基于广义补偿最小二乘法的航空重力向下延拓

航空重力向下延拓是病态问题,而广义补偿最小二乘法可以很好地克服病态性。研究了基于广义补偿最小二乘法的逆Poisson积分的航空重力向下延拓模型,并设计实验方案,将EGM2008地球位模型计算的重力异常作为仿真实验的数据,分别用最小二乘、Tikhonov正则化、广义补偿最小二乘3种方法求解,对其精度及仿真效果进行比较。结果表明,广义补偿最小二乘方法精度高,对仿真效果有显著提高。     

航空重力向下延拓的最小二乘配置Tikhonov正则化法

基于最小二乘配置法向下延拓航空重力的过程中,由于协方差矩阵严重病态,影响延拓结果的稳定性和精度。针对这一问题,提出了航空重力向下延拓的最小二乘配置Tikhonov正则化法。基于全球协方差函数模型建立航空重力数据与地面重力数据的协方差关系,引入基于广义交叉验证法,选择正则化参数的Tikhonov正则化法改善协方差矩阵的病态性,抑制观测噪声对延拓结果的放大影响。基于EGM2008重力场模型,设计了山区、丘陵和海域3种不同地形区域的航空重力数据向下延拓的仿真实验,实验结果验证了该方法的有效性。     

航空重力数据向下延拓的迭代Tikhonov正则化法

根据观测面和延拓面测量数据的Poisson积分平面近似关系,结合快速傅立叶变换算法,将向下延拓转换到频率域进行计算,并采用迭代Tikhonov正则化方法,克服计算的不稳定性,提高计算结果的精度,实现了航空重力测量数据的向下延拓。最后采用模拟航空重力测量数据验证了该算法的有效性,取得了较好的延拓结果。     

航空重力向下延拓病态问题的求解

提出将广义岭估计用于求解航空重力向下延拓病态问题,研究了求解逆Poisson积分问题的3种正则化方法：Tikhonov正则化、岭估计和广义岭估计。利用EGM2008地球位模型设计模拟数值实验,将飞行高度处含白噪声的2.5′×2.5′重力扰动向下延拓至大地水准面上,与参考值作外部检验,全面检验、比较了各向下延拓方法的可靠性、精度和稳定性,数值结果表明基于多个最优正则化参数的广义岭估计在延拓精度、稳定性和抗差性等方面要显著优于基于单个正则化参数的Tikhonov法和岭估计。     

航空重力数据向下延拓的波数域迭代Tikhonov正则化方法

航空重力数据向下延拓是重力场数据联合处理的重要步骤。研究了Tikhonov正则化方法以及迭代Tikhonov正则化方法在航空重力数据向下延拓中的应用,指出Tikhonov正则化方法在利用GCV法或L曲线法选取正则化参数时存在的不足以及空间域迭代法迭代不收敛的问题。波数域Tikhonov迭代正则化法的引入,有效解决了上述问题。算例结果表明,波数域迭代法迭代过程收敛,且计算精度高、速度快,值得广泛应用于航空重力数据的向下延拓。     

重力与磁力测量数据向下延拓中最优正则化参数确定方法研究

向下延拓是重、磁测量数据处理的关键步骤之一,然而,向下延拓是一个典型的不适定问题,需要采用正则化方法实现有效延拓,因此,正则化参数的确定是重、磁测量数据向下延拓正则化方法研究中最重要内容。本文根据观测面和延拓面测量数据的Poisson积分平面近似关系,结合快速傅里叶变换算法,将其转换到频率域进行计算,提高了计算速度,为了克服计算的不稳定性并进一步提高计算结果的精度,引入Landweber正则化迭代法,在此基础上采用L曲线法研究了最优正则化参数的确定,最后采用模型磁测数据验证了所确定的正则化参数的有效性,并取得了较好的延拓结果。     

地面重力数据向上延拓方法比较

利用模型梯度法和Poisson积分法将地面重力数据向上延拓,并在上延点处与航空重力测量结果进行比对。通过算例比较可知,Poisson积分法在考虑边界效应的情况下,可获得比模型梯度法更优的结果。因此,Poisson积分法可作为衡量航空重力测量外符合精度的一种手段。     

病态乘性误差模型的加权最小二乘正则化迭代解法及精度评定

针对乘性误差模型的病态问题,引入Tikhonov正则化方法,导出了病态乘性误差模型的加权最小二乘正则化解.顾及加权最小二乘正则化法在求解病态乘性误差模型时,参数估值与观测值之间存在复杂的非线性关系,本文利用一种无需求导、通过加权的方式便能够计算非线性函数的均值和均方误差阵的比例对称采样的无迹变换(scaled unscented transformation,SUT)法,对病态乘性误差模型进行精度评定.模拟算例和真实算例结果表明,本文提出的加权最小二乘正则化迭代解法可以有效减弱模型的病态性,基于SUT法的精度评定方法能够得到比已有方法更为合理的精度信息,具有较强的适用性.     

