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基于深度学习的城市PM2.5浓度时空分布预测及不确定性评估

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测绘学报 2024年第4期53卷 750-760页

作者：刘慧敏张陈为谌恺祺邓敏彭翀中南大学地球科学与信息物理学院地理信息系湖南长沙410083

城市PM2.5浓度的时空分布预测旨在基于有限观测样本实现研究区域内PM2.5分布的全范围感知。理想的预测模型需同时保证结果的高精度与高可靠性。然而,现有研究大多以提升精度为唯一目的,忽视了由于数据质量与模型结构的各异所导致预测结... 详细信息

城市PM2.5浓度的时空分布预测旨在基于有限观测样本实现研究区域内PM2.5分布的全范围感知。理想的预测模型需同时保证结果的高精度与高可靠性。然而,现有研究大多以提升精度为唯一目的,忽视了由于数据质量与模型结构的各异所导致预测结果的不确定性,这极大限制了高精度预测结果的可靠性与可用潜力,从而难以有效辅助空气污染治理等实际应用。为此,本文提出一种耦合不确定性评估的PM2.5浓度时空分布预测模型。通过构建以图卷积和循环网络为主的预测模块,实现PM2.5浓度的高精度预测;同时,基于对抗学习策略与变分自编码思想构建不确定性量化模块,同步揭示预测结果的不确定性水平。深圳市实际数据实证表明,本文方法能有效兼顾PM2.5浓度预测结果的精度与可靠性,能为包括监测站点布局选址在内的环境治理工作提供科学决策支持。

关键词： PM2.5 深度学习不确定性地理预测

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双分支多维注意特征融合的高光谱图像分类

计算机工程与应用 2024年第7期60卷 192-203页

作者：马亚美王双亭都伟冰河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南焦作454003

为改善高光谱图像小样本类别的分类性能,提高模型特征表达的稳健性,提出了双分支多维注意力特征融合的神经网络分类模型(DBMD)。DBMD采用两个分支分别进行光谱特征提取和混合特征提取。光谱分支通过密集连接的扩张卷积逐级提取特征,然... 详细信息

为改善高光谱图像小样本类别的分类性能,提高模型特征表达的稳健性,提出了双分支多维注意力特征融合的神经网络分类模型(DBMD)。DBMD采用两个分支分别进行光谱特征提取和混合特征提取。光谱分支通过密集连接的扩张卷积逐级提取特征,然后融合低、中、高级语义信息作为特征输出。混合分支采用3D-2D网络架构,并通过改进的Inception块提取空间尺度特征。此外,注意力机制分别应用于光谱、空间和空谱特征,进行特征细化,增强重要区域的特征响应。最后,将不同维度的细化特征联合输入至分类器进行分类。在Indian Pines和Salinas Valley数据集上利用5%和1%的样本进行实验,分别取得了98.40%和99.78%的总体精度,与其他六种网络架构相比,该模型在准确性和稳定性上都具有更优的表现。

关键词：混合特征提取注意力机制多维特征融合图像分类

基于点-体素一致性约束的城市激光雷达点云分类

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中国激光 2024年第13期51卷 243-256页

作者：李虎辰管海燕雷相达秦楠楠倪欢南京信息工程大学遥感与测绘工程学院江苏南京210044

准确高效的点云分类在场景理解和数字孪生城市建设等任务中发挥着关键作用。利用单一点、体素等视觉结构数据的点云分类方法容易丢失关键几何特征;融合多种结构数据的点云分类方法学习到不同数据的多层次、多尺度特征,但难以平衡不同数... 详细信息

