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Journal of Geomatics

 

   

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  • 低轨卫星精密运动学定轨性能差异分析

    耿江辉;曾竞;赵磊;

    基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS),采用精密单点定位(precise point positioning, PPP)技术的低轨卫星运动学定轨是广泛研究的热点。然而不同低轨卫星搭载星载接收机性能不同,基于其星载GNSS数据的运动学定轨效果也会有所差异。本文首先介绍了GARCE-FO卫星和Swarm卫星及其星载接收机,然后从观测卫星数、伪距多路径以及信号强度对比其数据质量差异,最后基于武汉大学开源的PIRDE PPP-AR软件解算其相应的运动学轨道进行对比。结果表明,GRACE-FO卫星相比Swarm卫星可观测到的GNSS卫星数更多,其各自的伪距多路径分别为0.16~0.19m和0.3~0.44m,并且GRACE-FO卫星的信号强度分布6~9之间,而Swarm卫星L2频率上的信号强度分布在1~7之间。综合来说,Swarm卫星的观测数据质量劣于GRACE-FO。此外,GRACE-FO卫星的模糊度残差表现出良好的近正态分布特性,宽巷模糊度和窄巷模糊度的固定率可达99%和93%,而Swarm卫星的窄巷模糊度残差则分布不规则。与权威机构发布的精密科学轨道对比,GRACE-C在切向、法向和径向3个分量固定解的轨道精度分别为1.39cm、0.98cm和2.59cm,GRACE-D卫星轨道精度与GRACE-C卫星整体一致;Swarm卫星各分量的运动学轨道精度则在3~4 cm左右,相较于GRACE-FO卫星要低1~2 cm。在平差解算时降低参数之间的相关性能有效提高参数估值的精度,使用随机游走估计GRACE-FO卫星的接收机钟差来相较于白噪声在径向分量上有60%左右的提升。此外,欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)发布的Swarm卫星运动学轨道以简化动力学解算得到的模糊度作为约束来降低参数相关性,相较于本文解算的运动学轨道在径向分量上也有一定的提升。

    2024年01期 v.49;No.229 1-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 3902K]
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  • 低轨导航增强技术发展综述

    李敏;黄腾达;李文文;赵齐乐;

    低轨卫星是对中高轨GNSS卫星的重要补充,能够增强GNSS系统的精度、可靠性、完好性和可用性。随着近年来低轨星座的建设,低轨导航增强技术已经成为当前导航定位领域发展的重要方向。本文对低轨导航增强技术的现状和发展进行总结和梳理,讨论并分析了低轨导航增强技术的发展和应用需要解决的关键问题及其带来的发展机遇。

    2024年01期 v.49;No.229 10-19页 [查看摘要][在线阅读][下载 2228K]
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  • GNSS星载原子钟在轨性能评估技术进展

    黄观文;曹钰;谭粤;谢威;

    星载原子钟作为全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)的核心载荷,其在轨性能指标决定着GNSS的PNT服务水平。由于太空电磁环境复杂,原子钟实际工作指标不稳定,对星载原子钟开展长期持续性能评估就显得尤为重要。本文综述了目前星载原子钟评估技术现状,对相位、频率、频率漂移率、拟合精度、拟合残差、频率稳定度等性能评估指标进行了分析总结,归纳了基于精密钟差产品进行星载原子钟评估的数据处理方法和流程,统计了现阶段GNSS星载原子钟类型和指标水平,并采集一年的精密卫星钟差数据对GNSS星载原子钟进行了综合评估与对比分析。最后,对现阶段GNSS星载原子钟性能评估技术现状和问题进行了总结及展望。

    2024年01期 v.49;No.229 20-28页 [查看摘要][在线阅读][下载 2850K]
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技术研究

  • 基于1962至2022年极移观测值的时序分析及长期预报研究

    魏二虎;李岩林;白小宇;王广渠;刘经南;

