第33卷第3期
2008年5月
测绘科学
ScienceofSurveyingandMapping
V01.33No.3
Mav.
最小二乘配置的SVD分解解法
鲁铁定①②,宁津生①,周世健鳓,臧德彦②
(①武汉大学测绘学院,武汉430079;②东华理工大学地球科学与测绘工程学院,
江西抚州344000;③江西省科学院,南昌330029)
【摘要】最小二乘配置最初是在组合各种资料来研究地球形状与重力场的一种数学方法,目前最小二乘配置已经在测绘数据处理中得到广泛应用。本文首先分析了目前采用的最小二乘配置法解算方法,在讨论了矩阵的奇异值分解(SingularValueDecomposition,SVD)方法的基础上,推导得出了矩阵SVD分解与广义逆矩阵的关系,得出了可以直接利用SVD分解求解矩阵的Moore.Penrose广义逆,并推导了应用SVD分解求解最小二乘配置的估值计算公式和精度估算公式,最后通过重力异常实例进行了计算,得出矩阵的SVD分解用于最小二乘配置解算的正确性和可行性,为最小二乘配置的求解提供了一种新方法。
【关键词】最小二乘配置;奇异值分解(SVD);重力异常
【文章编号】1009-2307(2008)03-0047-05【中图分类号】P22【文献标识码】A
DOI:10.3771/j.issn.1009-2307.2008.03.016
1
引言
最小二乘配置起源于根据最小二乘推估来内插和外推重
力异常的课题¨.2J。在地球形状重力场的研究中,配置的普遍形式是其函数模型中除包含随机部分外,还包含非随机的系统部分(也称为倾向)。1969年,克拉鲁普(T.Krarup)把推估重力异常的方法,发展为用不同类型的数据,例如重力异常,垂线偏差等,去估计异常引力场中的任一元素,例如扰动位。大地水准面差距等,提出了最小二乘配置法。莫里兹(}LMoritz)对最小二乘配置进行了系统深入的研究,提出了带系统参数的最ib-乘配置,并概述了这种方法在大地测量其他方面的应用,进而导致几何位置和重力场的最小二乘联合求定,为整体大地测量奠定了理论基础。从20世纪60年代以来,国内外测绘专家学者对最小二乘配置法进行了广泛深入研究,汪洪海、罗志才、罗佳等对不同分辨率的重力数据融合问题,推导了多分辨率最小二乘配置法的具体公式,并通过算例与传统最小二乘配置法的结果进行了比较‘31;罗志才、宁津生、晁定波研究了频域最tJ、Z.乘配置法,并与空域最小二乘配置法进行了比较,其方法可有效提高稳定性【4o;姚宜斌、陶本藻从最/j.,--乘配置出发,推导了附加先验约束的高精度GPS网平差的参数估计和精度估计公式一1;张继贤等讨论了顾及线性化残差相关性的最小二乘配置法地形迭代线性化技术№1;篮悦明、陶本藻讨论了数字化曲线拟合的最小二乘配置法"o;张希、江在森研究了最/j,--
乘配置法用于地壳形变的问题,并将空间域最小二乘配置内插推广到时间域‘副;张献州根据高斯马尔可夫模型两个备选假设理论,给出了最tJ、--乘配置模型中观测粗差的可区分且可发现的表达式一1;潘雄、孙海燕导出了最小二乘配置模型中正规化矩阵正定时参数平差的计算方法,得到了参数和信
号的估计茸m1。
矩阵的分解(decomposition)是通过线性变换,将某个给定或者已知的矩阵分解为二个或三个矩阵标准型的乘积(个别情况下分解为两个矩阵标准型之和)。根据矩阵分解后的矩阵的标准型,其分解大致分为对角化分解、三角化分解、三角.对角化分解和三对角化分解四大类型。矩阵的奇异值分解(SingularValueDecomposition,SVD)是矩阵对角化分解的一种类型。矩阵奇异值分解自从Behrami和Jordan两位学者创立以来…。…,已经成为数值线性代数的最有用和最有效的工具之一,它已在最优化问题、统计分析、信号与图像处理、系统理论和控制等很多领域被广泛地应用¨“。本文在分析最小二乘配置法解算方法的基础上,推出一种基于SVD矩阵分解的解算算法,并通过实例进行了分析,得出方法的可行性。
2最小二乘配置的估值公式
2.1最小二乘配置的数学模型
最小二乘配置的函数模型¨二1一般为
L=BX4-GY+4
(1)
式中L为观测向量,4为观测噪声,】,为倾向参数,x为滤波信号,另外还有推估信号∥,其随机模型是:
作者简介:鲁铁定(1974一),男,陕西富平人,副教授,博士生,主要研究方向:测绘数据处理理论和物理大地测量。
E.mail:tdlu@ecit.edu.cn
12,1
X和x’的先验期望:E(X)=脚,E(x’)=/.t掣
X和X’的先验方差和办方差:val"(X)=D,,var(F)=Dr,COY(X,X’)=Dw
△的数学期望和方差:E(a)=0,var(a)=D△
△关于X和X’的协方差:cov(a,X)=Dax,COY(4,X’)
=Ddr
收稿日期:2007-0l一22
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40574008);江西省自然科学基金资助
项目(0411005.0650007);江西省教育厅科技资助项目(赣教啦t2006[208]);地球空间环境与大地测量教育部重点实验室开放基金资助项目(04-01-07);数字国土江西省重点实验窜开放基金资助项目(DLLJ200506);地理空间信息工程国家测绘局重点实验室开放基金资助项目
2.2最小二乘配置的估值公式
将信号x,x’的先验期望脚,肛r作为虚拟观测值k,Ln并将信号x,x’当作非随机参数,按照广义最/b-乘原理,可写出观测方程¨工o
JLT=X+△。Lr=x’+△r
1
}
(2)
£』口x+Gy:△J
测绘科学第33卷
蠹=ITlt引,
则(3)式可以写为观测值的方差阵为
【阢址】;⑥于是有矩阵的奇异值分解A=叫言:]∥
I
(),
3.3奇异值分解与广义逆矩阵的关系
E
y,,=A—L,,
=BX+V3cGP一工J
定义:设rrL×,l矩阵A∈C“4,如果存在12×m矩阵G
C““满足关系
L。=【三:,】,屹=[瓷,】,2=【萎,】,B。=I
B
o,c4,
AGA=A,GAG=G,(AG)”=AG,(GA)”=GA(9)则称矩阵G为A的Moore・Penrose(M-P)广义逆,并且记为A+。
从前面定理可以得到矩阵A的奇异值分解为A=
V=嘲=[爰撕】-【2】西=【盖:0卜=【象Dx:xDL一见z见J
7‘
㈣
L舢
D】'
∥J
u【;・・:】∥,u为m阶酉矩阵和y为凡阶酉矩阵,设矩阵
G=qil:】扩
㈣,
对于矩阵G和矩阵A之间的关系,可以推导得到
D豇=【;:】,D凹=【Du
根据广义最小二乘原理
