基于高精度北斗定位的桥梁形变监测

在简单介绍北斗高精度卫星接收机的特点、工作原理、数据格式及数据处理方法的基础上,根据桥梁,特别是高速火车移动荷载作用下铁路桥具有实时振动和瞬时形变的特点,提出了桥梁形变监控的组网方式通信手段、数据输出格式、数据采样频次等关键技术的针对性处理方法,以满足桥梁形变监控的要求。     

基于高精度北斗定位的大坝形变监测

北斗大坝形变监测是北斗卫星高精度定位的一种具体应用,本文主要介绍北斗大坝形变监测系统的组成结构、数据处理流程,以及使用定位数据处理误差改正模式来提高监测精度的方法。采集的北斗卫星数据通过通信网络送到数据处理中心,解算数据得到监测点和基准站的相对位移,从而达到监测大坝形变的目的。     

基于形变模型的物体建模与分析

在物体建模领域内,传统的方法是建立三维线框模型上的纹理图像。该方法计算复杂,数据冗余量大,显示效果真实性差。近年来,在对同类物体（尤其是人脸）的建模研究中提出了形变模型（morphable model)的方法,该方法数据冗余少,显示效果逼真,在低码率编码、分析识别、身份验证、重建等方面的应用中取得了良好效果。文中回顾了近年来morphable模型的研究、发展及应用情况,并对未来的发展方向进行了展望。     

高精度曲面建模优化方案

目的 为了进一步提高高精度曲面建模（HASM）方法的模拟精度和计算速度,进而拓宽该模型的应用领域,提出了新的HASM模型算法。方法 采用新的差分格式计算HASM高斯方程中的一阶偏导数,以HASM预处理共轭梯度算法为例分析改进的差分格式对HASM的优化效果。结果 数值实验表明：在计算耗时及内存需求不变的情况下,采用新的差分格式的HASM算法可以显著提高单次迭代的模拟精度,同时能够降低关键采样点缺失对模拟结果精度的影响。进一步研究发现,当HASM采用新差分格式与原始差分格式（中心差分）交替迭代时,能够快速降低模拟结果的误差。结论 本文算法当达到指定的精度条时能够显著减小计算耗时,同时还能降低关键采样点缺失对模拟结果的影响。     

高精度曲面建模优化方案研究

目的：为了进一步提高高精度曲面建模（HASM）方法的模拟精度和计算速度,进而拓宽该模型的应用领域。方法：本研究采用新的差分格式计算HASM高斯方程中的一阶偏导数,以HASM预处理共轭梯度算法为例分析了改进的差分格式对HASM的优化效果。结果：数值试验表明：在计算耗时及内存需求不变的情况下,采用新的差分格式的HASM算法可以显著提高单次迭代的模拟精度,同时能够降低关键采样点缺失对模拟结果精度的影响。进一步研究发现,当HASM采用新差分格式与原始差分格式（中心差分）交替迭代时,能够快速降低模拟结果的误差。结论：本文基于HASM模型控制方程的离散差分改进格式,提出了新的HASM模型算法,新算法一方面当达到指定的精度条时能够显著减小计算耗时,另一方面还能降低关键采样点缺失对模拟结果的影响。     

高精度曲面建模：HASM4

为了解决高精度曲面建模方法的速度问题,在大量数值实验的基础上,将模拟迭代方程HASM3改进为HASM4。分析结果表明,HASM4的CPU时间较HASM3有了大幅度的减少,而且随着计算域栅格总数的增加,这种减少幅度呈负幂指数规律;同时,随着计算规模的增大,HASM4达到收敛所需的迭代次数较HASM3达到收敛所需的迭代次数呈直线下降趋势。HASM4减少了模型计算量,提高了模型的运行速度,其模拟精度与HASM3相比也有一定幅度的提高。     

高精度曲面建模方法的系统构建

高精度曲面建模方法（HASM）是一种基于微分几何学曲面理论的曲面建模方法。大量数值实验表明,HASM的模拟精度高于Kriging、IDW、Spline等经典的插值方法,并已成功应用于土壤属性曲面建模、气温要素、DEM构建及生态系统变化趋势等领域。由于目前的HASM程序大多是用Matlab、C++、Fortran等语言开发的,受开发工具的限制,尚没有便于使用的图形界面,阻碍了方法的推广应用。针对这个问题,利用C#语言,在Visual Studio中构建了基于windows窗体的HASM模型系统,并做了一定的数值测试实验,结果表明了该系统的有效性。     

