海空重力测量技术体系构建与研究若干进展(三):数值模型构建与数据综合应用技术

分析评述了作者所在研究团队在海空重力测量技术体系建设领域取得的一些有理论意义和实用价值的研究成果,主要从各项关键技术的研究背景、研究思路、难点突破、成果应用前景等几个方面进行了分析和总结,回答了该研究领域涉及理论方法和工程应用的一系列科学问题。其目的之一是向读者成体系地推荐我们多年积累的研究成果,目的之二是想借此机会通过回顾和梳理研究团队的发展轨迹和科学感悟,在新的起点上定位未来的发展方向、发展目标和发展思路。分三个部分进行介绍,本文为第三部分,主要涉及海空重力测量数值模型构建与数据综合应用两个领域的研究成果。     

利用IceBridge测高数据计算海冰干舷的方法研究

冰桥计划(Operation IceBridge,OIB)自2009年启动以来,为监测南北极海冰、冰盖和冰川的变化,提供了大量高精度、高分辨率的观测数据。本文从准确、快速处理计算海冰干舷的需求出发,以南极威德尔海2017年11月14日海冰航线中机载地形扫描测绘仪1B级测高数据(airborne topographic mapper level-1B elevation and return strength, ATM L1B)4个扫描条带为实验区,提出了结合ATM L1B测高数据表面反射率截止值和高程最低点的方法来计算海冰干弦。结果表明利用表面反射率R<0.33提取冰间水道内ATM L1B点,再从中取高程最低10个点计算局部海面高是准确、可行的方法。该方法能够实现程序化快速、准确处理大量ATM L1B数据,计算海冰干舷。     

顾及局部特征的图像短直线优化方法研究

由于各种线段检测算法误差以及相片噪声、遮挡物等因素的影响,导致图像线特征要素出现断裂、重叠、连续间断线段等情况。目前的解决方法主要是以线段的自身属性为阈值判断,并利用先验经验辅助判断。提出了一种顾及局部特征的优化删减短直线特征要素的方法,以提高现有算法的自动化水平;同时从整体角度出发,引入局部整体方向的概念来改进现有算法。     

利用高分辨率光学遥感图像检测震害损毁建筑物

地震发生后,利用高分辨率遥感图像进行建筑物损毁检测,有利于快速评估灾害损失。在分析损毁建筑物梯度分布的基础上,提出了一种利用梯度局部空间统计检测震害损毁建筑物的方法。首先用Prewitt算子提取图像梯度信息;然后对梯度图像进行局部空间统计,统计各建筑物屋顶内部梯度的空间相关性,得到初步损毁检测结果;最后,在先验知识的指导下进行极小值分析和阴影检测,进一步修正建筑物损毁检测结果。分别以玉树地震后的Quickbird卫星遥感图像和盈江地震后的光学航空图像为例进行实验,结果表明,利用梯度局部空间统计检测震害损毁建筑物的方法效果优于传统损毁检测方法,总体精度达到80%以上,能够有效检测损毁建筑物。     

湛江某海上风电桩基局部冲刷特征研究

海上风电场桩基局部冲刷是工程设计与运行阶段的重要参数之一。基于湛江某海上风电场桩基3次现场局部冲刷实测数据,进行冲刷坑最大深度、冲刷坑半径和冲淤变化特征的分析与研究;根据桩基局部冲刷经验公式,采用工程海域实测海洋水文动力学数据进行最大冲刷深度与冲刷半径的计算,并进行公式计算值的对比与分 析。结果表明:桩基础在防冲刷设施的保护下,3次实测最大冲刷深度基本稳定为4.0 m,最大冲刷深度与桩径之比为0.57。而经验公式的最大冲刷深度与桩径之比均超过了1.1,说明桩基防冲刷设施取得了一定的效果,冲刷坑半径的计算值与现场实测值吻合较好。建议海上风电场在运行阶段进一步加强桩基冲刷坑监测与防护。     

淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷计算研究

在淤泥质海岸修建近海风电塔基时,局部冲刷深度是设计的主要参数,目前相关研究成果较少。针对苏北淤泥质海岸拟建的响水近海风电塔基,选取自然条件相似的胜利埕岛油田海洋平台桩基局部冲刷现场观测资料,对常用的三种桩基局部冲刷公式进行了验证比较,推荐较为适宜的计算公式。在此基础上,提出了考虑波浪作用的改进方法,并对响水近海风电塔基的局部冲刷深度进行了计算。研究结果表明:1)经过对比分析,韩海骞公式较为适宜用来计算淤泥质海岸近海风电塔基的局部冲刷深度;2)对于淤泥质海岸近海风电塔基来说,波浪作用较为重要,不可忽略,可以采用波生流的方法加以考虑。     

人工与自动大气能见度观测的对比分析

大气能见度是最重要的气象学指标之一,其准确观测对气象及相关领域具有重要意义。在实际观测中经常存在器测数据与人工观测数据差异明显的现象,用对比观测期贵阳国家基准气候站的大气能见度仪器观测与人工观测数据分析,结果表明:人工与自动观测数据还是有较好的一致性、相关性。大气无雾、污染环境下,人工观测存在主观差异,能见度观测值偏大,前向散射能见度仪自动观测结果稳定,观测数据接近大气能见度的真实值。在局部雾带、大气受污染环境下,人工观测能见度平均误差低于自动观测数据平均误差。在大气受污染环境下,前向散射能见度仪自动观测的能见度偏小。前向散射能见度仪自身的清洁度等因素对观测值起到了至关重要的影响,在仪器使用过程中应引起足够重视。     

复杂山区地形条件下ERA5再分析地表气温降尺度方法

高时空分辨率的气温栅格数据是多种地学模型和气候模型的重要输入。山区地形复杂,气温空间异质性强,如何获取高时空分辨率的山区地表气温数据一直是研究热点与难点。本文选择地形复杂的河北省张家口市作为试验区,基于局部薄盘样条函数对ERA5再分析日均近地表气温（2 m高度）进行空间插值,并利用随机森林算法,结合少量气象站观测气温数据、地形地表参数数据构建日均气温订正模型和气温逐时化模型,实现空间分辨率由0.1°（约11 km）到30 m的逐时气温降尺度,最后将该模型拓展应用于其他时间与区域,检验本文发展的降尺度方法在没有站点观测数据条件下的时空移植性。结果显示,本文降尺度方法得到的高时空分辨率山区气温数据精度较高,1月均方根误差（RMSE）平均值为2.4℃,明显优于气象站点插值结果,且气温相对高低的空间分布更为合理、纹理更加丰富;将该方法应用到其他时间与区域的RMSE平均值分别为2.9℃与2.5℃,均小于再分析资料直接插值所产生的误差。研究结果总体表明,在气象站点较少甚至没有时,可利用本文方法通过ERA5再分析气温准确获取复杂地形条件下的山区高时空分辨率气温数据。     

基于CNN的空间数据自适应切分算法

针对空间数据划分方法无法自适应选择问题,本文提出了基于CNN的数据自适应划分算法（Adaptive Partition Algorithm for Space Vector Data-Convolutional Neural Networks,SVDAP-CNN）。该算法首先基于应用场景和其他相关资源实现特征描述和表达;其次基于层次聚类设计特征矩阵表达算法,体现特征间的局部相关性以减少方法选择时间和提高选择精度;最后通过CNN模型实现空间数据自适应划分。本文选取南海区域真实数据和模拟数据进行验证,与已有的数据划分方法选择算法进行比较。结果显示：针对真实数据,SVDAP-CNN算法的精度和时间效率分别提高了24.18%和25.67%;针对特征和特征间关系表达欠完备的模拟数据,SVDAP-CNN算法的精度和时间效率分别提高了27.02%和26.80%;针对选择结果易出错的数据切分方法,SVDAP-CNN算法的精度提高了19.92%,证明了该算法有较好的普适性;另外,本文结合南海区的实际应用证明了该算法的应用可行性。SVDAP-CNN算法的提出可为大数据量、多变的自动化空间应用分析提供技术支...     

基于局部峰值约束的快速正交匹配追踪地震数据分解方法

地震信号稀疏分解在地震数据处理中起着重要作用,可以获取地震资料中蕴含的各种有用信息.正交匹配追踪算法能够较好地实现地震数据自适应分解与重构.正交匹配追踪的目标是选取与信号最匹配的子波,然而在通过内积实现时往往只着重全局尺度上的相似性,并不能保证子波与信号具有相同的位置及振幅.这里采用局部峰值约束的方法来解决这一问题,构...