面向地形匹配的多波束测深数据抽稀方法研究

基于多波束测深的地形定位是水下潜器导航技术研究和发展的重点,多波束测深数据的高精度快速重采样是水下地形匹配定位的前提。传统的实时抽稀方法因对多波束测深数据模型的过分简化而效果欠佳。参考Douglas-Peucker算法和点云数据抽稀方法,采用角度-弦高联合准则对多波束每ping数据进行抽稀处理,参考导航地形图对抽稀后的多ping数据基于点云离散度进行二次抽稀处理,从而实现多波束测深数据的高精度快速抽稀处理。典型的数学仿真地形和实测多波束条带数据实验表明:文中提出的抽稀方法数据抽稀率仿真地形在85%以上,实测地形在90%以上,数据抽稀前后点云构成的曲面DEM误差在3%以内,并且算法实时性较好。     

3D正态分布变换在多波束自动校准中的应用

多波束测深数据存在横摇误差、纵摇误差、艏摇误差等,需进行校准。当前主要采用商业软件Caris进行人工手动校准,自动校准主要采用迭代最邻近算法等。针对Caris需要人工干预以及ICP容易陷入局部循环的缺陷,采用3D正态分布变换的配准方式,通过建立联合概率密度函数,采用似然函数建立匹配点云与目标点云之间转换关系。利用Hessian矩阵和梯度向量求最优化转换参数,完成多波束条带的自动校准。本文结合Caris中的人工配准结果,通过对3D-NDT算法匹配效果进行对比分析,验证了文中算法在平坦地区、斜坡区域等多种地形中都取得了更优的匹配效果,为实现多波束自动校准提供了重要的算法依据。     

基于四叉树的多波束水深数据快速检索方法

针对水下地形测量仿真器中的多波束测深结果仿真环节中,对海量已知水深点云数据进行处理时存在的检索效率低、内存占用大的问题,设计了一种基于四叉树的数据处理方案。以四叉树数据结构并采用序列化方式存储索引文件,提高点云数据的检索效率;通过内存映射的方法读取海量点云数据,减少内存占用。数据实验表明:相对于常见的遍历检索,在检索点云数不超过总点云数的约四分之三时,四叉树水深点云检索效率提高了1倍以上;在检索点云数越少,总点数云越多时,四叉树水深点云检索的效率最多可提升30倍以上。基于四叉树的数据处理算法可有效地提高点云数据的检索效率,适合于多波束测深结果仿真过程中的海量点云数据的处理。     

基于k-d树的多波束点云边缘与孔洞提取算法

多波束测深数据广泛服务于水下地形测量。一些基于测深数据的应用需要提取测深数据的边缘轮廓和探测数据中的空洞。针对已有边缘识别算法执行效率低、边界点提取不完整等问题,通过分析点云模型的局部几何属性,提出一种新的基于k-d树的由粗到精的边缘提取算法。首先抽稀测深数据,基于k-d树建立散乱点云的拓扑关系;然后计算散乱点云法向量,采用距离及角度阈值法进一步提取孔洞与边缘轮廓点并去除错误识别的点;最后基于凹包算法,精确获取边缘轮廓点。在西太平洋海域的实验表明：相较于Alpha-shape和Boundary estimation算法,本算法能够更为精确地识别出散乱点云中的边界点,实用性强。     

利用相邻测线重叠区域进行多波束测深横摇运动残差改正

针对多波束测深条带边缘波束易受到姿态和声速等多种误差影响、相对中央波束数据质量较低的问题,本文提出一种利用相邻测线重叠区域对多波束测深数据边缘波束进行横摇运动残差改正的模型,提高边缘波束测深数据的质量。使用沿航向的测深点匹配插值模型,完成中央波束测深点与边缘波束测深点的匹配,得到边缘波束测深误差值;使用横摇运动残差改正模型,实现顾及姿态角的条件下补偿波束入射角。计算实例表明：本文模型能够较为准确地提取边缘波束测深误差值,改正后的海底地形削弱了误差导致的上下起伏,有效地减少了影响边缘波束的多种误差,具有实际的工程应用价值。     