准确高效的点云分类在场景理解和数字孪生城市建设等任务中发挥着关键作用。利用单一点、体素等视觉结构数据的点云分类方法容易丢失关键几何特征;融合多种结构数据的点云分类方法学习到不同数据的多层次、多尺度特征,但难以平衡不同数据之间的差异,降低了点云分类的准确性。因此,提出一个基于点-体素一致性约束的点云分类网络(PVCC-Net),用于准确分割城市场景中的不同尺寸地物。PVCC-Net采用双分支U-Net结构,体素和点分支分别负责提取粗粒度和细粒度特征,并利用点-体素一致性约束模块对齐粗细粒度特征,以减小不同粒度特征的分布差异。然后,所提网络采用点-体素自注意力机制自适应融合聚合后的粗粒度和细粒度特征,进而提升点云全局特征表达。引入Toronto3D、Semantic3D和SensatUrban三个城市场景点云数据集对PVCC-Net进行性能评估。结果显示,PVCC-Net分别取得了97.97%、93.80%和93.00%的总体精度(OA),以及82.92%、75.70%和55.40%的平均交并比(mIoU)。对比实验结果表明,相比基线方法,所提方法可以有效提升对复杂城市场景点云的分类性能,且获得更优的分类结果。

关键词：遥感点云分类体素一致性约束自注意力机制城市场景

基于GRACE和GLDAS的河南省2003—2022年地下水储量变化研究

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测绘通报 2024年第10期 46-51页

作者：王锐彭艳艳刘杰郝成元河南理工大学测绘与国土信息工程学院

河南省是中国水资源相对短缺严重的地区之一，地下水的过度消耗已成为制约该地区经济社会发展和生态环境保护的重要因素。本文基于2003—2022年GRACE、GRACE-FO卫星重力数据及GLDAS陆面同化数据，采用奇异谱插值法和时序分解法，分析了... 详细信息

河南省是中国水资源相对短缺严重的地区之一，地下水的过度消耗已成为制约该地区经济社会发展和生态环境保护的重要因素。本文基于2003—2022年GRACE、GRACE-FO卫星重力数据及GLDAS陆面同化数据，采用奇异谱插值法和时序分解法，分析了河南省近20年地下水储量的时空变化特征及影响因素。结果表明：河南省近20年地下水呈“V”形变化特征，变化速率呈现由西南至东北逐渐递减的阶梯式分布；2015年前后变化速率分别为-15.53、8.88 mm/a,东北部地区地下水由亏损转为盈余状态；对比反演结果与降水和南水北调中线工程调水数据发现，降水与地下水变化密切相关，但不是地下水长期下降的主要原因；通过南水北调工程异地调配地表水供给受水区生产生活用水而置换地下水抽采，有效缓解了地下水亏损，是地下水止跌回升的重要影响因素。本文研究结果为了解近20年河南省地下水储量的时空变化规律及更好发挥南水北调工程调水作用提供了参考依据。

关键词： GRACE GLDAS 河南省地下水储量

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河南省生态经济耦合协调度时空分析

生态学报 2024年

作者：李睿锴王冠赵宗泽张嘉芸河南理工大学测绘与国土信息工程学院

随着城镇化速度不断加快以及可持续发展理念的兴起，对城市进行生态经济耦合协调度研究有助于明确城市发展现状，评价其转型效果并对适合其的发展方向进行预测，对我国社会可持续发展具有重要的现实意义。本研究基于MODIS卫星影像，统... 详细信息