矿西一矿=rain推导可得配置法求估值的公式
D“,】
(6)
(7)
AGA=u[互0:幅瓣妒=u【三0:]俨=A
(11)
P={GT(BDxBT+Dd+BD船+D甜BT)一1G)一1GT(BDJBT+
Dd+BDxa+DaJB。)“(L—BLJ)
量=Lx+(DxB7+D船)
(BDxBT+D▲+BD地+D直工BT)-1(L—GP—BLx)岩7=Lr+(D工,JB‘+Dx,A)(BDxBl+D▲+日D池+D吖口1)。(L—GP—BLJ)
估值的方差公式
GAG=y【专1:】【=0:】[i1:】矿=叫i1:】矿=G
(12)
cAG,”=(Ay【专1嗣矿)口=(u【:嗣∥)Ⅳ=u【:宙矿
=u晤瑚[i。鄹矿=A吖i‘羽矿=AGc-s,
Dt={G7(BDJBl+见+BD肛+DaxB7)’1G)-I
Dx=DT一(DrBT+D胎)(BDⅣBT+Dd+BD地+p“曰T)‘1
c酬=(y晤羽批)”=(y眨∽圩=y眨驴
=y【i‘蛳驴=y啄:tfA=GA㈣,
由M-P广义逆定义可以看出,矩阵(10)就是矩阵A
{E—GDPG7(BoⅣB7+见+BD船+D¨B’)以}(D甜+BDJ)
Dr=D∥一(D珊BT+Dx么)(BDxBT+D4+BD柚+%口T)一1
{E—GDPG7(BOxB’+见+BD如+DaxB’)一1}(Dax,+BD朋,)3矩阵奇异值分解(SVD)
矩阵奇异值分解(SVD)属于矩阵对角化分解的一种类型,它是通过正交变换,将矩阵A分解为A=U,Y伊,其中u和y二者为酉矩阵,三为对角矩阵。奇异值分解是针对一般矩阵的对角化分解算法。3.1矩阵的奇异值分解定理
矩阵的奇异值分解定理:设m×rt矩阵A
E
4最小二乘配置的SVD分解解法
4.1独立等精度条件下的解算公式
最小二乘配置法的误差方程式为
V=[?】=[爰珧】_【2】
设D=E,则广义最小二乘原理可以表示为
矿西叫甲=矿V:min上式等价与最小二乘问题
c爪“,矩
阵A的秩rank(A)=r(r>0),则存在m阶酉矩阵U和rt阶酉矩阵y,使得
A:uf三Olv.0
L
(8)
mi玎lI[曰E。2】[;】一[L工z】”:
范数㈦。
对系数矩阵进行SVD分解有
c-s,
U1
其中三=diag(盯I,矿2,…,or,),且orl≥or2≥…≥盯,>0,而矿:(i=1,2,…,r)为矩阵A的正奇异值。矿表示以复矩阵y的元素的共轭复数为元素的矩阵V的转置矿’=',“,其满足∥V=I,y∥=1。(8)式称为矩阵A的奇异
值分解式。
上述定理最早由Eckart和Young于1939年证明¨2.14]。3.2矩阵奇异值分解步骤
根据定理的证明过程,可以总结归纳矩阵奇异值分解的具体步骤和过程:
①计算矩阵A”A的特征值A。≥A:≥…≥A,>A。=…=A。=0;②计算特征值对应的特征向量,并组成正交
式中II・0:称为Euclidean范数,也称为Frobenius
【主小u眩:】矿
㈣,
由前面的证明可胤【吃E玎=y【i1妒为上
式的M-P广义逆。根据定理,不相容方程组Ax=b有最小二乘解的充要条件是善=Ail6,式中^i1是矩阵A的最小二乘广义逆,矩阵的M-P广义逆属于最小二乘广义逆Ⅲ-1引。于是有
矩阵V,矿(∥A)y=[吾:】;③将y写为分块矩阵V
。
L
00J’
【;】=【乏三】j1【2】=y【i1:】盯”【LL2】ct7,
估值的方差计算公式
=【矿.Kn-r】;④计算U。,U,=Ay。:~;⑤将其扩充为
酉空间c吼的标准正交基,组成m阶酉矩阵u,U=
D【;】=叫≮1:卜u啄:】矿
(18)
第3期
4.2不等精度条件下的解算公式
最小二乘配置法的误差方程式为
鲁铁定等最小二乘配置的SVD分解解法49
估值的方差计算公式
可=【?】:【口E:GoJ【P]一[LLz】
观测值的方差阵为
。[;】=y【i‘:】∥w“D(W。)’u【i1:】矿
(24)
5算例
DJ-J∥J
西=【戋一?h=[篆Dx:xD△J”LD】,D髓=瞬】,%=‰驯
L—D业
为了验证分解方法,现以文献[2]中的[例2-5-1]数据为例,设已知P。一P4四个观测点的重力异常观测值和它们的坐标,观测误差的方差为优=(0.03)2E,信号的
求解上述误差方程的方法是在广义最小二乘原理IT西“可=min下,其协方差矩阵D为正定,对于某矩阵W
方差巩,Dr和协方差D。,按希尔沃年公式D(。):旦塑;,
£C“4有西=删’。W可以是豆的Cholesky三角阵,是
1+≥
取O(0)=0.01reGal,d=200m计算,重力异常观测值和坐标见文献[2]。
观测值的误差方程式
V=爱+G譬一△g
vx=盒一LxK,=分一工掣
带人数据有
一个实非奇异下三角阵,则加权最小二乘问题
令
m…阿1(【爰Go儿jr】.【铷忆君=W-I【乏oI小叫2】
则式(19)可表示为
(19)(∞)
rain恻考1.L
lIz(21)
lOOO
O1OOOOOlOO
OOlOOOOOlO
OOO1OOOOO1
OOO01O0OOO
0OOOOl0OOO
OOOO0Ol1l1
一
OOO0O
OOO0O01.822
1.O一1.6—1f2
分析(21)式可以看出,其解算即化为一般等精度的最小二乘配置问题,因此对于不等精度的观测值,在应用广义最小二乘法时,就可以用(19)式的方法将其转换为等精度情况进行解算。
对系数矩阵进行SVD分解有
》
OOl
雪=叫言:】矿
于是有
(22)
OO0
嘲啦饥yF01:P叫2】
10.4640.099o.306
0.464
10.202o.33lo-7450.794
OOO0
一lO灌m生巧
㈤,
0.099o.202
10.147o.2050.238
OOOO
0.306O.3310.147
lo.5810.5000O00
观测值的协方差阵为
0.4350.7450.2050.581
10.962000O
0.3810.7940.2380.500o.962
1O0O0
000OO00.0900O
0000O000.09O0
0000O000o.090
Ooooooooo
西:f
Dz
—D如1:
见J
o.4350.381
O0O0
L—D血
o埘
嘲=c。。。。。。-0.55一蚴o.ss乩80,T
对协方差阵进行进行Cholesky三角阵分解,得到矩阵w为下三角阵
0.46400.8858
0
0.09900.17620。9794
000OOOO
O.3060O.21340。08080.9243
O00OOO
0.43500.6132O.05500.33820.5634
OOOO0
0.38100.6968O。0792O.247l0.49900.2303
