关键词： 相对定位   GNSS网平差   基线权重准则   最小邻边算法   B/S架构   软件开发  

摘要： 随着互联网、智能云技术的发展,测绘科学也逐步地从传统测绘向信息测绘、智能测绘的方向发展。2020年,中国北斗系统完成全球组网,为我国高精度定位研究与服务翻开了新的篇章。目前获取高精度定位方式主要有三种:PPP、相对定位、PPP-RTK,其中PPP、PPP-RTK在单点定位领域发挥着重要作用,而相对定位在构建高精度大地控制网、地壳运动监测网、精密变形监测网等领域发挥着不可替代的作用。在高精度的GNSS控制网数据处理中,通常选用独立基线进行解算与网平差。然而,现有商业软件并不具备独立基线选取功能,同时大多GNSS控制网平差软件都是基于C/S架构实现的,不具备灵活性和跨平台能力。对此,本文旨在探讨GNSS控制网数据处理关键算法与开发一款基于B/S架构的GNSS控制网数据处理软件。本文的主要工作内容及成果如下:(1)研究与探讨了GNSS控制网数据处理原理。从相对定位模型、周跳探测与修复、整周模糊度固定等方面对原理进行了剖析,详细推导了GNSS三维无约束平差、三维约束平差原理及过程,为后面的软件开发提供了理论支撑。(2)研究与探讨了使用GNSS控制网的独立基线代替全部基线进行网平差的可行性。关于独立基线选取,从解算效率上考虑摈弃基线解算后才能获得的基线质量评价指标,研究与探讨使用基线长度和RDOP值的组合构建基线权重准则,减少了非必要基线的解算工作。针对现有的最小生成树算法,结合GNSS控制网的边多、网型复杂的特点,提出一种最小邻边的独立基线选取算法。通过香港CORS网的数据实验,验证了提出的基线提取准则和优选基线算法的可靠性。(3)随着互联网、智能云技术的发展,基于B/S架构的软件更加贴合人们的需求,也是未来软件发展的趋势。论文就该架构开发了一款GNSS控制网数据处理软件,从软件架构、需求分析、开发技术、存储设计、界面展示等方面作出了分析与介绍,实现了基线解算、独立基线选取、地图显示、网平差等功能。(4)针对论文提出的优选基线准则、最小邻边的独立基线选取算法、开发的GNSS控制网数据处理软件,开展了三个GNSS控制网数据处理实验,按照网型的大小,依次为中国矿业大学南湖校区GNSS控制网、香港CORS网、美国西海岸IGS网。从每个实验的选区概况、观测方案设计、独立基线优选方案、基线解算效率、基线解算结果和网平差结果六个方面展开论述,并将自编软件的处理结果与华测的CGO、中海达的HGO、南方的SGO软件进行了对比,得出在基线解算效率上优于其它软件、基线解算效果上与其它软件相当、网平差处理的稳定性要优于其它软件的结论。论文含有图76幅,表19个,参考文献89篇。

关键词： 井眼轨迹   数据处理   机器学习   待钻轨道优化设计  

摘要： 随着油气勘探开发力度的不断增大,精确的井眼轨迹预测和控制越来越成为制约钻井成功的关键技术。钻井井眼轨迹形成于地下,钻井工程师只能通过随钻监测传感器(MWD)测量的数据来监测井眼轨迹的变化,测量数据无法真实反应井底钻头实际情况,造成钻井井眼轨迹与设计轨道总会发生偏差,轨迹调整频繁,这些情况制约着钻井施工的顺利进行。本文借鉴前人基础研究和相关轨迹预测方法,提出了井眼轨迹数据清洗与处理方法。通过对实时工程数据和测斜数据分析,利用Python的Numpy和Pandas工具包进行了相应的数据清洗、数据融合和缺失值补全,建立了井眼轨迹数据处理流程方法;总结前人研究的四种物理计算模型并利用单井数据进行了实际应用;结合数据处理和井眼轨迹影响因素,利用两种机器学习算法:支持向量机算法(SVR)和循环神经网络(RNN),建立了井眼轨迹智能预测方法,预测精度明显优于传统井眼轨迹预测模型;建立了基于空间圆弧模型和恒工具面模型的待钻轨道优化设计方法,优化求解方法采用精英保留的遗传算法(SEGA),实际求解快速方便,可为现场井眼轨迹控制提供借鉴;最后,根据井眼轨迹预测方法及待钻轨道设计方法,结合各方法特征以及方法的求解过程,开发了水平井井眼轨迹随钻监测及调整设计软件。本文所研究的内容,对于智能钻井背景下井眼轨迹智能控制,推动钻井作业自动化和智能化发展具有一定的借鉴意义。

