Abstract:

面向建筑健康的高时效监测需求，为提升表面病害视觉检测的自动化水平，提出了场景信息引导的无人机自主巡检任务规划方法。利用场景先验信息，针对建筑结构特征，设计了平行观测和包络观测两种观测模式，实现了狭窄空间中独栋建筑的全覆盖避障巡检，获取了毫米级分辨率的整体建筑观测影像，并对巡检质量的整体评估提出了有效的量化指标。将建筑立面划分为3 720个子区域，利用深度残差网络开展了裂缝识别分类。错分13个子区域，漏分14个子区域，裂缝识别精度高。将裂缝骨架线映射到建筑三维模型，为裂缝形态与建筑整体的一体化表达提供了数据支撑。该研究将高精度三维重建与表面病害识别相结合，为建筑健康一体化监测提供了有效的观测分析手段。

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轻小型穿戴式激光扫描系统具有成本低、体积小、易操作的特点，为室内外一体化三维地理信息获取提供了一种可行方案，是传统移动测量系统的有效补充。相比现有手持及背包激光扫描系统，基于头盔的观测平台与用户视线保持方向一致，具有“所见即所得”的特点，让作业人员双手得到了解放。以自主研发的头盔式激光扫描系统“WHU-Helmet”为对象，设计了基于多尺度正态分布变换的LiDAR-IMU SLAM算法，实现了在室内外环境无缝的实时三维点云数据获取。以两个典型室内外环境为实验区域（办公楼、地铁站），将“WHU-Helmet”获取的三维点云与地面式激光扫描系统获取的三维点云对比，平均误差小于 0.44 m，均方根误差小于 0.23 m，表明了头盔式激光扫描系统在室内外一体化三维测图中具有巨大的潜力。

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水深是表征海洋浅水和海岸环境的重要地形要素，光子计数激光雷达可穿透一定深度的水体，为水深信息提取提供可靠的数据支持。以我国南海岛礁为例，利用目前唯一在轨的星载光子计数激光雷达-ICESat-2/ATLAS数据开展岛礁浅水水深提取及精度评价研究。首先根据置信度参数对原始光子数据进行粗去噪，基于点密度分布差异分离水面和水底光子；然后对水面光子采用区间估计方法精去噪，利用RANSAC算法拟合水面高程；通过改进滤波参数，基于改进OPTICS算法对水底光子进行两次聚类，实现水底光子的精去噪，进而通过折射校正和潮汐校正提取近岸水深；最后利用机载LiDAR测深数据进行验证。实验结果表明，与ATL03高置信度光子数据和AVEBM去噪结果相比，该精去噪算法具有更高的F值，分别提高了约5.87％和3.38％；水深提取结果与机载测深数据的R²为0.91，均方根误差RMSE为0.53m。

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提出了一种基于随机RANSAC模型的树木胸径自动提取算法。首先，采用布料模拟滤波（CSF）算法对林地点云数据进行滤波，获取树木、地面数据与数字地面模型（DEM）并提取树木胸径处点云，然后进行欧式距离聚类，最后基于随机random sample consensus (RANSAC）模型拟合树木模型，实现自动化的树木胸径提取。使用上海市青浦区某区域两林区样地的地面激光点云数据对该算法进行验证，与实际人工测量树木胸径的平均偏差分别为0.79cm和0.52cm。实验对比结果表明，该算法在精度与时间性能上均优于基于Hough变换的算法与基于最小二乘的算法。

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利用时间序列遥感影像重建过去几十年的地表覆盖是实现时空多维地理场景感知与动态建模的基础，但存档历史遥感影像分类面临样本选择难、多时相影像协同解译水平低的问题。研究提出了一种基于已有土地覆盖产品与对应遥感影像中几何及属性特征约束的样本时空迁移方法，将迁移获得的训练样本嵌入多时相地表覆盖分类框架，获得多期地表覆盖分类结果，实现历史时期地表环境的智能感知与动态制图。太湖流域多时相分类的结果表明，无监督样本迁移方法可以充分利用先验几何约束和光谱属性，从参考地表覆盖产品中快速获得可靠的训练样本，多时相分类精度均高于89%，满足大区域多时相地表覆盖的分类需求，为地理环境演变建模提供了有效支持。

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基于土地覆盖数据集（CLCD）产品和轮廓提取算法，系统开展了1990―2020年中国乡村聚落建筑形态、面积扩展及其时空变化研究。通过深入分析乡村聚落时空变化特征发现：在快速城镇化进程中，中国乡村人口不断减少的同时，乡村聚落呈现持续扩张的态势。2020年中国乡村聚落面积约是1990年的2倍。小面积的乡村聚落拥有更快的扩张速度，在面积到达特定阈值后开始逐渐放缓。乡村聚落扩张速度具有明显的空间差异性，西部地区的扩张速度快于东部地区。乡村聚落的持续扩张和规模扩大，一方面反映了中国城乡平衡发展取得了可喜进展，另一方面也反映了城乡建设用地“双增长”可能对农业及生态用地产生负面影响，对此应当引起高度重视。

