多波束水深数据不确定度研究

针对目前多波束水深数据质量评定问题,提出一种基于交叉检查的多波束水深数据质量评定方法。该方法计算原始水深的不确定度信息,利用多波束交叉测线成果水深信息,分析交叉检查区域水深差值与不确定度相符情况。试验结果表明,不同的多波束软件得到成果水深及其不确定度不同,所提方法能检查出多波束成果水深与其不确定度不符程度。     

Teledyne Benthos TTV-301声学深拖系统在海底微地形地貌调查中的应用

介绍Teledyne Benthos TTV-301声学深拖系统的构成、海上作业模式以及声学数据获取方式,以南海某海域实测声学数据为例,对获取的多波束水深数据、侧扫声呐数据、浅地层剖面数据进行精细处理,获取高质量的水深图像、高分辨率的侧扫声呐图像和高精度的浅地层剖面图像。对同一海底微地形微地貌在不同声学影像上的反射标识进行对比分析,建立声学3D模型,形成海底浅表层的立体探测。实验结果验证了声学深拖系统在海底微地形地貌调查中的有效性与可行性,并可取得理想的效果。     

考虑自然邻点影响域的多波束测深数据趋势面滤波改进算法

针对传统趋势面滤波法在多波束测深数据粗差探测方面存在曲面拟合函数不确定、滤波不彻底以及部分水深点被不合理剔除的问题,通过引入散乱水深点局部最小范围——自然邻点影响域的概念,提出一种基于自然邻点影响域的多波束测深数据趋势面滤波改进算法。首先,通过对自然邻点影响域内的局部曲面进行分析,构造了影响域内特定局部坐标系下的统一曲面拟合函数;然后,利用该统一曲面拟合函数按照所提传递式迭代趋势面滤波法进行顺次迭代,逐步滤除影响正常水深点判定的粗差数据;最后,根据突变地形边界点在其相邻邻域地形内连续性不一致的特性,建立了面向突变地形边界点的判断准则。试验结果表明：该改进算法可适应不同复杂程度的海底地形,有效剔除多波束水深数据中的粗差点,同时对实际海底地形中的正常水深点和各种特殊水深点进行保留,显著提高了海底地形表达的精度。     

多波束海底地形畸变校正与声速剖面反演

提出了一种多波束测量声速剖面反演方法。即采用EOF(empirical orthogonal function)算法,对测区实测声速剖面数据进行模态向量提取,以多波束测量声速改正不完善引起的地形畸变程度为依据构造适应度函数,通过遗传算法优化声速剖面的重构系数,实现声速剖面反演。实验结果表明,反演的声速剖面能有效改正声速误差引起的海底地形失真,显著提高了多波束水深测量数据精度和处理效率。     

二次CUBE滤波算法及在边坡乱石区测深数据处理中的应用

针对传统CUBE（combined uncertainty bathymetry estimation）算法在水下边坡乱石区多波束测深数据滤波中表现出的水深估计不准确、地形特征模糊和粗差剔除能力不足等问题,基于乱石区测深数据特点,提出二次CUBE滤波算法,给出了位置和水深同步估计的思想和方法、顾及地形梯度的平面和水深不确定度传递模型、参考水深的多重估计和优选新算法,以及顾及地形梯度的二次水深估计模型,综合实现了乱石区水深的准确估计和粗差的自动准确检测。试验表明,本文给出的方法实现了粗差的自动准确剔除,提高了传统CUBE算法水深估值的精度,算法效率和抗差性更强,形成的地形特征更加准确。     

无人船在海洋水下地形测量中的应用和数据处理

水下地形测量是测量江河、湖泊、水库、港湾和近海水底点的平面位置和高程,用以绘制水下地形图的测绘工作。通过使用无人船搭载单波束测深仪、多波束测深仪、ADCP声学多普勒流速剖面仪、水质仪等多种数据采集设备进行海洋水下地形测量,可有效解决传统作业方式效率低下,受地形环境等因素限制较大的情况,能够满足传统测量方式难以完成的作业和工期要求。本文结合项目实际,通过无人船在海洋水下地形测量中的应用和数据处理研究,建立了完整的技术流程,得到符合精度要求的海洋水下地形测量成果数据。     