OO0O
O00O0O0.3000
OOO
0OO00O0O.3000
O0
0OO0O0OOO.3000
O
O0OO0O00OO.3000
矿:
詈。:o
o:o
o
0OO0OOO
根据公式计算面=w一【主三】,厄=Ⅳ一【2】,对矩阵秀进行sV。分解有
测绘科学
一0.008lO.0031O.0124一O.002l
U=
O.003l—0.0052一0.5535—0.06980.8088—0.1855
O.01650.0184—0.0013一0.0572O.0077—0.05350.31990.44430.0664—0.8301
0.02990.01980.02420.0167一O.0589—0.01230.4961O.50130.49740.4994
08.0419
O00000000.22350.23500.22560.2298—0.0077一O.007l0.8894O.ooOl
—0.0155O.0305—0.0029—0.007l0.1865—0.9774—0.059l0.0314—0.03190.0570
O07.4741
000OO00
—0.09290.11830.0057—0.03010.684l
0.1460—0.3048O.1158一0.03760.3109—0.02060.5234
0.26690.00940.11800.0727—0,8941—0.19530.1157
—0.2028—0.2858
0.4726—0.1958
0.74990.3986O.32660.30340.2557O.0543—0.0761O.0629一O.04500.0020
00000O000.5415
0
、
第33卷
0.2814—0.79150.3548一O.1672O.0000O.O000一O.2186O.2775—0.11320.0543
一0.0573—0.85790.93250.0022—0.01380.00640.0399—0.0014—0.050000000
OO0O0
—0.01040.0139—0.0050—0.02750.03080.00550.0139
000OOO
l
—0.6406—0.22710.2757—0.J163
0005.9778
000O00
0.0471—0.068600003.7263
00O00
0.5441—0.75360.2762—0.17050.1694
,15.1050
000
晤:].
L
O00OO0
1.5441
0O000.41220.20420.22180.2478—0.5415
舳O∞O
OO
O1.0171
O0
0.4806
/1
0.40600.3796O.2515O.33640.45230.4355—0.3457一O.0139一O.0265
一0.1229—0.01530.1794—0.0413
V=
O.0017—0.0015—0.0000—0.8534—0.4717
0.13270.19270.0290—0.3540O.0273—0.0289O.0002—0.43680.7917
一O,2166—0.3709一O.13510.78420.0534—0.0562一O.0158一O.2243O.3546
0.0466
—0.8421O.02430.0433—0.0215O.0744一O.1679—0.145l
一0.7098—0.0240一0.5490—0.00140.0450
0.03780.0018O.000l
—0.2869—0.0145一0.0254
—0.0003—0.0515
带入公式(23)有
嗡=列乞=y【≮1扩叫2】
=[0.10027—0.20330
0.08406—0.07434—0.14249—0.16301
—0.47667—0.49089
0.38146]’
根据前面推导的估值的方差计算公式
D【;∥[铷…c州叫锄叫蚕乏Dxyg,,
0.9208o.62460.03260.3647o.54750.5097—0.4857—0.0576—0.1738
O.62460.6745O.33660.21200.51680.5330一O.46190.0449—0.1561
0.03260.33660.94430.19620.29930.3459—0.37740.1491O.0510
0.36470.21200.19620.95650.49760.4046一o.4323—0.17310.203l
0.5475O.51680.29930.49760.840l0.779l一o.4653—0.0350
0.50970.5330o.34590.40460.77910.7907一O.4483—0.0035
—0.4857—0.4619—0.3774—0.4323—0.4653一o.44830.46180.0092o.0189
Dxrl
D肿I
D。J
一0.0576—0.17380.0449o.1491—0.1731
—0.1561o.05100.2031
—0.0350一o.0252一O.0035一O.0473O.00920.0783
O.0189—0.04840.1440
一0.0252—0.0473
一o.0484
进而可得
越
=al"+宴=【一o.5734一o.2003
厂
o.5679—1.7942]r
厶g’=G,P+2’=【一0.8155—0.639717
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一0.0022o.00280.0888O.0006O・324510.3560j
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2】旧=I裟008572&0愁0055
L
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n
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洲~嘶蝴
蹦=[Gp
6结束语
E,唆%嗡=0….363,1
比较可以看出,其解算结果和书上结果完全一致。
本文主要分析了矩阵的奇异值分解(SVD分解)原理和方法以及在最小二乘配置中的应用,通过分析探讨得到以
下结论:
①推导证明了矩阵的奇异值分解和M—P广义逆矩阵之间的关系;②推导了应用奇异值分解进行最小二乘配置的平差解算公式和精度估算公式;③通过实例分析,得出这种方法的可行性和正确性。
第3期鲁铁定等最小二乘配置的SVD分解解法
1998,28(5),46-48.