随着城镇化速度不断加快以及可持续发展理念的兴起，对城市进行生态经济耦合协调度研究有助于明确城市发展现状，评价其转型效果并对适合其的发展方向进行预测，对我国社会可持续发展具有重要的现实意义。本研究基于MODIS卫星影像，统计出河南省2000—2020年间遥感生态指数（RSEI）。基于夜间灯光数据、人口栅格数据和PM2.5数据构建了一种能够综合反映城市社会经济发展状况的遥感综合经济指数（RSCEI）。通过构建RSEI和RSCEI的耦合协调度模型，分析城市转型过程中生态和经济耦合协调情况。研究表明：（1）使用RSCEI反映城市社会发展状况，可以在社会活动的全过程对城市发展状况进行评价。相比传统的夜光遥感手段，其在经济欠发达地区反映的发展差异更加明显；（2）2000—2020年间，河南省生态环境质量呈现出“先改善后退化再恢复”的趋势。东部和西部区域生态环境质量优于中部区域；（3）2000—2020年间，河南省中心城区经济发展水平逐渐高于城市边缘区域。以第一产业为主的城市RSCEI呈现出先下降后上升的转型过程；以第二、三产业为主的城市靠近经济发达城市有利于城市社会经济发展；（4）河南省耦合协调度在2005年左右遇到转型发展中的瓶颈阶段，产业结构的调整导致耦合协调度持续下降，2015年后耦合协调度开始出现上升趋势，表明新的产业结构有利于河南省生态质量和社会经济协调发展。本研究提出的RSCEI，填补了城市生态经济耦合协调度研究领域缺乏一种能够从城市发展全过程反映发展水平的空间化指数的空白，为城市可持续发展研究提供了新的遥感参考指标。

关键词：遥感数据遥感生态指数遥感综合经济指数耦合协调度转型发展

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第二类勒让德函数的重规格化及其优化

测绘学报 2024年第7期53卷 1298-1307页

作者：张捍卫杨永勤李晓玲张华山东理工大学建筑工程与信息工程学院山东淄博255000 河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南焦作454003

椭球谐函数级数展开是地球重力场椭球谐建模的基础。然而,处理椭球谐函数级数的主要困难在于计算第二类勒让德函数。而Jekeli的重规格化方法简化了这一计算过程。本文在Jekeli重规格化的基础上,详细推导了两种基于高斯超几何函数变换的... 详细信息

椭球谐函数级数展开是地球重力场椭球谐建模的基础。然而,处理椭球谐函数级数的主要困难在于计算第二类勒让德函数。而Jekeli的重规格化方法简化了这一计算过程。本文在Jekeli重规格化的基础上,详细推导了两种基于高斯超几何函数变换的优化递归方法,同时利用这两种优化递归的方法计算了第二类勒让德函数,并将其展开到二阶导数。通过数值计算,证明了优化递归方法可以有效加快收敛,缩短计算时间,并且适用阶数更高,这使得椭球谐函数级数在实际应用中更加方便、可行。

关键词：第二类勒让德函数缔合勒让德微分方程重规格化高斯超几何函数

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结合目标轮廓和深度信息的建筑物单体化重建

测绘科学 2024年第8期 111-120页

作者：王臣姚国标王子恒梁庆坤龚健雅朱丰琪山东建筑大学测绘地理信息学院武汉大学遥感信息工程学院山东省国土测绘院

针对倾斜航空影像建筑物单体化重建过程中点云和轮廓获取自动化程度低且对数据要求高问题，该文提出了一种精细化轮廓提取驱动的建筑物三维重建方法。首先构建边缘增强模块，利用卷积神经网络对影像进行细节增强，突出目标边缘特征，随... 详细信息

针对倾斜航空影像建筑物单体化重建过程中点云和轮廓获取自动化程度低且对数据要求高问题，该文提出了一种精细化轮廓提取驱动的建筑物三维重建方法。首先构建边缘增强模块，利用卷积神经网络对影像进行细节增强，突出目标边缘特征，随后利用轻型多视图匹配网络获得高精度深度图，并利用成对视图加权模块来提升深度图的准确性。接着引入Transformer结构对建筑物进行初始提取，同时构建特征抽稀模块提高计算效率，并设计自适应优化与正则化模块用于剔除误检区域及优化建筑物轮廓。通过深度图融合生成点云进一步得到三维格网模型，基于建筑物轮廓图与三维模型实现建筑物单体化重建。实验结果表明，该文方法在深度估计及轮廓提取上均取得较好结果，并利用该文方法对德州市城区进行建筑物单体化建模，得到了精度较高的LOD-1模型。