基于载波相位差分的形变监测高精度定位算法

传统载波相位差分算法在形变监测领域适用性不足，实时动态定位（RTK）精度难以满足要求，而载波双差静态相对定位连续解算时形变跟踪性能较低等。针对这些问题，在对动静态算法深入研究的基础上，提出一种基于载波相位差分的动静态自适应融合算法。通过方差变化法实时判断定位结果是否收敛，自适应调节扩展卡尔曼滤波（EKF）状态先验估计过程。在收敛时刻增大位置参数的先验估计误差的协方差值，使EKF后验估计过程倾向于信赖测量值；未收敛时刻通过EKF迭代，使EKF后验估计过程倾向于信赖状态预测值。实验结果表明：相比传统RTK新算法精度有明显提高，水平达±2 mm内，高程达到±4 mm内；相比静态定位则缩减了观测周期，提高了微小形变跟踪性能。     

高精度曲面建模与实时空间模拟

为了弥补地理信息系统不能进行实时动态模拟的缺陷,通过QR矩阵分解,将高精度曲面建模HASM4的矩阵表达转换为求解系数矩阵为上三角矩阵和下三角矩阵的两个方程组。在此基础上,实时空间模拟问题被抽象为动态加点问题和动态减点问题,建立了适用于实时模拟的HASM5。数值实验结果表明,HASM5的加点模拟只需要对新采样点形成的矩阵进行矩阵分解;而HASM5的减点模拟只需要取原有矩阵的子矩阵计算即可。     

基于 Kinect 的拉普拉斯网格形变三维人脸建模

为了快速创建真实感较强的三维人脸模型,提出了基于 Kinect 的拉普拉斯网格形 变建模方法。利用 Kinect 获取彩色和深度图像信息,对深度图像进行双边滤波处理,对彩色图 像进行低层级顶点定位;构建标准三维人脸模型,并为该人脸模型中的顶点建立低、中、高 3 个级别的层级结构,通过低、中层级中顶点的位置关系创建 Sibson 局部坐标约束;利用该约束 构建彩色图像中间层级顶点,并结合深度信息对标准三维人脸模型进行拉普拉斯网格变形,获 得真实感较强的三维人脸模型。实验结果表明,该算法在建模的真实感上得到了提高,与对比 算法相比,在建模时间上得到很大的优化。     

GPU加速的高精度数字地面模型建模方法

以曲面轮为基础发展的高精度曲面建模方法（HASM）可以建立具有高精度的数字高程模型,但使用该方法需要求解偏微分方程离散产生的大规模线性方程组,计算量巨大,严重制约了对大规模数据的模拟应用;而现代GPU技术的发展使GPU越来越广泛地应用于通用计算加速。为了提高HASM方法的模拟速度,把高精度曲面模拟与GPU通用技术相结合,提出了GPU加速的高精度曲面建模方法。把HASM模拟过程中的有限差分离散、离散后的大规模线性系统求解分别使用GPU进行分解,使用共轭梯度（CG）和预处理共轭梯度方法（PCG）将求解任务分解为可以并行处理的独立的多任务,使得计算任务并行化,同时并行运行大规模线程,每个线程执行一个独立的任务,充分利用了现代GPU强大的通用计算能力,并行处理以获得加速。利用并行化加速的高精度曲面建模算法使用英伟达公司的统一计算开发架构（CUDA）编程实现,GPU采用该公司的Quadro 2000。分别应用该算法进行了数值实验和实际项目区数字高程模型（DEM）模拟实验。实验结果表明,充分利用GPU的并行处理能力加速后的HASM方法,在保证达到相同曲面模拟的精度条件下,和传统的CPU方法相比,算法可以获得超过一个数量级的加速。     

变形监测信息管理系统的集成化设计*

在地表变形监测工作中,由于变形观测的周期性和长期性必然会积累大量的数据和信息,如何对这些复杂而庞大的监测资料进行有效的管理和及时的计算分析,关系到变形的稳定性评价和动力学预报工作的质量。针对大地测量法周期性变形监测数据处理过程中的一些问题,提出系统软件集成的思想,即在Visual C++开发平台下,集成Access、MATLAB、MapObjects、Office等优秀软件和功能,为变形监测信息管理系统集成的总体框架及其核心体系设计合理的思路和技术路线,为进一步开发和研制该系统提供了具体方案。     

变形监测信息管理系统的集成化设计*

在地表变形监测工作中,由于变形观测的周期性和长期性必然会积累大量的数据和信息,如何对这些复杂而庞大的监测资料进行有效的管理和及时的计算分析,关系到变形的稳定性评价和动力学预报工作的质量。针对大地测量法周期性变形监测数据处理过程中的一些问题,提出系统软件集成的思想,即在Visual C 开发平台下,集成Access、MATLAB、MapObjects、Office等优秀软件和功能,为变形监测信息管理系统集成的总体框架及其核心体系设计合理的思路和技术路线,为进一步开发和研制该系统提供了具体方案。     