5l
应用矩阵的SVD分解解算最小二乘配置和传统的解算比较,SVD算法是否具有更好的稳定性等等问题还需做进一步的研究探讨。
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algorithmforleast-squarecollocationbysingularvaluedecomposition
to
Abstract:LeastSquareCollocationisthemathematicsmethodthatisinitiallyusedstudytheearthshapeandgravityfield
surveying
to-
getherwiththevariousgravitydata.Atpresent,LeastSquareCollocationhasbeenwidelyappliedin
on
data
processing.Based
theanalysisofthealgorithmofleast
square
collocationanddiscussionofthe
matrix
singularvalRedecomposition(SVD).therela-
decompositionandMoore—Penrosegeneralizedinverseisdeduced.ThenthecalculationformulaesofLeast
Scfua肥CollocationandMoore—PenrosegeneralizedinversebasedonSVDdecompositionareprovided.FinallypracticalcomputationsofthegravityanomalyhaveshownthattheSVDmethodiscorrectandvalidityinLeast—Squarecollocationcalculation.Fromthisnew
tionshiPbetweenSVD
collocationalgorithminthispaper,thespecialfunctionofmatrixdecompositioninsurveyingdataprocessing,aswellPbetweenmatrixdecompositionandadjustment,arefoundouL
Key
as
therelationshi
words:leastsquarecollocation;singularvaluedecomposition(SVD);gravityanomaly
Jin-shengQ。zHoU
l即Tk—aingp雹,NlNG
Fuzhou
Shi-jian∞.zANGDe-yan雹0①SchoolofGeodesyandGeomatics.Wuhan
uni.
versity,Wuhan430079,China;②SchoolofGeologicalScienceandSurveyingEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,
344000,China;3JiangxiAcademyofSciences,Nanehang330029,China)
(上接第75页)
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havehadmuch
ing
to
andGPSunits
integratethewirelesscommunication
toreset
monitoringwithGPSsatellitesurvey
betterreliabilityandefficiencyrecently,peoplearetry—
abrand・newremotemonitoringsystem.Peoplecanalsogetsomead—
vantages
fromthecharacteristicsofGPs,suchasautomaticreceiving,2Ahoursdetecting,highprecisiondatacollecting.So,inthelow
remote
canbeusedindetectingthevariationofchanginginthisarea.Inthisresearch,
weintegratethepowersupplysystem(out-doorandin-doorsystems),GSMcellularwithSMSprotocol,post—processingsoftware,andmonitoringsoftwaretoresetaremotemonitoringmodtde.Testsincludelocalsimulatingexperimentandlandslidesimulatingexperi-
dynamiclandslidearea.GPS
monitoring
system
willbeconsidered,andwearetryingtofigureout
tlledifferenceofaccuracybetweentheshort-distanceandlong・distancebaselines.TheresultsandexperiencesofthoseexperimentsCallbeusedasreferenceforthemonitoringbaselinesetting-upwork.111eresultsshowthatitisfeasibletouseGPsmonitoringsystemfor
menL
Twodifferenttypeofbaselinefromthemonitoringarea
tothereferencesites
landslidemonitoring.Thedataisconveyedsuccessfullyf打theoperatorbyusingthewirelesscommunication(GSM),andusingtheshortbaselinelengthcanpromotetheprecisionofsurveyingandthecalculatingwithbeth.Accordingtotheexperiments.t}leaccuracy
ofGPSmonitoringsystem
canalsoreachtocentimeterdegreeeithertheshort—distancebaseline
monitoring;wirelesscommunication;landslide;baseline
or
thelong-distancebaseline.
Keywords:GPS;remote/2Zhi-peng,SHANG
Yah—l/ang,磊『o“Yong。^以(SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangRailwayInstitute.Shijiazhuang
050043,China)
最小二乘配置的SVD分解解法
作者:作者单位:
鲁铁定, 宁津生, 周世健, 臧德彦, LU Tie-ding, NING Jin-sheng, ZHOU Shi-jian, ZANG De-yan
鲁铁定,LU Tie-ding(武汉大学测绘学院,武汉,430079;东华理工大学地球科学与测绘工程学院,江西抚州,344000), 宁津生,NING Jin-sheng(武汉大学测绘学院,武汉,430079), 周世健,ZHOU Shi-jian(东华理工大学地球科学与测绘工程学院,江西抚州,344000;江西省科学院,南昌,330029), 臧德彦,ZANG De-yan(东华理工大学地球科学与测绘工程学院,江西抚州,344000)
测绘科学
SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING2008,33(3)
刊名:英文刊名:年,卷(期):
参考文献(14条)
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本文读者也读过(4条)
1. 鲁铁定. 宁津生. 周世健. 张立亭. 赵煦. LU Tieding. NING Jinsheng. ZHOU Shijian. ZHANG Liting. ZHAO Xu 最小二乘配置的QR分解解法[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报(自然科学版)2009,28(4)
2. 施吕蓉. SHI lv-rong 应用奇异值分解求解最小二乘法问题[期刊论文]-芜湖职业技术学院学报2008,10(4)3. 潘雄. 孙海燕 最小二乘配置模型的参数估计[期刊论文]-测绘工程2004,13(2)
4. 鲁铁定. 陶本藻. 周世健. Lu Tieding. Tao Benzao. Zhou Shijian 矩阵的SVD分解性质及其在秩亏网平差中的应用[期刊论文]-大地测量与地球动力学2007,27(5)
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_chkx200803016.aspx
第33卷第3期
2008年5月
测绘科学
ScienceofSurveyingandMapping
V01.33No.3
Mav.