    极移参数(polar motion,PM)是地球定向参数(earth orientation parameter,EOP)的重要组成部分,在天文大地测量、卫星的导航定位以及卫星的自主定轨等领域有重要的应用。本文首先利用国际地球自转服务(international earth rotation and reference systems service,IERS)提供的极移观测值进行极移时间序列频谱分析及周期项的提取。结果表明,快速傅里叶变换与离散傅里叶变换周期项提取到的周期项基本无差异,但极移X、Y分量时变分析结果存在差异。此外,本文将正弦逼近应用到极移参数的预报,对于长时间尺度的极移参数预报最小二乘外推模型效果最佳,但预报模型精度易受到周期项提取结果的影响;最小二乘外推模型在极移正向预报和反推拟合效果相近,借助正弦逼近方法可以一定程度上增强模型拟合效果。上述研究结果可为地球自转参数的预报研究提供参考。

    2024年01期 v.49;No.229 29-35页 [查看摘要][在线阅读][下载 2519K]
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  • 一种修正的自适应蒙特卡洛法用于非线性函数误差传播

    罗鑫磊;姜卫平;

    非线性模型广泛存在于大地测量数据处理的各个方面。误差传播定律是精度评定理论的基础。非线性函数的误差传播计算通常采用近似函数法,然而,在处理多维复杂的非线性函数时,近似函数法存在导数运算困难且繁琐的缺陷。自适应蒙特卡洛法虽然可以避免导数运算,但其受不完善的计算终止条件影响,在实际计算中存在一定几率提前满足数值容差,进而输出不准确的计算结果。针对上述问题,本文改进现有自适应蒙特卡洛法,并设计了一套用于非线性函数误差传播的修正自适应蒙特卡洛方法。算例结果表明,本文方法可以避免自适应蒙特卡洛法过早结束模拟计算的缺陷,从而获得更为准确合理的非线性函数误差传播结果。

    2024年01期 v.49;No.229 36-41页 [查看摘要][在线阅读][下载 1477K]
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  • 格陵兰GNSS测站坐标时间序列噪声分析

    范峥研;姚宜斌;张豹;

    自2007年来,格陵兰地区逐步建立了50多个GNSS连续观测站用以监测冰川质量变化导致的地壳回弹,至今已累计了超过15 a的坐标时间序列,这使得确定坐标时间序列的噪声特性成为可能。本文选取了格陵兰53个GNSS观测站自2008-2018年共10 a的坐标时间序列,利用功率谱分析和极大似然估计对其噪声特性进行了分析,并基于最优噪声组合估计了格陵兰测站的位移速度及其不确定度。利用贝叶斯信息准则作为评估依据的结果表明,闪烁噪声和白噪声+闪烁噪声的组合可以解释33%的测站噪声,幂律噪声可以解释52%的测站噪声,其余测站可用随机游走或一阶高斯马尔科夫噪声来解释。在利用极大似然估计分析测站坐标时间序列时,对于对97%的测站位移分量的速度估值而言,不同噪声模型的影响小于0.1 mm/a,最大为0.31mm/a,但不同的噪声模型会导致测站位移速度的不确定度的最大估值和最小估值之间存在1.3~7.1倍的差异。因此准确地确定测站坐标序列的噪声模型对于准确估计测站位移速度及其不确定度是十分重要的。

    2024年01期 v.49;No.229 42-49页 [查看摘要][在线阅读][下载 2495K]
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  • 运动状态下MEMS IMU随机误差的Allan方差分析方法

    樊子懿;王甫红;祝浩祈;

    在车载全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)/微机械系统(micro-electro mechanical system,MEMS)惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)组合导航滤波解算时,通常使用MEMS厂商标定的加速度计和陀螺仪的随机模型参数(简称为标称参数)。这些标称参数由传感器厂商在静止状态或通过实验室转台设备来测定,是否适用于运动状态下的组合导航滤波解算并获得最优的定位精度,需要进一步研究和评估。本文提出了一种运动状态下MEMS IMU随机误差的Allan方差分析方法,将不同精度等级的IMU安装在同一车载平台上同步采集观测数据,用高精度IMU观测数据提取车辆运动信息,然后从低精度MEMS IMU观测数据中剔除车辆运动信息得到类似静止的观测数据,进行Allan方差分析,获得运动状态下的MEMS随机模型参数,并将其应用于GNSS/惯性导航系统(inertial navigation system,INS)组合导航解算。试验结果表明,采用运动状态下标定的随机模型参数,组合导航的定位精度优于标称参数的定位精度,在城市复杂观测环境下,当GNSS观测中断89 s时,MEMS IMU的组合导航定位精度可以保持在1.2 m,与使用标称随机模型参数相比,定位精度提升达80%。