多波束数据质量等值线的水深不确定度表征法

采用不确定度理论进行评估是目前多波束测深数据质量的一个新的研究热点。基于国际海道测量标准(S-44),分析了适用于海道测量数据处理的不确定度评估方法;提出了基于多波束测深数据水深不确定度的数据质量等值线表征法。通过采用实例进行分析与评定表明,该方法为准确直观地评估多波束测深数据质量提供了理论依据和参考。     

一种多波束声速剖面反演与海底地形校正技术

为了解决在多波束测深中声速剖面代表性误差会造成平坦海底地形凹凸变形的问题，提出了一种基于海底观测值的声速剖面反演与海底地形改正技术。该技术利用波束入射角以及单程回波时间信息，建立波束位移与误差声剖的函数关系，采用间接平差与LM（Levenberg-Marquardt）法反演得到与实际声速剖面相近的改正声速剖面，从而达到校正海底畸变地形的目的。海上实验数据验证表明:与含有误差的海上声剖值相比，反演改正后的声剖值更接近海上实际声剖值；水深改正的相对标准差降低50%以上，有效地削弱了畸变海底地形的影响。     

无验潮模式水下地形测量的水位改正方法

采用无验潮模式进行水下地形测量时,定位信号不稳定会导致水位值出现异常。本文对起伏较小的沙滩区域单波束测深数据的水位值与水深值特征进行分析,研究水位值跳变的规律。对水位值与水深值进行相关性分析,采用傅里叶拟合的方法对异常段的水深数据进行拟合,根据水位值与水深值之间相关的特性,利用拟合函数对异常段的水位值进行改正。通过实例验证,该方法能够有效解决信号不稳定导致的水位异常,提高水下地形测量的高程精度。     

浅谈潮间带地形测量方法

潮间带作为海陆交互作用的区域一直是测绘中的困难地带。本文是对潮间带水深地形测量中人工测量方法的探讨,利用单波束结合杆测方法获得实时水深数据,利用DGPS进行定位,通过水位改正和声速改正最终获得地形数据。     

利用BP神经网络剔除多波束测深数据粗差

针对多波束单ping水深数据多呈现较为复杂的曲线形式的现象，提出了基于逆传播（back propagation，BP）神经网络的多波束测深数据粗差剔除方法，即依据BP神经网络具有从输入到输出的映射功能，构建适应多波束单ping水深数据复杂曲线的训练学习算法进行曲线拟合。考虑地形之间的延续性进行相邻ping水深数据间的相关性分析，纵向检查定位并剔除粗差。通过实测多波束测深数据验证该方法的有效性，并与不确定性与测深学联合估值滤波以及交互式滤波方法进行比对分析，结果表明该方法可以有效剔除多波束测深数据中的粗差。     

利用垂直重力梯度异常反演海底地形的解析方法

目前,基于重力数据反演海底地形方法的主要原理是利用测深数据拟合出海底地形与重力（或重力梯度）数据之间的线性关系,这会导致对不同的海底地形会有不同的线性关系。为了克服这种不确定性的制约,本文基于长方体海山产生的垂直重力梯度的表达式,通过将研究海域进行格网化,建立了垂直重力梯度（vertical gravity gradient,VGG）与海深之间的函数关系,即关于海深的观测方程组,在此基础上,通过模拟计算,验证了观测方程组的解不仅唯一可解,而且具有较好的抗误差干扰性质。由于观测方程组受到研究海域外海山的影响（分为边界效应、远区影响）,因此,需要相应的数学方法来处理这些影响。本文将研究海域进行扩充得到扩展区域,然后在扩展海域上研究观测方程组,此时为了避免观测方程组出现奇异性,引入了正则化方法对扩展后的观测方程组进行求解,并从中截取研究海域上的海深。模拟试验表明,使用正则化方法后,边界效应对反演海深的均方根误差为0.48 m。最后,对南中国海真实海底地形进行了反演计算,将反演的海深与研究海域内的289个船测数据点进行对比,反演结果的均方根误差达到109 m。     

CUBE曲面滤波参数联合优选关键技术及应用

CUBE(combined uncertainty and bathymetry estimator)算法是国际上主流的多波束测深异常值自动探测与处理算法,在国内外被广泛应用,但对其核心算法和参数知之甚少,不利于该项技术的国产化。本文详细阐述了CUBE算法的基本原理、数学模型、关键参数和处理步骤,进而建立了CUBE曲面滤波参数联合优选方法。通过选取典型地形区、参数试验、对比分析等步骤完成参数的联合优选,并用台湾浅滩实测数据进行了验证。结果表明,优化后的参数可有效提升多波束数据自动处理的精度和效率。本文成果可应用于国产多波束测深处理软件的深化研发以及多波束实测数据处理。     