最小二乘配置的SVD分解解法
鲁铁定①②,宁津生①,周世健鳓,臧德彦②
(①武汉大学测绘学院,武汉430079;②东华理工大学地球科学与测绘工程学院,
江西抚州344000;③江西省科学院,南昌330029)
【摘要】最小二乘配置最初是在组合各种资料来研究地球形状与重力场的一种数学方法,目前最小二乘配置已经在测绘数据处理中得到广泛应用。本文首先分析了目前采用的最小二乘配置法解算方法,在讨论了矩阵的奇异值分解(SingularValueDecomposition,SVD)方法的基础上,推导得出了矩阵SVD分解与广义逆矩阵的关系,得出了可以直接利用SVD分解求解矩阵的Moore.Penrose广义逆,并推导了应用SVD分解求解最小二乘配置的估值计算公式和精度估算公式,最后通过重力异常实例进行了计算,得出矩阵的SVD分解用于最小二乘配置解算的正确性和可行性,为最小二乘配置的求解提供了一种新方法。
【关键词】最小二乘配置;奇异值分解(SVD);重力异常
【文章编号】1009-2307(2008)03-0047-05【中图分类号】P22【文献标识码】A
DOI:10.3771/j.issn.1009-2307.2008.03.016
1
引言
最小二乘配置起源于根据最小二乘推估来内插和外推重
力异常的课题¨.2J。在地球形状重力场的研究中,配置的普遍形式是其函数模型中除包含随机部分外,还包含非随机的系统部分(也称为倾向)。1969年,克拉鲁普(T.Krarup)把推估重力异常的方法,发展为用不同类型的数据,例如重力异常,垂线偏差等,去估计异常引力场中的任一元素,例如扰动位。大地水准面差距等,提出了最小二乘配置法。莫里兹(}LMoritz)对最小二乘配置进行了系统深入的研究,提出了带系统参数的最ib-乘配置,并概述了这种方法在大地测量其他方面的应用,进而导致几何位置和重力场的最小二乘联合求定,为整体大地测量奠定了理论基础。从20世纪60年代以来,国内外测绘专家学者对最小二乘配置法进行了广泛深入研究,汪洪海、罗志才、罗佳等对不同分辨率的重力数据融合问题,推导了多分辨率最小二乘配置法的具体公式,并通过算例与传统最小二乘配置法的结果进行了比较‘31;罗志才、宁津生、晁定波研究了频域最tJ、Z.乘配置法,并与空域最小二乘配置法进行了比较,其方法可有效提高稳定性【4o;姚宜斌、陶本藻从最/j.,--乘配置出发,推导了附加先验约束的高精度GPS网平差的参数估计和精度估计公式一1;张继贤等讨论了顾及线性化残差相关性的最小二乘配置法地形迭代线性化技术№1;篮悦明、陶本藻讨论了数字化曲线拟合的最小二乘配置法"o;张希、江在森研究了最/j,--
乘配置法用于地壳形变的问题,并将空间域最小二乘配置内插推广到时间域‘副;张献州根据高斯马尔可夫模型两个备选假设理论,给出了最tJ、--乘配置模型中观测粗差的可区分且可发现的表达式一1;潘雄、孙海燕导出了最小二乘配置模型中正规化矩阵正定时参数平差的计算方法,得到了参数和信
号的估计茸m1。
矩阵的分解(decomposition)是通过线性变换,将某个给定或者已知的矩阵分解为二个或三个矩阵标准型的乘积(个别情况下分解为两个矩阵标准型之和)。根据矩阵分解后的矩阵的标准型,其分解大致分为对角化分解、三角化分解、三角.对角化分解和三对角化分解四大类型。矩阵的奇异值分解(SingularValueDecomposition,SVD)是矩阵对角化分解的一种类型。矩阵奇异值分解自从Behrami和Jordan两位学者创立以来…。…,已经成为数值线性代数的最有用和最有效的工具之一,它已在最优化问题、统计分析、信号与图像处理、系统理论和控制等很多领域被广泛地应用¨“。本文在分析最小二乘配置法解算方法的基础上,推出一种基于SVD矩阵分解的解算算法,并通过实例进行了分析,得出方法的可行性。
2最小二乘配置的估值公式
2.1最小二乘配置的数学模型
最小二乘配置的函数模型¨二1一般为
L=BX4-GY+4
(1)
式中L为观测向量,4为观测噪声,】,为倾向参数,x为滤波信号,另外还有推估信号∥,其随机模型是:
作者简介:鲁铁定(1974一),男,陕西富平人,副教授,博士生,主要研究方向:测绘数据处理理论和物理大地测量。
E.mail:tdlu@ecit.edu.cn
12,1
X和x’的先验期望:E(X)=脚,E(x’)=/.t掣
X和X’的先验方差和办方差:val"(X)=D,,var(F)=Dr,COY(X,X’)=Dw
△的数学期望和方差:E(a)=0,var(a)=D△
△关于X和X’的协方差:cov(a,X)=Dax,COY(4,X’)
=Ddr
收稿日期:2007-0l一22
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40574008);江西省自然科学基金资助
项目(0411005.0650007);江西省教育厅科技资助项目(赣教啦t2006[208]);地球空间环境与大地测量教育部重点实验室开放基金资助项目(04-01-07);数字国土江西省重点实验窜开放基金资助项目(DLLJ200506);地理空间信息工程国家测绘局重点实验室开放基金资助项目
2.2最小二乘配置的估值公式
将信号x,x’的先验期望脚,肛r作为虚拟观测值k,Ln并将信号x,x’当作非随机参数,按照广义最/b-乘原理,可写出观测方程¨工o
JLT=X+△。Lr=x’+△r
1
}
(2)
£』口x+Gy:△J
测绘科学第33卷
蠹=ITlt引,
则(3)式可以写为观测值的方差阵为
【阢址】;⑥于是有矩阵的奇异值分解A=叫言:]∥
I
(),
3.3奇异值分解与广义逆矩阵的关系
E
y,,=A—L,,
=BX+V3cGP一工J
定义:设rrL×,l矩阵A∈C“4,如果存在12×m矩阵G
C““满足关系
L。=【三:,】,屹=[瓷,】,2=【萎,】,B。=I
B
o,c4,
AGA=A,GAG=G,(AG)”=AG,(GA)”=GA(9)则称矩阵G为A的Moore・Penrose(M-P)广义逆,并且记为A+。
从前面定理可以得到矩阵A的奇异值分解为A=