关键词： 区域安防   雷达数据处理技术   多目标关联   随机有限集   雷达终端  

摘要： 近年来,雷达普遍应用在民用区域安防领域。雷达数据处理系统是现代雷达系统的重要组成部分,具体是指由雷达前端输入目标的点迹,经处理后输出目标航迹。雷达数据处理过程包括了:点迹预处理、航迹起始、航迹关联、滤波跟踪、航迹终止等。将原始点迹经过数据处理后,得到目标距离、方位和俯仰角、速度等目标运动参数及状态信息,最终将这些信息显示在雷达终端软件中。在计算机技术、微电子技术的推动下,雷达终端由显像管显示阶段发展到现代的计算机显控终端,显控终端的设计更趋于人性化,实时性更好。本文以区域安防雷达为应用背景,开展了雷达数据处理及显控终端的研究,结合雷达数据处理相关算法,开发了一套区域安防雷达数据处理终端软件。本文主要研究内容和成果如下:1.研究了雷达数据处理的点迹预处理部分,包括雷达坐标系转换,野值处理,传统的点迹处理与凝聚的相关技术,有点迹数据在距离、方位上的处理与凝聚,以及最后的线性内插成唯一点迹。阐述了目标运动模型,如匀速、匀加速、曲线运动模型。探讨了航迹起始和终止,其中航迹起始算法有直观法、逻辑法、Hough变换法。介绍了经典的单目标跟踪算法,仿真对比分析了卡尔曼算法、扩展卡尔曼算法、无迹卡尔曼算法。研究了航迹关联算法,如最近邻算法、全局最近邻算法、联合概率数据互联算法,并通过仿真将航迹关联算法进行分析对比。2.介绍了随机有限集(Random Finite Set,RFS)理论。根据该理论建立多目标跟踪模型,阐述了RFS框架下的贝叶斯滤波。研究探讨了经典的随机有限集滤波概率假设密度滤波(Probability Hypothesis Density,PHD)以及它的高斯混合实现(Gaussian Mixture-Probability Hypothesis Density GM-PHD)。仿真分析了GM-PHD算法的目标跟踪性能,并提出将该算法应用于雷达数据处理中,通过多目标跟踪的实际外场实验对比,验证了GM-PHD算法性能优于传统目标跟踪滤波算法。3.基于Qt开发平台,设计开发了一套区域安防雷达终端软件。介绍了雷达系统架构和技术指标、雷达终端软件的整体架构。阐述了软件的模块化设计实现过程,包括网络通信模块、雷达控制模块、无人机反制设备模块、用户注册登录模块等。深入研究探讨了终端软件中的数据处理部分,涉及点迹预处理和航迹处理算法的具体实现过程。基于软件测试的基本方法,在不同场景的外场实验评估软件的数据处理性能,验证了软件的可靠性和稳定性。