    2024年01期 v.49;No.229 50-55页 [查看摘要][在线阅读][下载 4006K]
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  • 一种附加钟速约束的GNSS TDCP测速改进方法

    陈爽;刘万科;王颖喆;陶贤露;

    GNSS(global navigation satellite system)载波相位历元间差分(time-differenced carrier phase,TDCP)测速方法因其高精度、无收敛等优势而被广泛应用于动态导航定位中,但受限于观测环境引起的多维粗差与数据异常,TDCP的实际测速精度和稳定性通常难以保证。本文提出了一种附加钟速约束的TDCP测速改进方法,利用GNSS接收机钟速低频变化的特性,通过多项式拟合进行接收机钟速参数的短期预测,当钟速估计值偏离预测时,将拟合值作为约束条件回代到观测模型中重新进行速度估计,从而克服粗差的影响,提升TDCP测速的精度与稳定性。通过Ublox-F9P接收机和Huawei Mate40手机在城市复杂环境下的车载实测数据进行了算法验证,结果表明:附加钟速约束后,Ublox-F9P和Huawei Mate40的E、N、U方向测速精度RMS分别为0.11 m/s、0.10 m/s、0.14 m/s和0.20 m/s、0.19 m/s、0.18m/s,水平测速精度分别提升了84%和45%,高程测速精度分别提升了33%和10%。

    2024年01期 v.49;No.229 56-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 1968K]
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  • 利用GNSS历元间差分测速方法反演地震三要素

    胡星辉;方荣新;郑佳伟;吕黄晖;

    利用高频全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)记录监测地震可有效弥补传统地震仪近场观测量程饱和、基线偏移等问题。相比于GNSS精密单点定位(precise point positioning, PPP),历元间差分测速方法可避免PPP收敛时间较长、需要外部改正数的问题,且测速方法获取的地震波形具有更高的信噪比。以2021年5月21日青海玛多MS 7.4地震为研究对象,提出利用载波相位历元间差分方法对该地区1 Hz高频GNSS数据进行处理,得到测站速度波形,并确定出玛多地震的震中位置、震级和发震时刻等参数。与中国地震局公布的结果比较,震中位置平均值相差约2.07 km;震级平均值相差约0.06个震级单位;发震时刻平均值相差4 s。结果表明,高频GNSS历元间差分测速方法反演地震三要素具有非常好的准确性与实用性。

    2024年01期 v.49;No.229 62-66页 [查看摘要][在线阅读][下载 1744K]
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  • GNSS形变监测静态基线网中多基线联合解算两步法

    王颖;舒海翅;唐卫明;

    GNSS(global navigation satellite system)静态基线网的解算方法通常采用单基线解算模式或多基线解算模式。这两种方法均有一定的局限性。本文综合两类方法的优点,提出了单基线和多基线联合解算模式的两步法。首先基于单基线模式利用多频率的载波相位观测值解算监测站间的双差整周模糊度,并使用严格的固定准则确定模糊度;然后利用多基线模式进行联合坐标和天顶对流层参数的估计,再结合最小二乘估计解算定位结果。选取国内某水电站静态形变监测数据为研究对象,进行基线解算方法测试和分析。实验结果表明多基线联合解算两步法在精度和可靠性上有较大优势,平面定位精度为亚毫米级,高程定位精度提高1~2倍;并可以明显改善基线网的解算速度,在高精度变形监测应用中具有可行性与通用性。

    2024年01期 v.49;No.229 67-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 1670K]
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  • 北斗与GPS大坝变形监测精度比较分析:以三峡茅坪溪防护坝为例