V=嘲=[爰撕】-【2】西=【盖:0卜=【象Dx:xDL一见z见J
7‘
㈣
L舢
D】'
∥J
u【;・・:】∥,u为m阶酉矩阵和y为凡阶酉矩阵,设矩阵
G=qil:】扩
㈣,
对于矩阵G和矩阵A之间的关系,可以推导得到
D豇=【;:】,D凹=【Du
根据广义最小二乘原理
矿西一矿=rain推导可得配置法求估值的公式
D“,】
(6)
(7)
AGA=u[互0:幅瓣妒=u【三0:]俨=A
(11)
P={GT(BDxBT+Dd+BD船+D甜BT)一1G)一1GT(BDJBT+
Dd+BDxa+DaJB。)“(L—BLJ)
量=Lx+(DxB7+D船)
(BDxBT+D▲+BD地+D直工BT)-1(L—GP—BLx)岩7=Lr+(D工,JB‘+Dx,A)(BDxBl+D▲+日D池+D吖口1)。(L—GP—BLJ)
估值的方差公式
GAG=y【专1:】【=0:】[i1:】矿=叫i1:】矿=G
(12)
cAG,”=(Ay【专1嗣矿)口=(u【:嗣∥)Ⅳ=u【:宙矿
=u晤瑚[i。鄹矿=A吖i‘羽矿=AGc-s,
Dt={G7(BDJBl+见+BD肛+DaxB7)’1G)-I
Dx=DT一(DrBT+D胎)(BDⅣBT+Dd+BD地+p“曰T)‘1
c酬=(y晤羽批)”=(y眨∽圩=y眨驴
=y【i‘蛳驴=y啄:tfA=GA㈣,
由M-P广义逆定义可以看出,矩阵(10)就是矩阵A
{E—GDPG7(BoⅣB7+见+BD船+D¨B’)以}(D甜+BDJ)
Dr=D∥一(D珊BT+Dx么)(BDxBT+D4+BD柚+%口T)一1
{E—GDPG7(BOxB’+见+BD如+DaxB’)一1}(Dax,+BD朋,)3矩阵奇异值分解(SVD)
矩阵奇异值分解(SVD)属于矩阵对角化分解的一种类型,它是通过正交变换,将矩阵A分解为A=U,Y伊,其中u和y二者为酉矩阵,三为对角矩阵。奇异值分解是针对一般矩阵的对角化分解算法。3.1矩阵的奇异值分解定理
矩阵的奇异值分解定理:设m×rt矩阵A
E
4最小二乘配置的SVD分解解法
4.1独立等精度条件下的解算公式
最小二乘配置法的误差方程式为
V=[?】=[爰珧】_【2】
设D=E,则广义最小二乘原理可以表示为
矿西叫甲=矿V:min上式等价与最小二乘问题
c爪“,矩
阵A的秩rank(A)=r(r>0),则存在m阶酉矩阵U和rt阶酉矩阵y,使得
A:uf三Olv.0
L
(8)
mi玎lI[曰E。2】[;】一[L工z】”:
范数㈦。
对系数矩阵进行SVD分解有
c-s,
U1
其中三=diag(盯I,矿2,…,or,),且orl≥or2≥…≥盯,>0,而矿:(i=1,2,…,r)为矩阵A的正奇异值。矿表示以复矩阵y的元素的共轭复数为元素的矩阵V的转置矿’=',“,其满足∥V=I,y∥=1。(8)式称为矩阵A的奇异
值分解式。
上述定理最早由Eckart和Young于1939年证明¨2.14]。3.2矩阵奇异值分解步骤
根据定理的证明过程,可以总结归纳矩阵奇异值分解的具体步骤和过程:
①计算矩阵A”A的特征值A。≥A:≥…≥A,>A。=…=A。=0;②计算特征值对应的特征向量,并组成正交
式中II・0:称为Euclidean范数,也称为Frobenius
【主小u眩:】矿
㈣,
由前面的证明可胤【吃E玎=y【i1妒为上
式的M-P广义逆。根据定理,不相容方程组Ax=b有最小二乘解的充要条件是善=Ail6,式中^i1是矩阵A的最小二乘广义逆,矩阵的M-P广义逆属于最小二乘广义逆Ⅲ-1引。于是有
矩阵V,矿(∥A)y=[吾:】;③将y写为分块矩阵V
。
L
00J’
【;】=【乏三】j1【2】=y【i1:】盯”【LL2】ct7,
估值的方差计算公式
=【矿.Kn-r】;④计算U。,U,=Ay。:~;⑤将其扩充为
酉空间c吼的标准正交基,组成m阶酉矩阵u,U=
D【;】=叫≮1:卜u啄:】矿
(18)
第3期
4.2不等精度条件下的解算公式
最小二乘配置法的误差方程式为
鲁铁定等最小二乘配置的SVD分解解法49
估值的方差计算公式
可=【?】:【口E:GoJ【P]一[LLz】
观测值的方差阵为
。[;】=y【i‘:】∥w“D(W。)’u【i1:】矿
(24)
5算例
DJ-J∥J
西=【戋一?h=[篆Dx:xD△J”LD】,D髓=瞬】,%=‰驯
L—D业
为了验证分解方法,现以文献[2]中的[例2-5-1]数据为例,设已知P。一P4四个观测点的重力异常观测值和它们的坐标,观测误差的方差为优=(0.03)2E,信号的
求解上述误差方程的方法是在广义最小二乘原理IT西“可=min下,其协方差矩阵D为正定,对于某矩阵W
方差巩,Dr和协方差D。,按希尔沃年公式D(。):旦塑;,
£C“4有西=删’。W可以是豆的Cholesky三角阵,是
1+≥
取O(0)=0.01reGal,d=200m计算,重力异常观测值和坐标见文献[2]。
观测值的误差方程式
V=爱+G譬一△g
vx=盒一LxK,=分一工掣
带人数据有
一个实非奇异下三角阵,则加权最小二乘问题
令
m…阿1(【爰Go儿jr】.【铷忆君=W-I【乏oI小叫2】
则式(19)可表示为
(19)(∞)
rain恻考1.L
lIz(21)
lOOO
O1OOOOOlOO
OOlOOOOOlO
OOO1OOOOO1
OOO01O0OOO
0OOOOl0OOO
OOOO0Ol1l1
一
OOO0O
OOO0O01.822
1.O一1.6—1f2
分析(21)式可以看出,其解算即化为一般等精度的最小二乘配置问题,因此对于不等精度的观测值,在应用广义最小二乘法时,就可以用(19)式的方法将其转换为等精度情况进行解算。
对系数矩阵进行SVD分解有
》
OOl
雪=叫言:】矿
于是有
(22)
OO0
嘲啦饥yF01:P叫2】
10.4640.099o.306
0.464
10.202o.33lo-7450.794
OOO0
一lO灌m生巧
㈤,
0.099o.202
10.147o.2050.238
OOOO
0.306O.3310.147
lo.5810.5000O00
观测值的协方差阵为
0.4350.7450.2050.581
10.962000O