关键词：建筑物轮廓提取多视图立体重建倾斜航空影像深度学习

基于category5月球内部结构模型的月球重力固体潮理论值计算

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地球物理学进展 2024年第2期39卷 471-479页

作者：马晨阳雷伟伟河南理工大学测绘与国土信息工程学院焦作454003

在地球、太阳和其他行星的引潮力的作用下,月球表面上任一点重力值将产生周期性的变化称为月球重力固体潮理论值.研究月球重力固体潮有助于我们更好地了解月球的内部结构、地壳运动以及月球的演化过程,这也为登月任务和月球探测提供了... 详细信息

在地球、太阳和其他行星的引潮力的作用下,月球表面上任一点重力值将产生周期性的变化称为月球重力固体潮理论值.研究月球重力固体潮有助于我们更好地了解月球的内部结构、地壳运动以及月球的演化过程,这也为登月任务和月球探测提供了重要的科学依据,帮助我们更好地探索和理解月球的特性和性质.本文阐明了月球重力固体潮形成原因,根据category5月球内部结构模型计算出月球重力潮汐因子,依据Newcomb理论,采用ELP2000-85解析星历和Eckhardt月球天平动模型,提出一个计算月球重力固体潮理论值的方法,选取Apollo11作为测站,以波形图的形式输出该测站一天、一个月、一年的月球重力固体潮理论值,并探索讨论月球重力固体潮与月震的关系.结果表明:该测站一天、一个月、一年的月球重力固体潮理论值,最大值分别为:-1309μGal、-1290μGal、-1277μGal;最小值分别为:-1343μGal、-2349μGal、-2349μGal;与地球重力固体潮(这里选择与Apollo11经度纬度相同的坐标作为测站相比),月球重力固体潮变化相对简单,但波动幅度较大;推测月球的重力固体潮与深源月震之间可能存在某种关联.

关键词：月球重力固体潮重力潮汐因子重力 category5月球内部结构模型

基于ICESat/ICESat-2卫星测高数据的黄河中上游水库水位监测

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遥感信息 2024年第1期39卷 157-166页

作者：路锦华何荣翟慧鹏河南理工大学测绘与国土信息工程学院河南焦作454100

精确地提取出内陆水库水位高程数据以及分析其变化特征,对气候和生态环境变化、水资源管理等方面的研究具有重要的意义。利用ICESat卫星2003年10月至2009年4月期间的全球地表测高数据与ICESat-2卫星2018年11月至2022年6月期间的全球内... 详细信息

精确地提取出内陆水库水位高程数据以及分析其变化特征,对气候和生态环境变化、水资源管理等方面的研究具有重要的意义。利用ICESat卫星2003年10月至2009年4月期间的全球地表测高数据与ICESat-2卫星2018年11月至2022年6月期间的全球内陆水体高程数据,对黄河流域龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底水库多期历史水位变化数据进行提取,并结合水文站实测数据对其准确度加以检验。结果显示:龙羊峡、刘家峡、三门峡与小浪底水库在水位变化上相互调节水位,确保了水库的安全运行和水资源的合理利用;通过与实测水位对比分析,龙羊峡、小浪底水库ICESat卫星测量水位与实测水位相关性系数分别为0.996、0.997,均方根误差分别为0.323 m、0.4567 m,平均误差分别为0.195 m、0.248 m;龙羊峡、刘家峡、三门峡以及小浪底水库ICESat-2卫星测量水位与实测水位相关系数分别为0.996、0.987、0.977、0.999,其均方根误差分别为0.6308 m、0.9606 m、0.7077 m、0.1354 m,平均误差分别为0.5046 m、0.7684 m、0.5661 m、0.11 m。此外,ICESat数据在一定程度上弥补了数据的缺失,表明全球地表测高数据与全球内陆水体高程数据在内陆水体水位变化监测方面具有很高的可行性。

关键词： ICESat ICESat-2 水库水位变化精度