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提出了一种基于深度卷积神经网络（CNN）的多材料结构拓扑优化方法，实现在不需要任何迭代分析的情况下，在极短的时间内预测出多材料优化结构。研究中，采用了流行的U-Net网络结构，以提高神经网络的边界提取能力。通过有序多材料SIMP（各向同性实材料惩罚密度法）插值方法（Ordered SIMP）生成随机加载条件、质量分数及成本分数下的多材料优化结构数据集，训练得到深度学习神经网络。将所提出方法的效率和精度与传统算法进行比较，对该方法的性能进行评价，结果表明，该方法在几乎不牺牲设计方案性能的前提下，显著降低计算成本。该方法对于拓扑优化在未来多材料结构设计实践中具有巨大潜力和广阔应用前景。

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通过自制发生装置在大气边界层风洞中模拟下击暴流风场，对典型开洞高层建筑进行内外压风洞试验，研究下击暴流和B类风场作用下开洞高层建筑的内压、净压特性和内压增益函数，进一步识别孔口特征参数，并将内压极值的理论计算结果与试验结果进行对比分析。结果表明，随风向角的增大，内压系数平均值和极值均先减小后增大。两侧面的净压极值最大，易发生风致破坏。开洞面由于内外压相关系数为正值，内外压作用相互抵消，其净压最小。在50°斜风向的来流作用下，内压增益幅值远大于其他风向角下的结果，且在Helmholtz共振频率处的内压能量显著增大。除70°~100°风向角外，其他风向角下内压系数极值的理论值与试验值吻合良好。

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为研究静载与冷热循环共同作用下锂渣混凝土梁的损伤机理和抗弯性能，对4组不同冷热循环次数（0、100、300）和静载水平（0、0.2、0.35）组合下的锂渣混凝土梁开展了抗弯加载试验。此外，基于轴心抗压试验得到的锂渣混凝土本构模型，通过对梁截面的受力分析，提出了冷热-荷载耦合下锂渣混凝土梁的受弯承载力计算公式。将公式所计算的结果同实测值对照，发现公式的计算结果均小于实测值，故在安全储备范围之内，可为大温差地区锂渣混凝土矩形截面梁受弯承载力的计算提供参考依据。

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基于PFC2D软件对湿捣法和落砂法制备的砂土试样进行不排水循环剪切试验模拟，分析了砂土颗粒在动力加载过程中细观结构的变化规律。结果表明，施加荷载后，试样颗粒长轴方向在压缩侧偏向水平，拉伸侧趋向竖直，而接触法向的趋势则与之相反，二者的各向异性系数均逐渐上升。试样整体配位数随荷载的作用逐渐下降，液化后于0~3范围内波动。湿捣法试样比落砂法试样的各向异性程度更小，液化所需的加载循环数更多，即具有更高的抗液化强度。密实度越高，两种试样的液化强度差别越大。

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为探究海滩对风暴潮的响应过程，采用视频监测设备和计算机视觉方法，通过设立在岸边高处的Argus相机获取海岸带彩色图像，利用改进后的Canny算法结合双阈值处理法自动提取水边线，使用相机标定获得水边线地理坐标，对多时相的水边线进行高程插值，得到海岸线位置及海滩地形。通过对秦皇岛平水桥海滩的连续监测分析，发现平水桥海滩对风暴潮过程短时响应剧烈，泥沙向西、向海输移，滩肩明显冲刷，砂质粗化，潮间带整体淤积，海滩坡度变缓，岸线向海推进4.34 m；风暴潮后的恢复期，平水桥海滩岬角掩护岸段高潮带微冲而中低潮带淤积，泥沙离岸输移； 平直岸段演变主要受中小恢复浪作用，呈现上淤下冲的态势，泥沙由中低潮带向高潮带输移。