ISBN: (纸本)9787519862480

关键词： 气象数据服务平台   微服务架构   数据可视化   注意力机制   气象数据预报  

摘要： 随着数字经济的飞速发展,气象数据早已被运用至天气预报、农业生产、航空航天和应急减灾等诸多领域。与此同时,气象数据的种类、规模和更新频次也呈现出非常典型的大数据特征。然而,目前国内外的气象数据服务平台大都采用传统的单体应用架构或SOA架构,越来越难以满足用户对于大数据量、高并发和高可用的使用需求。另一方面,如何充分发挥平台中气象数据的存量优势,挖掘出海量气象数据中所蕴含的规律,也是一项巨大的挑战。针对以上问题,本文设计并实现了一种基于微服务架构的气象数据服务平台,主要完成工作如下:(1)将平台拆分为数据共享、数据可视化和数据预报等多个服务模块,使用Spring Cloud Alibaba的一系列核心组件完成了服务的治理工作。不同服务之间彻底解耦,并且可以通过对服务的动态扩容来适应业务功能的快速增长,真正实现敏捷开发。(2)分析了平台的总体设计目标与开发准则,并根据用户需求对平台的总体框架和具体功能模块进行了详细设计。为了减少单点故障的发生,缓存和数据库的架构分别采用了哨兵模式和主从模式。(3)利用Java语言、POI函数库等技术完成了多源气象数据的解析、存储、归档和共享工作。使用Python脚本、***等技术对多源气象数据进行了可视化展示。(4)提出了一种基于改进双阶段注意力机制的气象数据预报模型DACNN-RNN(Dual-stage Attention and Convolutional Neural Network based Recurrent Neural Network)。该模型整体基于编码器-解码器架构,在编码器的输入阶段引入了目标注意力机制和卷积神经网络以对所有输入特征之间的相关性进行建模,在解码器的输入阶段引入了时间注意力机制以更好地把握长时间序列的依赖关系。该模型最终被集成于平台中,为气象数据预报服务提供了支撑。本文基于南京市真实的空气质量相关数据进行了对比实验,实验结果表明,DACNN-RNN模型在平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和决定系数(R-Square)指标上的表现均优于其他对比模型。最后对平台进行了功能测试和性能测试,测试结果表明,平台达到了预期的设计目标,目前已在中国科学院大气物理研究所内网部署并试运行。

关键词： 行为识别   Kinect传感器   数据处理  

摘要： 基于计算机视觉的人体运动进行跟踪与分析研究是许多应用中的基本技术。本文研究并开发了基于Kinect传感器的人体行为识别系统。该系统不仅经济高效,还能对提供实时的人体运动反馈。因此,本文开发集成的Kinect人体行为识别系统的主要内容包括骨骼和RGB及深度帧的数据获取、跟踪和监控人体运动、隐私感知用户注册和身份保护、以及识别过程的实时反馈。除了使用云数据库作为数据资源外,该系统还创建图形用户界面和数据可视化应用程序来实现演示统计信息。

关键词： 航迹关联   点迹凝聚   数据融合   雷达   AIS  

摘要： 海面船舶目标的监管一直都是重点的研究方向,对航行安全有着重要的意义。导航雷达与船舶AIS(Automatic Identification System)是两个常用的航行辅助设备,可以在一定程度上保证船舶的航行安全。其中,导航雷达是一种主动探测装置,在目标不配合的情况下仍能给出其运动信息来引导船舶避碰机动。而AIS需要通过被动接收目标的广播来获取目标位置,两者设备的探测方式和获取的信息种类有着极大的互补性。本文结合两者特点,对船舶监管雷达数据处理中的核心技术展开研究,具体研究内容如下:1.首先本文对导航雷达海面目标跟踪的数据处理技术展开了研究。针对扩展目标提出了一种多普勒速度信息辅助的DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)凝聚算法来计算目标的形状信息。基于相同扩展目标的多普勒速度大体一致的实际情况,该算法在使用DBSCAN进行距离邻域判断的同时也对多普勒速度进行门限判断,限制了点迹成为核心点的条件,增强了对邻近扩展目标的区分能力。针对在海杂波干扰下的目标跟踪问题,研究了一种海面目标的跟踪算法框架,利用非关联类跟踪算法的速度优势,使用GM-PHD(Gaussian Mixture Probability Hypothesis Density)算法对杂波进行滤除,将杂波密度降低后再使用JPDA(Joint Probabilistic Data Association)算法对数据进行关联,同时将目标的特征信息应用于跟踪算法框架,最终形成准确航迹。将以上三种方法进行串联,完成了导航雷达的海面目标跟踪。针对海面目标的航迹管理问题,修正了航迹管理逻辑,减少了虚假航迹的生成,使其更适合海面多目标的跟踪。并且通过仿真实验验证了本文雷达海面目标跟踪算法的可行性。2.其次本文对雷达与AIS的数据融合进行了研究,分析了数据融合中雷达数据与AIS数据的时空对准问题。为了减少不必要的航迹关联计算,使用T-D(TimeDistance)粗关联准则对两者航迹进行粗关联,提升了计算效率。考虑到航迹之间的模糊性,研究了一种基于模糊数学的多因素模糊航迹关联算法,使用隶属度来描述航迹之间的相似程度。在航迹融合方面,基于系统最小均方差,对已关联的航迹对分别计算权重,并使用统计加权的方法来完成航迹融合,不仅减少了计算量也能很好完成雷达与AIS的航迹融合。最后通过仿真实验,验证了算法的有效性。3.最后本文使用以上所提算法及其改进,结合海面目标监管需求,设计了船舶监管雷达数据处理的软件。软件包含了雷达数据处理模块,雷达与AIS航迹融合模块以及输出显示模块等,具有雷达数据实时处理,雷达与AIS数据融合以及航迹展示等功能。

