7.163 cm).本文提出的水体指数与水质参数反演模型,可以定量获取河流水质分布情况,实现水质参数快速监测,为中小型地表水污染防治提供技术支撑.
针对油田井架全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)动态变形监测中存在的多路径效应,限制了变形监测的精度,提出一种BDS(Beidou navigation satellite system),双频单历元恒星日滤波方法削减多路径效应.该方法针对北斗导航卫星系统BDS不同类型卫星,通过单差残差序列提取多路径误差,并基于观测值域对各颗卫星单差残差序列进行改正,再利用LAMBDA方法固定模糊度,解算坐标.通过油田井架模拟及实际监测数据,对多路径误差改正前后的单差残差以及基线解进行分析.结果表明:该方法可以有效削弱油田井架环境的多路径效应,提高定位精度.在模拟试验中,东北天方向精度较改正前提升46.4％、35.5％、42.7％;实际工程监测试验中,东北天方向精度较改正前提升14.7％、11.4％、19.2％.
针对厦门市地面沉降研究较少、监测成果时效性缺失的问题,也为了探究厦门市地面沉降的影响因素,利用2020年1月～2022年4月共35景Sentinel-1A干涉宽幅模式雷达影像,采用SBAS-InSAR技术对厦门市全市(不包括海域)展开了地面沉降监测,利用PS-InSAR技术监测结果验证了试验成果的可靠性.结果表明:厦门市存在6个较为明显的沉降区,最大沉降速率为-30.42 mm/a,最大累积沉降量达-72.48 mm,形变区在地域上呈现出岛内稳定、岛外变动,空间上呈现东北沉降、西南抬升的分布特征.研究结果表明:厦门市地面沉降主要受地质构造、城市化建设施工、地铁线路运营和地下水位变动等因素影响.
为解决从国外数据共享网站下载的船测重力资料中可能存在的系统性误差问题,利用多尺度小波变换与相干性分析技术,基于水深与重力异常的径向对称相关性,建立针对国际重力船测数据的噪音压制方案,并利用从NOAA下载的船测重力与多波束测深数据,以及卫星测高重力模型(DTU21)开展实验,对船测重力数据中存在的系统性误差进行识别与针对性去噪处理,最终获得了较好的噪音压制效果.实验证明多尺度相干分析技术可以作为船测重力质量控制的有效手段.
为解决近岸海底电缆"最后一公里"高精度探测和定位的技术难题,在构建近岸海底电缆磁异常正演模型,分析正演曲线特性的基础上,引入超低空无人机航磁技术,对阳江风电场密集分布的近岸海底电缆进行探测,验证不同飞行高度对电缆探测效果的影响;计算平面磁异常总梯度模能够减弱局部异常之间的叠加和干扰作用,推断海底电缆走向.实验结果证明:采用观测高度为10 m的超低空旋翼无人机航磁探测,在近岸区域获得了预期探测效果;实验采用平面磁异常总梯度模的计算方法,有效提高了海底电缆的平面解析能力.
低低跟踪重力卫星在全球重力获取、反演应用等方面有着重要的战略作用,我国已布局相关卫星的研制建设.为确保未来我国自主低低跟踪重力卫星系统的高效稳定运行,重点对GRACE及其后续星组GRACE-FO卫星的组织模式和管理机制进行了系统梳理与总结分析.基于我国重力卫星技术发展研究现状,对未来卫星运行管理模式进行了探讨分析,给出了实用的工程运行管理建议,可为后续卫星运行管理提供参考借鉴.
