博士论文摘要|严俊：多波束与侧扫声呐高质量测量信息获取与叠加（内含三篇）

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《测绘学报》

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构建与学术的桥梁 拉近与权威的距离

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多波束与侧扫声呐高质量测量信息获取与叠加

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严俊

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安徽大学资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230601

收稿日期：2018-03-25

基金项目：安徽大学博士科研启动经费（J01003270）；国家自然科学基金（41576107；41376109）

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第一作者简介：严俊(1989—), 男, 2017年6月毕业于武汉大学, 获工学博士学位(指导教师:赵建虎教授), 研究方向为海洋测绘。E-mail:juny.yan@foxmail.com

Acquisition and superposition of the high-quality measurement information of multibeam echo sonar and side scan sonar

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YAN Jun

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School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China

First author:YAN Jun(1989—), male, received his doctoral degree from Wuhan University on June 2017, majors in ocean surveying and mapping.E-mail:juny.yan@foxmail.com

多波束声呐和侧扫声呐分别是目前获取海底地形与地貌图像最为有效的设备。多波束声呐可以同时获得海底测深地形与分辨率较低的海底图像，侧扫声呐可以获取高分辨率但位置精度较低的海底图像。为了准确获取海底精细的地形地貌信息，本文分别从多波束测深数据处理、多波束声呐图像处理、侧扫声呐图像处理、测深地形与侧扫声呐图像的叠加4个方面开展研究，最终得到了高精度高分辨率的海底地形地貌图像。论文的主要工作和创新如下：

(1) 多波束测深数据中残余误差综合影响削弱。多波束声呐在测量和数据处理中，尽管声速、船姿态、换能器安装偏差等因素被严格测定和校正，但它们的残余误差仍会对测深数据产生系统性影响。为此，提出了一种基于海底地形频谱特征的残余误差综合影响削弱方法。

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该方法包括4个步骤：基于多项式模型和傅里叶分析的水深数据低频和高频地形信息分离，海底地形变化趋势的重建，实际地形变化趋势和海底微地形的融合，以及改正后数据的精度评估。并且形成了两种具体的处理流程。

将该方法应用于南海某水域多波束测深数据处理中，边缘波束测深数据的平均不符值从3.382 m分别降低为0.624和0.695 m，残余误差的影响得到有效地削弱。

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(2) 多波束声呐图像中角度响应的改正。角度响应效应严重降低了多波束声呐海底图像的质量，进而影响了多波束声呐图像的应用。为此，提出了两种自适应角度响应改正方法，分别为建模法和分类改正法。

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建模法包括连续脉冲平均角度响应曲线的提取，平均角度响应曲线的平滑，角度响应参数的提取，以及角度响应改正模型的建立4个步骤。分类改正法则包括角度响应参数的优化，非监督海底分类，不同底质角度响应曲线的提取，以及基于底质分类的角度响应改正4个步骤。

两种方法均能较彻底地削弱角度响应对多波束图像的影响。试验中，对于影响最严重的镜面区中回波强度的平均不符值从3.98 dB分别改善为0.38和0.17 dB。

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(3) 顾及底质分布的侧扫声呐图像辐射畸变改正方法。受波束模式、传播损失、角度响应、拖鱼高度等影响，侧扫声呐图像中辐射畸变严重，导致图像质量较低甚至无法应用。为此，通过分析各畸变因素的特点，提出了顾及海底底质变化的侧扫声呐图像辐射畸变改正方法。

首先通过数据预处理消除了与角度无关的辐射畸变；然后根据同入射角下强度序列受影响相同的特点，对侧扫声呐图像开展了海底底质非监督分类；接着，提取出不同底质的角度-强度曲线；最后据此曲线实现辐射畸变改正。

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利用福建沿海水域的实测侧扫声呐数据对该方法进行验证，重叠区域内回波强度的平均不符值从原始的17.8 dB降低为3.6 dB，从而显著地提高了侧扫声呐图像的质量。

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(4) 多波束声呐与侧扫声呐测量信息的叠加。多波束声呐图像与侧扫声呐图像在位置和分辨率上具有较强的互补性，因而融合二者可获取高精度高分辨率的海底地形地貌图像。为此，提出了一种基于海底分类图像分区匹配实现侧扫声呐图像与多波束测深地形叠加方法。

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首先，对多波束声呐图像和侧扫声呐图像依次进行海底底质分类；然后，通过对两种底质图像分区匹配实现对侧扫声呐图像位置校正；最后，基于位置信息实现校正后高分辨率侧扫声呐图像和高精度测深地形的叠加。

通过对福建沿海水域的实测多波束声呐与侧扫声呐数据进行试验，校正后的侧扫声呐图像中特征点位置最大差值从原来的19 m降低到3 m，精细地呈现了海底地形地貌。

【引文格式】严俊. 多波束与侧扫声呐高质量测量信息获取与叠加. 测绘学报，2019，48(3)：400-400. DOI: 10.11947/j.AGCS.2019.20180130