基于阈值自适应确定的多波束点云滤波算法

针对水下多波束地形测量点云去噪问题,提出了一种基于阈值自适应确定的点云滤波算法。首先引入虚拟网格对多波束点云进行分区编号,并采用二次分层统计法剔除显著离群噪点;其次归一化计算网格内种子点与邻域各点的坡度角,引入k-Medoids聚类算法自适应更新坡度阈值;最后按照多尺度滤波窗口逐级对点云进行迭代运算,得到精细化地形点云。2个实验区的多波束点云滤波实验结果表明,本文算法能较好去除多波束点云的噪声和非地形点,有效提高坡度阈值的自适应性,滤波精度有明显提升,可以适用于大规模的多波束点自动化云滤波工作。     

基于地形频谱分析提高多波束条带拼接效果应用

针对多波束测深系统条带拼接中的系统性残差问题,提出基于地形频谱分析的方法来削弱系统性残余误差的影响。该方法相对于传统的拼接方法,无需进行相邻条带ping(激发)连续匹配,避免ping误匹配所产生的地形长波项不符的问题,并且所采用的多面函数不仅可获得所测条带的重叠区长波项信号,还可获得非重叠区的拟合信号。结果表明,采用地形频谱分析法所处理后,多波束测深数据残余误差的影响得到了显著的削弱,拼接精度显著提升。     

一种针对滩涂LiDAR强度信息的条带噪声修正方法

针对滩涂机载激光雷达(LiDAR)数据的强度信息中存在的条带噪声,提出一种基于非线性RANSAC拟合强度联合直方图的修正算法。所提方法首先利用两个航带重叠区域数据的最近点构建强度联合直方图,之后强度联合直方图上利用二阶多项式构建归一化模型,再利用非线性RANSAC算法对二阶多项式进行拟合,最后利用拟合的二阶多项式对一条航带的数据进行强度修正,从而消除两个航带点云强度信息的不匹配现象。实验表明,相比于直接利用权重最小二乘法或RANSAC方法匹配联合直方图的强度修正方法,本文方法修正效果更好,且修正后航带重叠区的点云强度具有更好的同质性。     

基于自适应卡尔曼滤波的多波束数据改正方法

多波束测深数据质量受声速误差等因素影响较大,针对该情况,利用自适应卡尔曼滤波以相邻条带中央波束作为先验信息,对多波束测深数据进行改正。首先,以相邻条带的中央波束数据构建海底地形大致走向的趋势线作为先验信息,结合观测值与检查线测深值,得到观测值和先验信息的偏差;其次,利用卡尔曼滤波对观测值进行改正并对方法进行分析;最后,利用自适应卡尔曼滤波对多波束测深数据进行优化。实验表明:利用自适应卡尔曼滤波能够对声速整体误差影响的多波束测深数据进行有效改正。     

多波束声纳计量测试系统设计

为满足多波束声纳量值溯源与传递需求,设计多波束声纳关键参数的计量测试系统。基于大比尺原型深水港池和多维运行控制机构,通过水下横向测距代替垂向测深的方式对多波束声纳进行了测深准确度与有效条带宽度的计量测试。阐述了测试系统的主要组成和测试方法,给出了本测试系统测深结果的扩展不确定度。参考标准值与示值(或标称值)比对结果表明,被检多波束声纳测深示值误差小于0.2%,条带宽度误差小于7%。为规范水下声纳设备技术指标校准,指导多波束声纳计量标准建设提供参考。     

多波束点云滤波算法初步研究及适用性分析

为提高多波束数据处理的准确性和简便性,研究了多波束水深点云处理的策略和关键算法,构建了kd-tree(k-dimensional tree)结构加速点云查找,针对大尺度噪点设计了半径滤波和统计滤波算法,针对小尺度噪点提出了双边滤波算法,并对以上算法的适用性进行了探讨分析。实验结果表明,当设置适合的滤波阈值,半径滤波和统计滤波能高效去除大尺度噪点,且保留地形特征,总误差分别为2.25%和2.76%。在大尺度噪点去除的基础上,改进的双边滤波可以实现地形平滑的同时,保持水深点云的有效数据量。研究成果为多波束点云数据的自动化处理提供了解决方案,对多波束测量工作的效果和效率提升做了有益尝试。     