一种基于常梯度模板插值的声线跟踪算法

常梯度声线跟踪在计算波束脚印位置时精度高,但过程复杂、效率低,应用于深海测量时尤为严重,因此提出了一种基于常梯度声线跟踪模板的波束点插值计算方法。首先研究了基于常梯度声线跟踪模板进行波束点位插值计算的理论基础,发现通过模板差值可以确定波束足迹;然后提出了基于常梯度模板插值的声线跟踪算法,主要包括常梯度声线跟踪模板构建、过跟踪和欠跟踪算法、吃水影响及补偿模型,并在此基础上,将该算法应用于浅水、中水和深水声线跟踪计算。实验结果表明,该方法在确保跟踪精度的同时,可以大幅度提高计算效率。     

多波束与RTK三维水深测量技术的联合应用

介绍多波束测深系统的构成、工作原理、作业方法,以及RTK三维水深测量技术的理论依据,通过在渤海湾航道水深测量的工作实践,证明使用多波束系统结合RTK三维水深测量技术联合作业,可以得到令人满意的测量精度。     

基于GDI+的多波束测深数据可视化研究

多波束测深数据的可视化处理是提高数据处理效率和精度的有效途径。本文针对多波束测深数据的密集、数据量大的特点,探讨了基于GDI+实现多波束测深数据处理可视化的基本流程和关键步骤,给出了几种实用的坐标变换模式,提出基于图像的绘图模式实现了多波束测深数据的快速绘制和刷新,提高了绘制和刷新速度,满足了测深数据可视化处理的要求。     

基于主成分分析与粒子群优化的遥感影像变化检测

针对变化检测中差异影像上变化阈值选择困难的问题,该文提出了使用粒子群优化算法自动地从差异影像上选择最优变化阈值的方法。该方法首先利用主成分分析法从影像中提取包含最大信息的主分量,利用主分量构建差异影像;在此基础上,使用高斯混合模型估算差异影像的初始阈值,最后通过粒子群算法计算出最优的变化阈值。实验结果表明,该方法能够迅速地获取变化阈值,避免了人工选择时繁琐重复的尝试,且检测结果精度较高。     

Detecting coastline change from satellite images based on beach slope estimation in a tidal flat

Beach heights and tidal variation have large impacts on the accuracy of estimates of coastline position and its historical changes of a wider and flatter beach based on remote sensing data. This study presents an approach to analysis of waterline movement based on the beach slope, estimated from two effective images with Landsat images data. Two images acquired at different stages of the tide were processed to delineate accurately the position of the waterline. Then waterlines were assigned heights using elevations predicted by a two-dimensional non-linear tidal assimilation model. Beach slope can be calculated piecewise using the heighted shorelines based on the equiangular triangle theory. The positions of the national tidal height datum coastline can be obtained by the beach slope calculation method to accurately monitor the changing of coastline. A change in the coastline of the southwest tidal flat of the Yellow River delta, from Tianshuigou to the Xiaoqing River mouth, was detected by combining field measurements of profiles and bathymetric data. The root mean squared error (RMSE) of the calculated slope of the intertidal zone was one order of magnitude less than the measured slope. The minimum error of self-consistency check is 0.2%. The RMSE between the coastlines estimated by the proposed method and those surveyed data varies from 53.98 m to 217.72 m. It is shown that this method is more suitable for the two years and over the time scales of shoreline change monitoring. To assess erosion/accretion patterns in the tidal flat, and the controlling factors, the volume of the beach was investigated as a possible indicator. The accepted coastline position and changes in the beach volume were used to monitor the changing pattern of accretion and erosion along the coast southwest of the recent Yellow River mouth.     

基于多波束测深系统的RTK三维水深测量技术应用研究

多波束测深系统因为具有测量面积大、速度快、精度高、成图自动化等诸多优点,而得到广泛应用。但是传统多波束系统作业需要进行验潮,因而受客观条件以及人员配备等因素影响较大。笔者以自身参加的项目为例,对基于多波束测深系统的RTK三维水深测量技术作业方法、测量精度等进行了介绍,为该技术的推广应用得出了一些有益的结论。