    童广勤;陈远瞩;姜卫平;卢星海;陈渠森;

    以三峡茅坪溪防护坝为研究对象,对北斗与GPS大坝变形监测精度进行了对比分析。结果表明,目前北斗与GPS变形监测精度基本相当。其中,24 h时段解平面精度优于0.5 mm,高程优于1 mm,4 h时段解精度平面优于1 mm,高程优于2 mm。使用单一北斗系统能够达到毫米级的观测精度,满足大坝外观变形监测的相关技术要求。

    2024年01期 v.49;No.229 72-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 1853K]
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  • 无验潮测深中的GNSS定位影响因素分析及对策探讨

    冉崇宪;黄剑飞;夏林元;李军霞;蔡岳臻;

    通过实测GNSS(global navigation satellite system)数据的动态差分后处理(post processed kinematic,PPK),对无验潮测深中的GNSS定位影响因素进行了分析,结果表明:(1)海面环境的多路径效应大于陆地环境,基准站多路径效应集中在0.15~0.3 m,而流动站则主要集中在0.3~0.5 m,对于多路径效应这类难以模型化的误差,可以通过观测环境的优化选择、GNSS接收机的软硬件升级和改良来削弱其影响。(2)粤港澳大湾区电离层较为活跃,尤其是在下午时段,当基准站距离船载移动站较远时,电离层影响的空间相关性明显降低,GNSSPPK定位方式无法很好地消减电离层延迟,测深结果受到影响较大,可以采取加设距离较近的基准站、合理安排作业时间等措施来缓解电离层延迟对GNSS定位的影响。

    2024年01期 v.49;No.229 76-81页 [查看摘要][在线阅读][下载 2422K]
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  • 结合U-net与FPN的地震初至波拾取算法

    何彬;周云耀;吕永清;

    精确识别初至波以及拾取地震初至波初至时间对于地震的精确定位、地震孕震机制的解释、地震预警等都具有很大的意义。单纯地依靠地震学专家进行分析会耗费大量的人力和时间。本文将U-net模型编码、解码语义分割的思想与特征图金字塔网络(feature pyramid networks,FPN)的思想结合,提出了一种新的初至波初至时间拾取算法,满足高精度识别与拾取初至波的需求。算法模型分为编码、解码两部分,编码部分分为四层,用于捕获特征,通过卷积核大小、步长等参数实现特征由低层级到高层级的抽象和提取。解码部分分为四层,通过对前一层进行反卷积上采样实现。最后,将编码、解码部分对应层级特征图组合,通过两层全连接神经网络实现最终结果输出。与传统算法相比,U-net FPN模型在对初至波初至时间的分类与定位上都有着显著提升。

    2024年01期 v.49;No.229 82-87页 [查看摘要][在线阅读][下载 1822K]
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  • 5G条件下北斗高精度导航定位技术与应用

    赵鹏;厉芳婷;张亮;梁斌;蔡冰;

    基于对北斗+5G导航与位置服务技术的综述和分析,探讨了其技术原理、关键技术(高精度定位算法、多模式导航融合等)以及应用前景,并对相关研究和发展进行了展望。

    2024年01期 v.49;No.229 88-90页 [查看摘要][在线阅读][下载 1743K]
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  • 一种可提高室内视觉SLAM的结构线特征选择方法

    姜可;詹总谦;王鑫;

    室内场景由大量的平面和直线构成,且经常存在纹理单一而少的情况,这会使得产生的点特征稀少且分布不均匀,从而导致传统的以点特征为观测值的视觉同步定位与建图(simultaneous localization and mapping, SLAM)容易产生不准确的定位结果。本文针对室内场景,在基于点特征的视觉SLAM基础上,引入线特征作为额外的观测值。针对与运动方向平行的线特征对运动估计的几何约束较弱的不足,提出一种能从线特征中筛选出与运动方向不平行的线特征的方法,选择与运动方向不平行的结构线特征参与平差优化,提高室内视觉SLAM的定位精度。实验表明,在公开数据集上,使用本文的方法后,定位精度能在基本不影响实时性的条件下提高15%左右。