0.3810.7940.2380.500o.962
1O0O0
000OO00.0900O
0000O000.09O0
0000O000o.090
Ooooooooo
西:f
Dz
—D如1:
见J
o.4350.381
O0O0
L—D血
o埘
嘲=c。。。。。。-0.55一蚴o.ss乩80,T
对协方差阵进行进行Cholesky三角阵分解,得到矩阵w为下三角阵
0.46400.8858
0
0.09900.17620。9794
000OOOO
O.3060O.21340。08080.9243
O00OOO
0.43500.6132O.05500.33820.5634
OOOO0
0.38100.6968O。0792O.247l0.49900.2303
OO0O
O00O0O0.3000
OOO
0OO00O0O.3000
O0
0OO0O0OOO.3000
O
O0OO0O00OO.3000
矿:
詈。:o
o:o
o
0OO0OOO
根据公式计算面=w一【主三】,厄=Ⅳ一【2】,对矩阵秀进行sV。分解有
测绘科学
一0.008lO.0031O.0124一O.002l
U=
O.003l—0.0052一0.5535—0.06980.8088—0.1855
O.01650.0184—0.0013一0.0572O.0077—0.05350.31990.44430.0664—0.8301
0.02990.01980.02420.0167一O.0589—0.01230.4961O.50130.49740.4994
08.0419
O00000000.22350.23500.22560.2298—0.0077一O.007l0.8894O.ooOl
—0.0155O.0305—0.0029—0.007l0.1865—0.9774—0.059l0.0314—0.03190.0570
O07.4741
000OO00
—0.09290.11830.0057—0.03010.684l
0.1460—0.3048O.1158一0.03760.3109—0.02060.5234
0.26690.00940.11800.0727—0,8941—0.19530.1157
—0.2028—0.2858
0.4726—0.1958
0.74990.3986O.32660.30340.2557O.0543—0.0761O.0629一O.04500.0020
00000O000.5415
0
、
第33卷
0.2814—0.79150.3548一O.1672O.0000O.O000一O.2186O.2775—0.11320.0543
一0.0573—0.85790.93250.0022—0.01380.00640.0399—0.0014—0.050000000
OO0O0
—0.01040.0139—0.0050—0.02750.03080.00550.0139
000OOO
l
—0.6406—0.22710.2757—0.J163
0005.9778
000O00
0.0471—0.068600003.7263
00O00
0.5441—0.75360.2762—0.17050.1694
,15.1050
000
晤:].
L
O00OO0
1.5441
0O000.41220.20420.22180.2478—0.5415
舳O∞O
OO
O1.0171
O0
0.4806
/1
0.40600.3796O.2515O.33640.45230.4355—0.3457一O.0139一O.0265
一0.1229—0.01530.1794—0.0413
V=
O.0017—0.0015—0.0000—0.8534—0.4717
0.13270.19270.0290—0.3540O.0273—0.0289O.0002—0.43680.7917
一O,2166—0.3709一O.13510.78420.0534—0.0562一O.0158一O.2243O.3546
0.0466
—0.8421O.02430.0433—0.0215O.0744一O.1679—0.145l
一0.7098—0.0240一0.5490—0.00140.0450
0.03780.0018O.000l
—0.2869—0.0145一0.0254
—0.0003—0.0515
带入公式(23)有
嗡=列乞=y【≮1扩叫2】
=[0.10027—0.20330
0.08406—0.07434—0.14249—0.16301
—0.47667—0.49089
0.38146]’
根据前面推导的估值的方差计算公式
D【;∥[铷…c州叫锄叫蚕乏Dxyg,,
0.9208o.62460.03260.3647o.54750.5097—0.4857—0.0576—0.1738
O.62460.6745O.33660.21200.51680.5330一O.46190.0449—0.1561
0.03260.33660.94430.19620.29930.3459—0.37740.1491O.0510
0.36470.21200.19620.95650.49760.4046一o.4323—0.17310.203l
0.5475O.51680.29930.49760.840l0.779l一o.4653—0.0350
0.50970.5330o.34590.40460.77910.7907一O.4483—0.0035
—0.4857—0.4619—0.3774—0.4323—0.4653一o.44830.46180.0092o.0189
Dxrl
D肿I
D。J
一0.0576—0.17380.0449o.1491—0.1731
—0.1561o.05100.2031
—0.0350一o.0252一O.0035一O.0473O.00920.0783
O.0189—0.04840.1440
一0.0252—0.0473
一o.0484
进而可得
越
=al"+宴=【一o.5734一o.2003
厂
o.5679—1.7942]r
厶g’=G,P+2’=【一0.8155—0.639717
.
