顾及特征水深点距离重分配的反距离加权插值算法

水深是反映海底地形地貌的最基础要素,对缺失的水深点进行准确的插值能帮助有效地表达海底地形地貌起伏形态。针对海底地形变化复杂的区域,传统的反距离加权插值法存在只考虑样本水深点与待插值水深点之间的距离,而忽略了样本水深点之间的空间相关性的问题。本文提出了一种顾及特征水深点距离重分配的反距离加权插值算法。该算法首先对离散的水深点构建特征水深线,在特征水深线的基础上,提取特征水深线上的特征点作为特征水深点;然后在所有样本水深点到待插值水深点距离之和不变的约束下,提出距离重分配的量化指标;最后构造出一个顾及特征水深点距离重分配的IDW插值算法模型。实验结果表明,在海底地形变化复杂的区域,顾及特征水深点距离重分配的反距离加权插值算法与传统的IDW、自然邻域插值、样条函数插值算法等相比,能有效提高水深点的插值精准度。     

基于三角网构建海底DEM的抽稀算法

为压缩海量水深数据,实现在高分辨率下快速、完整和准确地表示海底地形,提出了一种基于三角网拓扑结构的数据抽稀方法。该方法利用Delaunay三角网的模型优势,快速寻找与水深点相关的区域。根据水深点对区域贡献度大小决定取舍。实验表明,该方法充分顾及海底地形变化趋势,能有效识别海底地形特征点,并且抽稀速度快、失真小、精度高。     

顾及海底地形变化的狄洛尼三角网构建

数字水深模型是对海底表面形态的数字化表达,传统的网格数字水深模型存在不能根据海区水深变化情况自动调节内插水深间隔的不足,提出了以深度极限误差作为判断标准,顾及海底地形变化的补深补浅方法,并在此基础上构建了相应的狄洛尼三角网。 实验证明:与传统的最浅点抽稀规则格网方法相比,所提方法更能合理的反映出海底地形的实际变化情况,并明显改善 DDM 精度。     

基于IDW 的埕岛海域水下三角洲地形演变

为研究埕岛海域水下三角洲地形演变,利用1958—2014年间埕岛海域7个不同时期水深点的数据,采用 不同插值方法开展适用性比较,确定选用反距离加权法进行数据插值,生成研究海域范围内7期水深地形图。通过栅格计算对不同时期的水深地形进行研究,分析比较了各个时期的地形特征,总结出区域内地形演变规律。研究表明,埕岛海域内整体地形呈西南高东北低走势,3~12 m 等深线间水下岸坡地带地形最为复杂且变化剧烈,走河期淤积中心不断向东北方向推进,最大淤积厚度超过12 m,废弃后侵蚀中心逐步向岸移动,且后期侵蚀速率明显降低,形成了“陡-缓-陡”的地形特征。     

测线间非采样点水深值的平滑效应研究

为了表述和评价水深原图及海图水深数据对海底地形的表征能力,引入了水深插值平滑效应新概念,分析了航海图海道测量及海图编辑综合的水深数据选取特性,给出了测线间水深插值平滑效应的评价指标和方法,并进行了实例统计计算,计算结果表明了方法的可行性和有效性。     

空间内插法在航道测量水深检测中的应用

针对目前航道测量水深检测中主要依赖人工判读比对的主观随意性问题,探讨空间插值法在水深检测中应用的可行性。选取地形条件各异的测点样本数据,用反距离加权插值法、克里格插值法、样条函数插值法、自然邻点插值法对其插值分析。通过实验比较发现,需针对具体的地形特征选择最优空间插值法,对河床地形起伏大、水深测点密度较低的区域,空间插值误差的比对超限比例会超出规范允许的限值,故较难进行实际应用;反之,空间插值法具备应用可行性。     