航空重力向下延拓的多参数正则化方法

为了克服航空重力向下延拓解算的病态性影响,介绍了一种多参数正则化方法,以均方误差最小为目标函数,设计了选取正则化参数的迭代算法,并比较了基于L曲线法、广义交叉核实(generalized cross-validation,GCV)方法选取正则化参数的Tikhonov正则化方法,同时给出了均方误差意义下多参数正则化解优于最小二乘估计的条件。基于EGM2008地球重力场模型进行了仿真试验,计算结果表明,多参数正则化方法能够保证向下延拓结果的可靠性和稳定性,并优于现有的Tikhonov正则化方法,验证了多参数方法在航空重力向下延拓中的可行性。     

顾及地形效应的地面重力向上延拓模型分析与检验

重力向上延拓在外部重力场逼近和航空重力测量数据质量评估中具有重要应用。本文深入分析研究了6种向上延拓计算模型的技术特点和适用条件,提出了应用超高阶位模型加地形改正、点质量方法结合移去-恢复技术实现“先向下后向上延拓”计算的实施策略,探讨了计算过程特别是前端向下延拓过程的稳定性问题。通过实际数值计算,定量评估了地形质量对不同高度向上延拓结果的影响,对比分析了不同向上延拓模型顾及地形效应的实际效果,同时对向上延拓模型计算精度进行了估计。在地形变化比较激烈的山区,地形质量对向上延拓结果的影响最大可达几十个mGal（10-5m·s-2）,当计算高度为10 km时,该项影响超过3 mGal;向上延拓计算模型误差（不含数据误差影响）一般不超过1 mGal;基于超高阶位模型和地形改正信息实施向下延拓过渡的布阿桑（Poisson）积分向上延拓模型,具有计算过程简便、计算结果稳定可靠等优点。     

航空重力向上延拓的外部精度评估

分别采用基于梯度、基于泊松积分和基于快速傅里叶变换（FFT）的地面重力向上延拓方案,并提出交叉检验方法估计地面重力数据误差及其空中误差传播,对毛乌素测区GT-2A航空重力测量系统采集的空中测线数据进行外符合精度评价。对比结果表明：地面重力格网插值误差和代表性误差对空中点的影响达到0.66~0.92 mGal（1 Gal=1×10^-2 m/s²）,航空重力数据误差估计必须扣除这一影响;基于泊松积分和基于FFT的地面重力向上延拓方法能够客观评价航空重力观测值的外符合精度,二者表现相当;扣除地面重力误差影响后,在包含残余边界效应的情况下,毛乌素测区GT-2A航空重力空中测线重力扰动的外符合精度优于1.42 mGal。     

一种改进的病态问题奇异值修正法

基于Gaussian滤波函数和Tikhonov滤波函数的联系,选择Gaussian滤波函数作为正则化矩阵,提出了一种改进的病态问题奇异值修正法——Tikhonov-Gaussian法。通过球体重力模型数据的向下延拓仿真实验,验证了改进的奇异值修正法优于标准的Tikhonov修正法。     

顾及地形效应的重力向下延拓模型分析与检验

向下延拓是航空重力测量数据实际应用中必不可少的技术环节。向下延拓属于不适定反问题,其解算过程具有较大的不确定性,故该问题一直是大地测量领域国内外学者的研究热点。本文深入分析研究了当前国内外最具代表性的3种向下延拓计算模型的技术特点和适用条件,提出了应用超高阶位模型、局部地形改正和移去—恢复技术顾及地形效应,以及位场延拓结果球面化曲面的工程化方法,重点探讨了计算模型的稳定性及数据观测误差对延拓计算结果的影响。通过理论分析、数值仿真和实测数据计算等手段,定量评估了不同向下延拓模型的解算精度及其可靠性。其主要结论是:传统逆Poisson积分模型解严重受制于输入数据观测噪声的干扰,在现有作业条件下,该模型至多只能用于1km以下高度的延拓解算;频谱截断积分和位模型加地改两种延拓新模型具有良好的计算稳定性,完全适用于2′分辨率和5km飞行高度条件下的航空重力测量数据向下延拓解算,其延拓计算精度可达2×10~(-5) m/s~2,可满足各方面实际应用需求。     

融合海域多源重力数据的正则化点质量方法

针对传统点质量方法在融合处理多源重力数据过程中可能出现的病态性问题,特别引入Tikhonov正则化方法,对点质量法计算模型进行正则化改造,建立了相应的正则化点质量解算模型。使用EGM2008位模型模拟产生航空重力和海面船测重力数据进行了融合处理仿真试验。实际验证结果表明,正则化处理方法能够有效抑制病态系数矩阵小奇异值放大噪声对点质量解的污染,提高解算结果的精度和稳定性。     

非线性参数估计的自适应松弛正则化算法

非线性方程参数估计存在的弊端在于非线性观测方程存在不适定问题时,以线性化平差估计和高斯牛顿为代表的经典数值算法会产生较强的不稳定特征。因此,针对传统非线性最小二乘求解不稳定且可靠性低的特点,基于稳定泛函极小准则最优化思想,提出了一种自适应松弛正则化数值算法。该算法采用正则化参数几何递增计算方法和残差最小步长准则,实现了正则参数和迭代步长计算的完全自适应,提高了非线性迭代收敛效率。以病态仿真数据和水下实测数据为例,验证了该方法的数值收敛解优于线性平差估计解,收敛效率优于迭代Tikhonov正则化方法。     

海洋磁力测量垂直空间归算中曲面延拓迭代方法的改进

海洋磁力测量中,由于受到海流等因素的影响导致磁力仪传感器（拖鱼）的入水深度起伏变化,测得的海洋磁场数据并不在固定的平面上。为了满足不同用户对海洋磁场数据的应用需求,必须采取合理的“曲化平”,实现整个测区磁场数据垂直空间上的统一。针对位场曲面延拓积分方程的迭代解中高阶垂向导数对高频噪声的放大问题,尝试引入Tikhonov正则化方法对其进行改进,以抑制高频噪声的影响。仿真分析表明,在选择合适的正则化参数后,改进的延拓方法可将延拓精度提高1.6 nT。实测数据分析表明,采用改进曲面延拓迭代方法,将磁测成果数据归算到曲面最低平面时,归算后交叉点磁异常不符值精度可提高2 nT,进一步验证了海洋磁力测量数据垂直空间归算的必要性。