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基于尾气排放在隧道沥青路面表面形成油膜进而导致路面抗滑性能快速衰减的工程背景，探究了湿度-尾气共同作用下沥青混合料抗滑性能的衰减规律及尾气油膜的形成机理。采用恒温恒湿养护箱及自制尾气处理系统对三种沥青混合料车辙板试件进行了不同湿度-尾气组合作用的模拟，并测试试件摆值用于表征试件的抗滑性能。除此之外，对有水（无水）尾气-沥青界面进行了分子动力学模拟，用以探究尾气油膜形成的微观机理。结果表明，在相对干燥和完全潮湿条件下，随着尾气处理时间的增长三种沥青混合料试件摆值呈现线性下降趋势，完全潮湿条件下尾气处理1h后OGFC混合料抗滑性能衰减幅度较其余两种混合料低近30%，OGFC混合料具有优异的抗滑性，并且在湿度-尾气共同作用下还具有良好的抗滑耐久性。尾气油膜导致的沥青混合料抗滑性能衰减难以自然消散且具有累积效应，是导致沥青混合料抗滑性能快速衰减的主要原因。尾气油膜主要形成在尾气排放后冷却的过程中，水分子主要存在于尾气分子附近0~5?范围内填充尾气分子间空隙，其自身较强的极性能够吸引尾气分子并有助于尾气在沥青分子表面的吸附。

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面向车用IGBT模块健康管理技术，分别从失效机理、状态监测、故障诊断、寿命预测四个方面综述国内外的研究进展，提出当前研究中存在的关键问题和技术优缺点，在此基础上，对车用IGBT模块健康管理技术今后的发展趋势做出展望。

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合理的风洞高速列车实验模型对其气动评估和研究十分重要。采用计算流体力学方法，以开口式风洞和高速列车头车为对象，研究风洞实验头车最短尾部模型和合理缩比模型的选取方法。结果表明：无侧风时头车阻力系数随着尾部模型缩短而增加，尾部负压前移使得车厢连接处压力降低，头车+0.4L尾部模型的头车阻力与3车编组头车偏差为2.8%，可作为头车气动最短实验模型。头车最大缩比模型选取受风洞边界效应、雷诺数效应和地面效应共同影响，其中雷诺数效应使得摩擦阻力减小，地面效应使压差阻力增大，1：8、1：4缩比模型与1：1模型头车的压差阻力偏差为12.7%和7.2%，压差阻力分别占头车总阻力63.9%、67.2%和72.5%。结果表明，对于开口式风洞选取1：4的头车气动实验模型更为合理。

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采用基于误差传播的直接关系图法（directed relation graph with error propagation， DRGEP）、全物种敏感性分析法（full species sensitivity analysis， FSSA）和基于反应路径法的直接关系图法（directed relation graph with path flux analysis， DRGPFA）对甲醇燃烧详细机理进行了简化，利用敏感性分析法筛选出关键基元反应，通过指前因子扰动法进行粗扰动和细扰动分析，并对甲醇简化机理进行了优化和验证。结果表明，FSSA简化机理含有16种组分、65个基元反应，能较准确的预测点火延迟时间和层流火焰速度；V6–3–4优化机理的预测精度较详细机理更接近试验值。

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渤海湾盆地是中国东部重要含油气盆地。2018年中国东部最大整装凝析气田—渤中19-6气田的发现，一举打开了渤海湾盆地深层天然气勘探的新领域，展现了油型盆地天然气勘探的巨大潜力。渤中19-6构造带具有上油下气的分布特征，为了研究该构造带油气的成藏机理，从烃源岩生排烃史、构造热演化史、岩浆活动、流体包裹体显微荧光与测温技术等方面系统分析渤中19-6构造带油气成藏史，深入研究其形成机理，认为：渤中19-6构造带凝析气田不同深度的包裹体具有相似的盐度和均一温度分布范围，且不同深度的均一温度主峰温度相同，均表现为高于地层的温度，显示了油气充注属于事件性成藏，具有穿层、瞬时、高温的特征；渤中19-6构造带岩浆活动发育，岩浆侵入加速了有机质的成熟，促进了烃源岩生排烃作用，烃源岩在短时间内大量形成凝析油气；渤中19-6潜山构造带早期形成的古油藏，受新构造运动的影响，向上调整为渤中19-4油田，同时构造活动造成岩浆上涌，伴随的超临界状态幔源CO₂液体，加速了油气运移过程，凝析油气快速充注进入渤中19-6潜山圈闭，形成现今的渤中19-6凝析气田。

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构建基于TOPSIS （technique for order preference by similarity to ideal solution） 的最优组合权重赋权模型，对上海18个研发与转化功能性平台198项专利产出进行实证分析，研究创新点表现在两个方面：通过正负理想点构建优化的组合赋权模型，避免了现有研究中没有考虑专利是否能够成功转化的弊端；通过中位数检验验证了平台效率评估模型的合理性，避免了现有研究忽略对平台专利转化效率测度模型合理性进行验证的缺陷。实证发现，该研究构建的组合赋权模型专利转化风险鉴别能力（Z=5.546）较高，可以较为科学地判定研发与转化功能性平台的实际效率。