基于多源水深数据融合的海底高精度地形重建

本文在研究多源水深数据构建技术的基础上,分析了张力样条插值算法和“移去-恢复”法的多源水深数据融合处理技术,基于该方法选取实验区,利用多波束、单波束、历史海图等多源水深数据进行高精度海底地形融合试验,并针对多源水深融合技术缺少误差评估的现状,利用split-sample方法对融合结果进行水深不确定性评估,形成融合结果的可靠性空间分布。结果表明该方法无论是在数据稀疏区还是高密度区都达到了较好的融合效果,既保留了高分辨率水深数据的细节信息,又较真实的反映了研究区海底地形特征,且构建的海底地形精度可靠,误差百分比集中在0.5%。本文整套数据融合和结果评估方法可为多源水深数据融合的海底高精度地形构建提供借鉴和参考。     

多源水深数据融合的近海数字水深模型构建

针对近海多源水深数据来源复杂,密度不均匀的特点,提出了构建近海数字水深模型的方法。首先选择合适的插值方法建立多分辨率的数字水深模型,然后采用叠加融合多分辨率网格的方法建立最终的高分辨率数字水深模型。以渤海海区的部分多波束、单波束数据为例,分别采用克里金法、连续曲率张力样条法和狄洛尼三角网法三种插值方法,结合模型融合建立高分辨率数字水深模型,评价了3种插值方法建立数字水深模型的精度,分析了影响数字水深模型建立的因素,并给出了多源数据构建数字水深模型的插值方法选取的合理化建议,以最大程度保证数字水深模型的精度,对我国目前近海的数字水深模型的建立具有实际应用价值。     

基于改进反距离加权算法的海底DEM建模方法

为了实现海底地形三维可视化,首先需要对海量多波束离散水深数据进行DEM建模处理。其中,基于反距离加权网格化的内插法原理简单、效率较高,生成的DEM模型较为贴近海底实际底面,适用于海底地形数字建模。但本文在实际建模过程中发现传统反距离加权算法在理论上存在缺陷,因此本文引入圆形窗口和夹角权因子对插值算法进行进一步改进。实例表明,改进反距离加权算法可以有效提高海底DEM的建模效率与精度。     

修正型缓坡方程的有限元模型

与缓坡方程相比,修正型缓坡方程增加了地形曲率项和坡度平方项,从而提高了数值求解的复杂性。本文将计算域划分为内域和外域,内域为水深变化区域,使用修正型缓坡方程,其中的地形曲率项和坡度平方项可用有限单元各节点的水深信息和单元插值函数表示,外域为水深恒定区,速度势满足Helmholtz方程,通过内外域的边界匹配建立有限元方程,并用高斯消去法求解。进而分别模拟了波浪传过Homma岛和圆形浅滩的变形,其结果与相关的解析解和实验数据吻合良好,证明了本文有限元模型的正确性。同时,通过与实验数据的对比也明显看出,在地形坡度较陡的情况下,修正型缓坡方程较缓坡方程具有更高的计算精度。     

基于半参数回归的DDM内插方法

提出了一种基于半参数回归的数字水深模型(DDM)内插方法。将原始水深数据误差和内插函数的逼近误差分别视作数字水深模型的偶然误差和系统误差部分,构建DDM内插的半参数回归模型;基于距离法与L曲线法,分别确定正规化矩阵R与平滑因子α;采用按方位取点的加权平均法,估计内插函数在任意节点处的逼近误差。实验结果表明:所提方法提高了DDM的构建质量;海底地形复杂程度越大,所提方法对DDM构建质量的提高程度越大。     

基于二维经验模态多波束测深插值算法比较

针对多波束水深数据非线性、非平稳性的特点,尝试将二维经验模态分解方法(BEMD)引入到多波束水深数据处理中,考虑不同包络面插值方法对二维经验模态分解结果的影响,比较了几种不同插值方法对于包络面插值精度以及筛分的标准偏差结果影响,并经过实测多波束水深数据的实验验证与分析,总结出适合应用于多波束水深数据二维经验模态分解方法的包络面插值方法。     

基于多波束数据的网格水深模型内插方法精度分析

以多波束水深数据作为源数据,分析了网格水深建模中的数据内插,介绍了网格水深建模所用的常用内插方法,并从水深建模的精度和效率出发,计算分析了网格水深建模过程中内插方法的应用效果。实验结果表明:在当前网格水深建模常用的内插方法中,加权平均法是较适合多波束水深源数据内插网格水深模型点的方法,双线性曲面法是较适合网格水深模型点推估模型表面任意点水深的方法。     