.
一0.0022o.00280.0888O.0006O・324510.3560j
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2】旧=I裟008572&0愁0055
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n
0.00i1—0.0014
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蹦=[Gp
6结束语
E,唆%嗡=0….363,1
比较可以看出,其解算结果和书上结果完全一致。
本文主要分析了矩阵的奇异值分解(SVD分解)原理和方法以及在最小二乘配置中的应用,通过分析探讨得到以
下结论:
①推导证明了矩阵的奇异值分解和M—P广义逆矩阵之间的关系;②推导了应用奇异值分解进行最小二乘配置的平差解算公式和精度估算公式;③通过实例分析,得出这种方法的可行性和正确性。
第3期鲁铁定等最小二乘配置的SVD分解解法
1998,28(5),46-48.
5l
应用矩阵的SVD分解解算最小二乘配置和传统的解算比较,SVD算法是否具有更好的稳定性等等问题还需做进一步的研究探讨。
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algorithmforleast-squarecollocationbysingularvaluedecomposition
to
Abstract:LeastSquareCollocationisthemathematicsmethodthatisinitiallyusedstudytheearthshapeandgravityfield
surveying
to-
getherwiththevariousgravitydata.Atpresent,LeastSquareCollocationhasbeenwidelyappliedin
on
data
processing.Based
theanalysisofthealgorithmofleast
square
collocationanddiscussionofthe
matrix
singularvalRedecomposition(SVD).therela-
decompositionandMoore—Penrosegeneralizedinverseisdeduced.ThenthecalculationformulaesofLeast
Scfua肥CollocationandMoore—PenrosegeneralizedinversebasedonSVDdecompositionareprovided.FinallypracticalcomputationsofthegravityanomalyhaveshownthattheSVDmethodiscorrectandvalidityinLeast—Squarecollocationcalculation.Fromthisnew
tionshiPbetweenSVD
collocationalgorithminthispaper,thespecialfunctionofmatrixdecompositioninsurveyingdataprocessing,aswellPbetweenmatrixdecompositionandadjustment,arefoundouL
Key
as
therelationshi
words:leastsquarecollocation;singularvaluedecomposition(SVD);gravityanomaly
Jin-shengQ。zHoU
l即Tk—aingp雹,NlNG
Fuzhou
Shi-jian∞.zANGDe-yan雹0①SchoolofGeodesyandGeomatics.Wuhan
uni.
versity,Wuhan430079,China;②SchoolofGeologicalScienceandSurveyingEngineering,EastChinaInstituteofTechnology,
344000,China;3JiangxiAcademyofSciences,Nanehang330029,China)
(上接第75页)
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havehadmuch
ing
to
andGPSunits
integratethewirelesscommunication
toreset
monitoringwithGPSsatellitesurvey
betterreliabilityandefficiencyrecently,peoplearetry—
abrand・newremotemonitoringsystem.Peoplecanalsogetsomead—
vantages
fromthecharacteristicsofGPs,suchasautomaticreceiving,2Ahoursdetecting,highprecisiondatacollecting.So,inthelow
remote
canbeusedindetectingthevariationofchanginginthisarea.Inthisresearch,
weintegratethepowersupplysystem(out-doorandin-doorsystems),GSMcellularwithSMSprotocol,post—processingsoftware,andmonitoringsoftwaretoresetaremotemonitoringmodtde.Testsincludelocalsimulatingexperimentandlandslidesimulatingexperi-
dynamiclandslidearea.GPS
monitoring
system
willbeconsidered,andwearetryingtofigureout
tlledifferenceofaccuracybetweentheshort-distanceandlong・distancebaselines.TheresultsandexperiencesofthoseexperimentsCallbeusedasreferenceforthemonitoringbaselinesetting-upwork.111eresultsshowthatitisfeasibletouseGPsmonitoringsystemfor
menL
Twodifferenttypeofbaselinefromthemonitoringarea
tothereferencesites
landslidemonitoring.Thedataisconveyedsuccessfullyf打theoperatorbyusingthewirelesscommunication(GSM),andusingtheshortbaselinelengthcanpromotetheprecisionofsurveyingandthecalculatingwithbeth.Accordingtotheexperiments.t}leaccuracy
ofGPSmonitoringsystem
canalsoreachtocentimeterdegreeeithertheshort—distancebaseline
monitoring;wirelesscommunication;landslide;baseline
or
thelong-distancebaseline.
Keywords:GPS;remote/2Zhi-peng,SHANG
Yah—l/ang,磊『o“Yong。^以(SchoolofCivilEngineering,ShijiazhuangRailwayInstitute.Shijiazhuang
050043,China)
最小二乘配置的SVD分解解法
作者:作者单位:
鲁铁定, 宁津生, 周世健, 臧德彦, LU Tie-ding, NING Jin-sheng, ZHOU Shi-jian, ZANG De-yan
鲁铁定,LU Tie-ding(武汉大学测绘学院,武汉,430079;东华理工大学地球科学与测绘工程学院,江西抚州,344000), 宁津生,NING Jin-sheng(武汉大学测绘学院,武汉,430079), 周世健,ZHOU Shi-jian(东华理工大学地球科学与测绘工程学院,江西抚州,344000;江西省科学院,南昌,330029), 臧德彦,ZANG De-yan(东华理工大学地球科学与测绘工程学院,江西抚州,344000)
测绘科学
SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING2008,33(3)
刊名:英文刊名:年,卷(期):
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本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_chkx200803016.aspx