关键词： 轨道式移动   激光雷达   体积测量   点云处理   三维重建  

摘要： 为了满足社会电力供应需求,火电厂会在煤棚内储存大量的煤炭保障发电。对煤炭储备进行定量化,有助于火电厂的生产规划,同时也关系到国家长期稳定的电力供应。快速、精确的煤堆体积测量方案对火电厂煤炭库存管理和煤场数字化建设有重要意义。传统的煤堆测量方案是利用人工丈量,这种方法费时费力,存在很大误差,难以实现火电厂燃料的自动化监测。本课题利用激光扫描技术,设计出基于轨道式移动激光雷达扫描的煤堆体积测量系统,并对激光点云数据的处理方法进行研究应用。本文分析了轨道式移动激光雷达系统的三维机械结构和工作原理,通过激光雷达移动移动俯视扫描的方式获取高精度的三维点云数据,研究如何基于三维点云数据计算出目标物的体积参数。在点云数据处理方面,针对激光雷达移动扫描过程中点云坐标畸变问题,采用基于惯性测量单元(IMU)线性插值的方法进行点云矫正。根据轨道式移动激光点云数据的特点,提出利用统计滤波和双边滤波剔除原始数据中的噪声点,保证三维重建的精度。利用体素栅格滤波器对庞大的激光点云数据进行精简,在保留数据特征的同时提高系统运行速度。采用随机抽样一致性算法对点云数据进行分割,提取出目标物的点云数据。利用Crust算法和基于径向基函数的隐式重建算法对点云数据进行三维重建,得到物体的网格模型,通过投影法计算模型的体积,完成体积测量系统的设计。根据对轨道式移动激光点云数据处理算法的研究,采用MATLAB App Designer完成上位机软件的开发。并通过实验室模拟实验,验证测量系统的点云采集方案和体积计算算法的可靠性。分析体素栅格的边长对体积计算精度和计算时间的影响。软件导入真实煤场数据,验证体积测量误差。结果表明,本系统能够快速测量火电厂煤棚内煤堆的体积,计算精度高,具有一定的工业应用前景。