联合BEMD与LS-SVM的多波束异常数据探测方法

针对多波束水深数据非线性、非平稳性的特点,将二维经验模态(BEMD)和最小二乘支持向量机(LSSVM)引入到多波束水深数据异常值探测中,构建BEMD和LSSVM混合模型。首先,利用二维经验模态将多波束水深数据分解为不同频率的若干个本征模态函数;然后,考虑到异常数据处在高频部分,利用最小二乘支持向量机探测高频本征模态函数(IMF1、IMF2)中包含的异常值;最后,综合两组异常值判定原始水深数据中异常数据。通过实验证明方法的可行性且相比单一模型取得更好的异常值探测效果。     

顾及水深的单波束测深系统误差改正方法

为解决单波束测深系统利用单一延迟值改正往返断面位移精度低的问题,在分析单波束测深系统误差产生原理基础上,得出往返断面位移是由系统延迟引起的固定差和换能器偏角引起的与深度相关比例误差共同作用的结果,通过建立水深与往返断面位移之间的数学模型,证实水深与断面位移具有极高相关性。利用求取单波束系统延迟及换能器偏角参数,对同一测深系统各断面形态断面进行位移改正,断面往返测数据具有良好的吻合性。证实顾及水深的单波束系统往返断面位移改正方法具有良好的系统适用性,能提高测深精度。     

基于中值滤波加权修正的多波束声呐测深数据趋势面滤波方法

针对传统趋势面滤波方法中多项式拟合曲面系数向量的求取和作为阈值的均方根误差的求取都受到异常数据的影响,使该方法在异常测深数据较多的情况下滤波效果不佳的问题,提出了一种中值滤波加权修正的改进方法。在构造趋势面之前,对水深数据进行加权修正,以前后两次修正后数据的拟合优度的变化量作为是否进行下一步水深修正的依据,利用最终修正后的水深数据求取多项式拟合曲面系数向量和均方根误差,大幅降低了异常数据的影响,具有很强的抗差性。经仿真模拟数据和多波束实测数据滤波试验,该方法在异常数据较多的情况下依然良好,能够保持良好的滤波效果,明显优于传统趋势面滤波;同时,该方法能够保持较高的运算效率,适用于海量多波束测深数据的自动滤波。     

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。     

Trajectory and drift velocity of a sounding instrument in the field of nonuniform currents

We present a method for the determination of the trajectory of a sounding instrument and its drift velocity in the field of currents nonuniform in depth and develop special software for IBM/PC compatible computers. The proposed method and software are checked by using the well-known analytic solution of a similar problem given by Academician A. N. Krylov. We also consider some special examples of application of the developed method to the processing of the data of an OLT profilometer. Translated by Peter V. Malyshev and Dmitry V. Malyshev     

测深仪深水浅报现象的形成与自动纠正方法

简要介绍了容易被忽略的深水浅报现象的形成原因,通过分析深水浅报现象形成机理,确定了解决深水浅报现象的理论基础,提出了深水浅报实现自动纠正的方法。     

Depth Contour Smoothing Based on the Fitting of Multi-Segment Bezier Curves

To overcome smoothness inconsistencies in depth contours interpolated from sounding data, this paper proposes a smoothing method based on the fitting of multi-segment Bezier curves considering navigational safety. The basic principle of this method is the division of a generated depth contour into a series of bends categorized as either convex bends or concave bends. Different smoothing strategies are designed for different bends while considering the safety constraint. Convexity-preserving Bezier curves are used to fit convex bends. For concave bends, the line segment of the bend is utilized as a boundary to construct a control polygon within the interior of the bend, after which a Bezier curve is constructed based on the polygon. Experiments with real data are implemented, and the results are compared with those of other methods. The results show that the smoothing procedure for depth contours with angularities is effective and respects the safety constraint; moreover, the shape characteristics are preserved, and high positional accuracy is achieved. In addition, the proposed smoothing method is free of topological inconsistencies.