时空叙事可视化理论与方法研究

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王双1,2

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1. 中国标准化研究院, 北京 100191;

2. 信息工程大学, 河南 郑州 450052

收稿日期：2018-04-09

基金项目：中国标准化研究院院长基金（532018Y-5953）；国家自然科学基金（41501507）

第一作者简介：王双(1983—), 女, 2017年6月毕业于信息工程大学, 获工学博士学位(指导教师:陈毓芬教授), 研究方向为时空数据挖掘与地图可视化。E-mail:wangsh@lreis.ac.cn

Research on theories and methods of spatial-temporal narrative visualization

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WANG Shuang1,2

1. China National Institute of Standardization, Beijing 100191, China;

2. Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China

First author:WANG Shuang(1983—), female, received her doctoral degree from Information Engineering University on June 2017, majors in spatial-temporal data mining and map visualization.E-mail:wangsh@lreis.ac.cn

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随着地图普适化、大众化的发展趋势，地图的角色也在悄然发生改变。从面向专家的、面向特定领域的专业地图产品，到面向大众的地图服务，地图正在以其蓬勃的生命力融入大众生活之中。如何将面向“地”的研究转向面向“人”的研究，如何将研究的视角从针对“空间”中的地理对象转向针对发生在“时间”中的各种事件，如何将复杂的、模糊的、多样的事件纳入时空参考框架中进行可视化和分析，建立符合普通用户常识性认知的可视化表达方法，是地图学大众化发展趋势中的必然要求。时空叙事可视化研究正是在这一背景下提出，旨在将历史小说、人物传记、新闻报道等不同的叙事文本作为数据源，通过叙事与地理空间技术的结合，建立从事件信息挖掘到事件可视化分析的一套完整理论、方法和技术，为拓展地理空间技术在人文社会学科中的应用范畴奠定基础。本文的主要研究内容包括：

(1) 全面梳理了叙事在地理学与地图学中的现状研究。对地理叙事、地理空间叙事等一系列相关的研究成果进行了归纳总结，认为当前将叙事与地理学、地图学相结合进行的研究还缺乏一个清晰的研究范畴界定，在理论框架、事件存储模型、文本空间到地理空间的映射、可视化方法的选择与认知研究几个方面需要进行进一步地探索。

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(2) 提出了时空叙事可视化的理论与技术框架。对时空叙事的研究范畴进行了界定，提出了针对时空叙事表达对象的叙事信息四面体模型，建立了面向叙事文本以及面向可视化场景的事件分类体系。采用定性与定量分析相结合、理论与试验相结合的手段，提出了时空叙事可视化的技术路线。

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(3) 建立了文本空间向地理空间的映射机制。设计了事件的多级存储模型和事件要素共现模型，前者能够对事件进行不同尺度地划分，并对事件序列之间的逻辑层次关系、因果关系进行建模和表达，以满足不同尺度可视化的要求；后者则是用于事件中不同要素(如地名、事件人物等)的存储和相关性分析。同时，基于地理编码技术和数字地名词典，提出了一种结合人工辅助定位方法的地理匹配模型，实现文本中定性位置信息向地理坐标的转换。

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(4) 建立了面向场景的时空叙事多维可视化方法体系。根据叙事信息四面体模型，将时空叙事进行了维度划分，对不同可视化方法的适用场景进行了分析，给出了不同场景的可视化应用示例，并对作为时空叙事可视化核心的时空维度可视化在应用中的几个关键性问题进行了分析。

(5) 开展了针对时空维度可视化方法的认知研究。结合问卷调查法、手绘草图法、眼动试验法、出声思维法等认知试验方法，对时空维度可视化中的几个关键性问题：针对时空路径的时间变形地图解读、不同尺度下时空立方体的可用性及用户对于文本中定性位置的认知特点进行了研究。在此基础上，提出了相应的可视化策略，为时空叙事可视化方法的应用提供指导性原则。

(6) 以两个典型事件为例实现了基于自由叙事文体和规范性叙事文体的事件多维可视化。针对基于自由文体的长时间跨度的历史事件，设计了一套包括历史地名映射在内的地名实体和时间信息规范化标准，实现了事件序列的多尺度存储与表达。针对基于规范性新闻语料库的事件，提出了一套新闻事件要素识别与规范化方法，设计了面向地域的事件主题词提取与可视化方法，以及考虑文本位置属性的情感计算与可视化方法。

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【引文格式】王双. 时空叙事可视化理论与方法研究. 测绘学报，2019，48(3)：401-401. DOI: 10.11947/j.AGCS.2019.20180164

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地下水变化对重力场观测的影响

贺前钱1,2

1. 东华理工大学测绘工程学院, 江西 南昌 330013;

2. 中国科学院大学, 北京 100049

收稿日期：2018-04-25

基金项目：国家自然科学基金（41621091；41674083）；中国科学院专项基金（y504191019）；江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ170447）；东华理工大学科研基金（DHBK2017151）