关键词： 电磁超声测厚   预处理算法   变分模态分解法   波峰波谷差异法   联合编程  

摘要： 金属板材和管材广泛应用于工业生产、建筑和石油运输等行业。金属板材生产过程中,厚度是重要的生产指标,而输油管道使用过程中,厚度检测不到位,容易发生原油的泄露,甚至爆炸,危害人民群众财产和生命安全。厚度无损检测方法发展至今,已拥有涡流、激光、射线和超声检测等诸多方法。超声检测以其诸多优点,广泛应用于工业无损测厚领域,主要有压电超声和电磁超声检测两种。压电超声测厚相对成熟,但局限于需要使用耦合剂、待测物表面要光滑以及高温下操作困难且成本高等问题,而电磁超声测厚不仅无需耦合剂,而且操作简单,成为研究的新方向。但由于电磁超声换能器换能效率低,获得回波信号中掺杂大量噪声和干扰,信噪比较低,合理设计算法从中提取有效信号,解算精确的测厚值,对于电磁超声测厚应用具有重要意义。针对使用脉冲电磁铁提供偏置磁场的电磁铁电磁超声测厚系统厚度特征提取的问题,以电磁超声换能机理、电磁超声厚度测量原理和回波信号厚度值计算方法为理论依据,考虑到回波信号信噪比差且数据量大,直接提取厚度特征较为困难的情况,分析原始回波信号中的噪声,设计预处理算法对数据进行初步降噪,提出以平均滤波算法抑制随机噪声,通用数字滤波器滤除低频和高频噪声,小波硬阈值法抑制中高频噪声,并引入高斯多回波参数模型验证预处理算法的有效性,预处理算法可以初步提升信号信噪比,降低后续数据处理的压力。考虑到预处理后噪声仍有残留,采用改进的自适应的变分模态分解法进一步抑制噪声,改进包括以中心频率法确定K,二次惩罚项α与信号SNR关系确定α,分解信号与原始信号的Pearson相关系数确定重构模态。信号经上述算法处理后,使用波峰波谷差异法提取信号降噪后的厚度特征。搭建实验平台,获取不同标称厚度钢板和铝板试样的电磁铁电磁超声测厚实验数据,使用本文算法与其它传统算法进行处理。实验结果表明,本文算法较其它算法具有较高的测厚精度,其中24mm厚钢板的厚度解算误差为1.53%,而30mm厚铝板的厚度解算误差为1.43%。最后,为了本算法在工程应用中使用更为方便,使用Lab VIEW与MATLAB联合编程的形式,编写厚度特征提取上位机,结合数据采集卡,实现电磁铁电磁超声测厚系统的数据获取、数据处理和厚度值显示等功能。

关键词： 大数据处理   任务调度   分布式系统   Zookeeper   有向无环图  

摘要： 随着大数据时代的到来,如何对海量数据进行处理、分析,从而获取商业价值,已经成为了越来越多公司重点关注的问题,同时也给任务调度带来了不少挑战。首先,在大数据处理中,由于数据处理量极大,单机处理会给企业带来巨大的时间成本;其次,在单个数据处理的工作流中,可能存在工作流内部各个任务之间有上下游依赖的情况,如果仅通过传统的定时任务库如Quartz来处理,则十分麻烦,难以掌控;另外,虽然有诸如Airflow的调度系统利用了有向无环图的概念来构建工作流,但是因为其构建需要通过编程来实现,又形成了较高的使用门槛。针对以上大数据处理任务调度中的问题,以及考虑到实习公司在数据处理中调度规模的使用情况,单工作流可包含上百个任务,日均调度量十万级,因此,设计并实现了一款任务调度系统。采用多Master多Worker分布式系统架构,创建工作流时采用了可视化有向无环图的方式,这两个特点分别能够大幅缩短数据处理的用时以及降低使用门槛。此分布式系统基于分布式协调框架Zookeeper构建,实现了高可用性,保证在系统内,部分组件失效时仍然能够执行任务。由于许多场景下数据处理需要定时进行,因此基于Quartz实现了对定时任务的支持。任务调度系统的Web前后端分别是基于Spring Boot框架以及***前端框架实现,实现了对工作流的管理以及对任务执行日志的查看功能,为运维工程师和应用开发者提供了易于使用的交互界面。任务调度系统在实现对数据处理任务进行调度的基础上,吸取了分布式系统的可扩展性优势,以及采用可视化图模型的表达力和表现力强的优势,使得用户可以更容易的对大数据任务处理进行调度,满足了实习公司在对海量数据进行处理时,对调度系统的功能和性能需求。