    2024年01期 v.49;No.229 91-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 1825K]
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  • 稳健的CRTSⅢ轨道板关键面提取算法

    贾仕强;张同刚;陈婷婷;李文君;金国清;

    针对CRTSⅢ轨道板关键面提取易受和关键面相连的离群点(OCTKP)影响的问题,提出了基于最大值准则的轨道板关键面提取方法,为承轨台的空间位置和姿态的确定提供了技术支撑。轨道板关键面为各承轨台的承轨面及其左右挡肩面,均为平面。该方法通过首先通过提出的最大值判断准则将大部分OCTKP排除在外,以避免这部分点对单位权中误差计算的影响,然后再采用基于IGGⅢ方案的稳健平面算法获取轨道板的关键面,并用模拟数据确定了判断OCTKP的阈值。采用实测点云进行试验,基于最大值准则的轨道板关键面提取方法能准确获取CRTSⅢ轨道板所有关键面,这些关键面的平均姿态偏差为0.09°,平均距离偏差为7.8 mm,满足了承轨台的空间位置和姿态确定的需要。这些关键面中权值非零的点到拟合平面的平均距离为0.1 mm,与直接采用IGGⅢ方案的稳健平面提取方法相比,点到待拟合平面的距离精度提高了83.3%。

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  • 基于GPT3和傅里叶函数构建长三角地区ZHD模型

    李黎;许思怡;高颖;卢厚贤;陈国栋;王晓明;

    针对GPT3模型的对流层干延迟(GPT3-ZHD)存在明显周期性误差的问题,以2016—2020年长三角地区的7个GNSS站数据为参考,分析GPT3-ZHD残差的季节性周期变化,并利用多阶傅里叶函数建立一种新的ZHD改进模型,同时分析基于改进模型的PWV反演精度。实验结果表明:1)与GNSS相比,GPT3-ZHD和GPT3-PWV的Bias均值分别为-0.49 mm和2.72 mm,RMS均值分别为2.06 mm和11.08 mm;2)基于GPT3和傅里叶函数改进的ZHD模型Bias和RMS均值分别为-0.01 mm和0.52 mm,比GPT3模型分别提升0.48mm和1.54mm,精度改进明显;3)基于GNSS-ZTD、GPT3-Tm和改进ZHD所得PWV的Bias和RMS均值分别为0.46 mm和0.52 mm,比GPT3-PWV分别提升2.26 mm和10.56 mm。总体而言,基于GPT3和傅里叶函数的ZHD改进模型精度优于GPT3-ZHD,并可有效应用于长三角地区的实时高精度PWV反演。

    2024年01期 v.49;No.229 104-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 2159K]
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  • 湖北省北斗地基增强系统坐标时间序列分析

    魏以宽;邹崇尧;陈钧;周星宇;修延霞;邵蕊;

    解算了湖北省北斗地基增强系统的北斗坐标时间序列,并对坐标时间序列性能进行了分析,最后给出北斗和GPS坐标时间序列对比分析方法及案例,从而为省级连续运行基准站快速更新维护提供一种参考方案。

    2024年01期 v.49;No.229 109-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 1743K]
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  • 北斗数据质量分析软件设计、实现与分析

    余雷;庞先明;晏卫国;杨瀚融;

    数据质量分析是全球卫星导航定位系统(global navigation satellite system, GNSS)数据处理的重要内容,也是保障北斗自动化变形监测等工程应用服务质量的技术基础。本文设计实现了北斗数据质量分析软件BDQA(BeiDou Quality Analysis),并验证了其处理能力。结果表明,BDQA软件处理效率较高,并行处理BJFS等10个国际GNSS服务组织(International GNSS Service, IGS)跟踪站24 h数据的耗时为15 s。在软件可靠性方面,以贵州汪官水库7 d观测数据为对象,BDQA处理水平与Anubis相当,两者处理结果的一致性较高。在实时处理方面,对汪官水库数据采用4 h解模式进行了处理,结果表明该水库北斗数据质量较高,MP2、MP6数值上均小于10 cm,且相对稳定,MP2、MP6时间序列的标准差均小于1 cm,这也反映了该水库北斗测站的观测质量满足高精度、自动化变形监测的实施要求。