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第一作者简介：贺前钱(1988—), 男, 2017年6月毕业于中国科学院测量与地球物理研究所, 获理学博士学位(指导教师:孙和平、罗少聪研究员), 研究方向为地下水重力效应。E-mail:hqq@whigg.ac.cn

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Influence of groundwater changes on the measurements of gravity field

HE Qianqian1,2

1. East China University of Technology, Nanchang 330013, China;

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

First author:HE Qianqian(1988—), male, received his doctoral degree from WHIGG on June 2017, majors in groundwater hydrological effect on gravity.E-mail:hqq@whigg.ac.cn

有效消除地下水影响是利用地面重力场观测监测和研究地壳运动及地下物质运移的关键步骤之一。基于超导重力仪(SG)的高精度重力观测，可建立地下水变化与重力场变化之间的关系，一方面可以利用地下水文资料消除地下水变化的影响，增强超导重力仪对地球物理学/地球动力学信号的探测能力；另一方面可以利用超导重力仪观测资料长期连续地监测与地下水质量流动相关的各种现象，并用于地下水储量变化、土壤参数估计、水文模型约束等方面的研究。

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本文利用拉萨和武汉九峰两个超导重力台站的高精度重力观测数据和水文、气象等资料，对地下水重力效应进行了详细研究。主要内容与结论如下：

(1) 超导重力仪工作原理及其数据分析与处理。简单介绍了超导重力仪的主要部件和基本工作原理，并对超导重力仪的格值标定、数据预处理方法和调和分析原理进行了说明，以拉萨站部分超导重力仪观测资料为例进行了处理，对超导重力观测中的潮汐、气压、极移和漂移效应进行了计算和扣除，得到主要与地下水变化相关的重力残差值。相关性分析表明，拉萨站超导重力残差和地下水位高度相关(相关系数0.71)。

(2) 地下水模拟及地下水变化对重力场的影响。利用地下水流动的达西定律和表征质量守恒原理的连续性方程，详细推导了非饱和状态下的地下水渗透方程。根据有限差分法的基本原理，导出了渗透方程3种差分格式的有限差分解算方法。在获得的地下水分布基础上对地下水重力效应进行了计算。最后对比分析了不同解算方法对地下水模拟结果及其相应地下水重力效应的影响，并对其中的层间参数取值和非线性方程的线性化问题进行了探讨。结果表明，在日本Isawa超导台站，不同层间参数加权公式最大能够引起约0.15×10-8μGal的重力效应差异，影响在1.9%以内；不同差分格式和线性化方法最大能够引起约0.12 μGal的重力效应差异，影响在1.5%以内。该结果可以为一维地下水模拟及重力效应改正算法的选取提供参考。

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(3) 拉萨与武汉九峰超导重力观测站的地下水重力效应研究。利用国家气象局国际交换站的气象观测和监测水井的水位观测资料，对拉萨站和武汉九峰站的局部地下水分布及其重力效应进行了模拟。结果显示，拉萨和武汉九峰站局部地下水重力效应的峰对峰变化幅度分别达到4.88 μGal和15.94 μGal，说明对精密重力观测进行局部地下水改正的必要性。而地下水重力效应的幅度差异主要与地下水位的变化幅度大小有关。无论在时域或频域，模拟计算的地下水重力效应均与超导重力残差有着很好的一致性，这说明超导重力残差的主要信号来源是局部区域地下水的变化，该一致性也验证了本文模拟结果的正确性。此外，超导重力残差能够很好地反映出地下水重力效应随时间变化的季节性和年际性特征，因此，采用超导重力残差可以获得台站局部地区的平均地下水分布，为了解地下水的渗透过程提供重要约束。

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(4) 与全球水文模型计算结果的比较。利用不同的全球水文模型对拉萨站的局部地下水重力效应进行了计算，并与超导重力残差进行了对比。结果表明，本文地下水动力学模拟方法计算的拉萨站局部水文重力效应与超导重力残差的差异有着更小的标准差，说明相比这几种全球水文模型，本文的模拟方法能够更好地估计拉萨站的局部地下水变化及其重力效应。

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(5) 初始条件、土壤参数及地形的影响。以拉萨站为例，讨论了初始条件和土壤参数对局部地下水分布及重力效应的影响。虽然初始条件的差异能够引起较大的初始重力效应差异，但随时间的推移，初始条件引起的地下水重力效应差异迅速消失。而准确的土壤参数(渗透系数Ks及其变化率a、扩散系数Ds及其变化率b)，尤其是Ks和Ds的取值，对地下水分布及其重力效应的模拟非常重要。以武汉九峰站为例，讨论了地形对地下水重力效应计算的影响，在倾斜平板模型中，九峰山体坡度(约3.5%)对水文重力效应估计的影响约为0.06%，在可以忽略的范围内。采用精细的三维地下水渗透模型可以获得更加精确的模拟结果。

【引文格式】贺前钱. 地下水变化对重力场观测的影响. 测绘学报，2019，48(3)：402-402. DOI: 10.11947/j.AGCS.2019.20180198

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