海上风电工程结构安全监测体系框架设计

文章针对海上风电工程结构安全监测的需求,在系统回顾了目前的主要监测现状及存在的监测难点的基础上,初步构建了水上、水下一体化安全监测体系基础框架,阐述了主要的工作流程,重点探讨了海上风电工程安全监测中的精密单点定位（PPP）技术、高程传递、多传感器集成、精密水下定位技术、水下摄像机标校、水下三维激光点云快速建模、水下桩基全景影像与点云数据匹配、多波束与侧扫声呐数据融合等关键技术,以期为海上风电工程结构设施管控、变化监控和防灾减灾提供新的应急方案和技术支撑。     

HY1621多波束测深仪的性能分析

基于HY1621多波束测深仪的多次研制试验,利用不同水域的测试数据,重点分析了HY1621多波束测深仪的测深稳定性、边缘波束稳定性以及测量精度。通过对比分析HY1621和T50-P多波束对新安江水库区域的水下地形扫测成果,以及对HY1621多波束在长江三峡库区的水下地形扫测成果所做的分析,验证了HY1621是一款达到预期性能设计指标的多波束测深仪。     

基于三维声纳点云的水下沉井地形探测技术

为了解决水下沉井地形监测难题,给出了一种基于三维扫描声纳的地形监测方法以及地形点云的高精度快速处理方法。首先,结合沉井特点,给出了一种悬挂式三维扫描声纳扫描沉井水下地形方法;然后,结合沉井形状及点云特点,给出由降采样点云抽稀法、基于欧式距离的区域自生长算法的点云去噪方法和基于K-means++聚类算法的沉井水下地形分割方法等组成的水下地形点云处理方法,实现了基于声纳点云的地形点云快速获取及水下地形恢复。实验结果表明,该方法可有效用于沉井水下地形探测。     

东海大桥轴线水下地形多波束扫测

阐述了使用多波束测深系统对东海大桥轴线水下地形扫测的技术方法，采用GPS实时动态测量、多站位同步验潮、测深精度的有效控制等方法，使大桥轴线水下地形测量和扫海工作的质量与效率明显地提高。扫测成果为东海大桥桥墩的打桩施工和主通航孔的方向确定提供了科学数据与决策依据。     

多波束测量边缘波束测深精度分析与评估

根据多波束测深系统边缘波束采集的异常数据云图,判别分析多波束测深系统的各误差源对边缘波束测深的影响,从理论上探讨声线折射所引起的测深误差与边缘波束角之间的关系,通过多波束测深工程实例的精度验证,结果表明:换能器安装的牢固程度和校准精度、测船定位和姿态改正与测深的时间同步性,对边缘波束的测深精度影响较大;声线剖面误差使得中央波束和边缘波束的测深偏浅或偏深,各波束的测深误差曲线呈现"哭脸"状或"笑脸"状,但对于各波束测深的综合精度,中央波束精度相对较高,两侧边缘波束精度相对较低。     

海底管道检测与三维点云重建算法

随着海底油气管道的铺设规模越来越大,为防止管道油气泄漏而导致人员伤亡和财产损失,海底管道的日常巡检尤为重要。提出一种基于多波束点云的海底管道检测与三维重建算法,利用高频多波束声纳对水下管道进行成像,对声纳图像采用经典边缘检测算法检测管道边缘,得到相应的点云数据,将点云数据拼接成一组完整的空间点云集合,对点云集合进行三维重建。通过水池试验结果证明,提出的算法流程能够有效地实现水下管道的检测与三维重建,具有较好的工程应用前景。     

多波束测深边缘波束误差的综合校正

边缘波束误差是影响多波束测深数据精度的主要因素,数据精度影响其可信度和使用范围,也是进行相关研究的基础.多波束勘测系统声呐参数的精确校正、勘测区声场模型的建立以及实时勘测海洋噪声的合理剔除是影响边缘波束数据质量的关键因素,严重时甚至导致勘测数据出现沿测线方向的条带状假地形或地形位置偏移.上述因素对多波束勘测数据的影响是一个综合作用的过程,靠单一的校正或编辑方法很难提高采集数据的精度.以多波束勘测原理和声学理论为指导,以多波束实测数据为研究基础和分析对象,运用GIS面向对象方法,全面分析造成多波束勘测大误差边缘波束的原因,并探寻改善已勘测多波束大误差数据、提高数据精度的综合处理方法,最终以可视化的方式实现人机交互处理.该项研究成果已初步应用于海洋项目总图编绘工作,并取得了预期效果.