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  • 基于天顶轴速度零点的行人步数检测

    刘俊求;夏林元;

    针对现有峰值检测算法适用性较低和深度学习方法算力要求较高的问题,研究和完整阐述了步态规律和数据特征,通过分析步态规律提出了基于天顶轴速度零值的行人步数检测算法。通过将载体坐标系下的加速度计数据转换到地理坐标系下,使用经验模态分解、趋势项剔除等方法提取出每一步中的有效天顶轴速度零点,统计有效零点的个数作为步数。在多种行走状态下的实验表明,相比改进的峰值检测模型,本模型的准确率与可靠性有明显提升,在行人过快或过慢行走时提升效果更为显著。

    2024年01期 v.49;No.229 118-123页 [查看摘要][在线阅读][下载 2134K]
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  • 基于数字高程模型的天气雷达选址软件设计

    伍立坤;李力;段齐欢;郭越凡;

    针对各型天气雷达大量建设部署,却仍缺少准确直观判断单站雷达净空环境和组网雷达探测盲区分析软件的问题,设计开发了一种基于数字高程模型的天气雷达选址软件。软件使用雷达站点、数字高程模型、遮挡障碍物等地理信息数据,处理绘制单站雷达遮蔽角图、等射束高度图及组网雷达等射束高度拼图。通过Python语言编程,结合数字高程模型计算雷达站点的遮挡仰角、遮挡方位与等射束高度最大探测距离,分析所选站址净空条件。利用湖北省天气雷达网作为实际应用背景,与视程客观分析软件展开结果比对。实验结果表明:天气雷达选址软件应用数字高程模型等地理信息数据可算出拟选站址四周的遮挡情况,显示天气雷达的实际探测范围,为雷达建设组网提供技术支撑。

    2024年01期 v.49;No.229 124-129页 [查看摘要][在线阅读][下载 2639K]
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  • 无人机飞行因子对航线精度的影响分析

    邹崇尧;闵天;许伟;孔令博;陈刚;

    基于开源ArduPilot平台框架,开发了一款高原复合交变式航测无人机,并对软硬件自动控制系统进行了二次优化开发,实现了机载BDS+GPS/IMU定位系统与多传感器数据融合,对该系统采用事后差分方式获取的机载动态POS数据进行了定量分析。首先,对飞行获取的BDS+GPS数据进行精度评定,发现BDS/GPS动态PPP其E/N/U方向的均方根分别为2.45 cm、2.18 cm、1.71 cm,2.28cm、1.84 cm、2.56 cm。其次,应用因子分析模型将影响航线精度的五类因素归化为3类主因子。最后,应用多元回归模型分析得出三类主因子之间的线性关系,在航线规划时要对设计的x1、x2值分别往东、南方向偏离1.373 m、1.163 m。在空三加密时对x3、x4、x5进行0.301°、―0.164°、―3.338°量值改正调整。通过上述改正,可为今后该系统航线优化设计及数据处理提供参考。

    2024年01期 v.49;No.229 130-137页 [查看摘要][在线阅读][下载 2032K]
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  • 改进代价计算的AD-Census立体匹配算法

    胡璕;叶世榕;余振宝;黄亮;

    针对现有AD-Census代价计算时,Census变换依赖中心像素,对场景光照、亮度敏感的问题,提出一种基于子区域均匀度变换的改进代价计算方法。对Middlebury数据集在无幅度失真、不同亮度、不同光照场景下的代价计算以及立体匹配实验的统计结果表明,改进后的算法在非遮挡区以及所有区域的误匹配率均低于改进前,在代价计算环节,整体区域平均降低了5.80%,最终立体匹配后的视差图平均降低了1.55%。改进后的算法在不同亮度以及不同光照场景下对匹配的精度提升更加地显著,验证了改进算法的有效性。

    2024年01期 v.49;No.229 138-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 2962K]
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