松散地层沉降变形FBG实时监测系统设计

为了及时发现第四系巨厚含水松散层沉降变形,提出了一种在预设钻孑L中埋入光纤Bragg光栅（FBG）传感器网络系统的监测方法。设计了松散层沉降变形的FBG实时监测系统,开发了一个储存监测数据的Microsoft Access数据库,采用MFCODBC方法访问和操作该数据库,并利用TeeChart控件动态显示实时监测曲线和历史监测曲线。该系统的监测实验表明：设备运行正常,监测系统稳定,实现了监测数据的高效处理和准确预测。     

Polynomial genetic programming for response surface modeling Part 2: adaptive approximate models with probabilistic optimization problems

This is the second in a series of papers. The first deals with polynomial genetic programming (PGP) adopting the directional derivative-based smoothing (DDBS) method, while in this paper, an adaptive approximate model (AAM) based on PGP is presented with the partial interpolation strategy (PIS). The AAM is sequentially modified in such a way that the quality of fitting in the region of interest where an optimum point may exist can be gradually enhanced, and accordingly the size of the learning set is gradually enlarged. If the AAM uses a smooth high-order polynomial with an interpolative capability, it becomes more and more difficult for PGP to obtain smooth polynomials, whose size should be larger than or equal to the number of the samples, because the order of the polynomial becomes unnecessarily high according to the increase in its size. The PIS can avoid this problem by selecting samples belonging to the region of interest and interpolating only those samples. Other samples are treated as elements of the extended data set (EDS). Also, the PGP system adopts a multiple-population approach in order to simultaneously handle several constraints. The PGP system with the variable-fidelity response surface method is applied to reliability-based optimization (RBO) problems in order to significantly cut the high computational cost of RBO. The AAMs based on PGP are responsible for fitting probabilistic constraints and the cost function while the variable-fidelity response surface method is responsible for fitting limit state equations. Three numerical examples are presented to show the performance of the AAM based on PGP.     

Polynomial genetic programming for response surface modeling Part 1: a methodology

The second-order polynomial is commonly used for fitting a response surface but the low-order polynomial is not sufficient if the response surface is highly nonlinear. Based on genetic programming (GP), this paper presents a method with which high-order smooth polynomials, which can model nonlinear response surfaces, can be built. Since in many cases small samples are used to fit the response surface, it is inevitable that the high-order polynomial shows serious overfitting behaviors. Moreover, the high-order polynomial shows infamous wiggling, unwanted oscillations, and large peaks. To suppress such problematic behaviors, this paper introduces a novel method, called directional derivative-based smoothing (DDBS) that is very effective for smoothing a high-order polynomial.The role of GP is to find appropriate terms of a polynomial through the application of genetic operators to GP trees that represent polynomials. The GP tree is transformed into the standard form of a polynomial using the translation algorithm. To estimate the coefficients of the polynomial quickly the ordinary least-square (OLS) method that incorporates the DDBS and extended data-set method is devised.Also, by using the classical Lagrange multiplier method, the modified OLS method enabling interpolation is presented.Four illustrative numerical examples are given to demonstrate the performance of GP with DDBS.     

基于图像的介入器械前端变形建模与受力估计

目的 血管介入手术中介入器械与血管壁之间的接触力对手术安全有着重要意义,然而目前缺乏直接测量器械前端与血管壁接触力的传感器和有效手段。为解决这一难题,本文提出了一种通过图像观察器械前端变形程度从而估计器械与血管壁接触力的方法。方法 通过模拟血管介入手术过程来获取介入器械导丝的变形量和与之相对应的力,从而对介入器械前端接触力与变形量关系进行建模。将介入器械前的端接触力分为垂直于接触面方向的力和沿着接触面方向的力并分别加以处理;使用介入器械前端变形段的最大曲率变化量描述器械变形量,通过图像观察导丝变形来计算导丝的最大曲率。为求解最大曲率,使用器械上3个点构成的三角形并求其外接圆曲率来表示这3点所在段的曲率,在介入器械前端进行依次遍历求取最大值以获得最大曲率。通过实验分析验证介入器械受力与最大曲率之间的关系。结果 实验表明介入器械前端的接触力与器械前端最大曲率变化率之间存在着映射关系,且这种关系能用函数表达式准确地表达出来,通过函数式来预测受力的平均误差在10%以内。结论 研究表明,通过图像分析导丝前端的变形量、估计导丝前端接触力,进而判断血管手术过程中介入器械与血管壁的接触状态的方法是可行...     

基于北斗与InSAR技术的城市水库群坝体变形监测体系研究

随着我国核心城市规模的不断扩大,城市水库群的安全问题变得非常重要。本文提出基于北斗与InSAR技术构建城市水库群坝体变形监测体系的概念,建立以InSAR卫星数据为核心的高效监测能力,并建设覆盖区域的北斗变形监测基准网,通过获取InSAR动态监测数据以及北斗卫星实时监测数据,辅助以人工监测数据,形成城市水库群坝体安全监测新模式。