贝叶斯估计在水深格网节点信息估算中的应用

离散数据格网化是目前表达高程和地形方法的前期工作和基础,而格网化的关键是如何利用节点周围的水深值序列推估格网节点水深值及其不确定度值。为解决这一问题,提出了基于贝叶斯估计理论的估计格网节点水深值及水深不确定度的方法,该方法具有独特的估计优势,可以很好的运用测量值和专家经验,得到可靠性较高的节点水深值和水深不确定度,对海底地形显示及数据质量估计具有一定的参考意义。     

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。     

基于变异函数的多波束抽稀间距确定方法

在格网化抽稀方法中,抽稀间距的选取直接影响多波束测深数据抽稀结果和构建海底地形的表征能力。为了合理确定多波束测深数据抽稀间距,将地质统计学中的变异函数理论引入到多波束测深数据抽稀中,由水深变异函数估计海底DEM的精度,得出海底DEM精度与抽稀间距的关系。通过仿真计算表明:如果给定海底DEM的精度,再依据计算得到的拟合水深变异函数参数值,即可确定多波束测深数据抽稀网格间距的大小,该法适用于多波束测深数据抽稀的应用中。     

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。     

海底地形测量成果的质量检核评估(一):交叉点不符值数列构建

分析了海底地形测量成果的多源异构和海量特性,指出合理构建交叉点不符值数列是开展数据质量评估及精化处理的关键。为避免格网法结果自身失真可能对评估造成的不确定性,充分准确挖掘交叉点不符值所隐含的粗差及系统性偏差等信息,提出应基于三角网构建海底地形曲面并计算全部水深交叉点不符值。结果表明,交叉点不符值数列构建结果具有唯一性,基于此可对海底地形成果可能隐含的误差作进一步探测并削弱。     

基于重力地质法反演南海海底地形

基于重力地质法(GGM)采用卫星重力异常数据反演了中国南海112°E~119°E,16°N~20°N范围1'×1'的海底地形模型,通过船测水深数据的直接格网化结果和ETOP01模型的检核进行了精度评价。结果表明,GGM模型较船测水深的直接格网化结果更为精细,在船测控制点分布均匀的海域,GGM模型能获得比ETOP01模型更高的精度。为进一步验证GGM模型受海底地形特征影响的情况,采用GGM模型与ETOP01模型分别内插出9356个检核点处的水深,并统计得到两模型差值的较差结果平均值为19.560m,标准差为130.156m,相对精度为4.79%。经分析得出:GGM模型与ETOP01模型在坡度变化平缓深海区有着较好的一致性,随着水深的依次变浅,二者的差异逐渐显现,在多海山的海域差异达到最大。最后,为充分发挥重力地质法在海底地形反演中的优势总结了其最佳适用条件。     

基于频域法的留尼汪海域海底地形反演

海底地形是全球地形的重要组成部分,对地球物理科学研究、经济活动等具有重要作用。基于Parker公式,利用卫星测高重力异常和船测水深数据,采用频域的方法反演了疑似马航MH370失事区域的留尼汪海域的10°×10°的海底地形。最后将反演的水深和船测水深、国际通用的海深模型ETOPO1作比较进行精度评估,结果表明:本文反演结果与船测水深相比误差平均值为-26.038 m,标准差为176.588 m;与ETOPO1相比,差异平均值为-33.541 m,标准差为160.769 m。这表明采用重力异常数据,结合船测数据能较高精度地反演海底地形。     

测高重力场反演海底地形方法比较

根据重力异常与海底地形的相关性,利用日本西之岛附近海域内的重力异常和船测水深,分别采用SandwellSmith方法(SS,1994)和重力地质法(GGM)反演了该海域内1'×1'海底地形模型,并将反演的模型与格网化船测水深模型和ETOPO1模型进行了对比分析。在GGM中,使用了迭代法向下延拓确定密度差常数为5.7g/cm~3。与SS模型相比,GGM模型与格网化船测水深模型的差值的标准差达到了37.10m。     

利用地貌形态相似性评估外版海图水深质量

为检验评估外版海图水深表达海底地形的准确性,利用外版海图和参照数据的水深分别构建Delaunay三角网,对海底特征地貌形态进行提取,设计了位置、表面积、体积相似度指标,对外版海图和参照数据表达同一处特征地貌的相似程度进行了量化。实验结果表明:所提方法可以有效提取海底地形中的特征地貌,所提相似度指标可以较为合理地反映外版海图和参照数据表达同一处特征地貌的相似程度,可为把握外版海图水深表达海底地貌的准确性、进而定量评估其质量提供参考依据,克服了传统经验方法只能进行定性评估分析的不足。     

多波束测深数据趋势面滤波阶次选择算法研究

海底地形深度数据滤波常用的方法有:交互滤波、中值滤波、趋势面滤波等。基于粗大误差判别3σ准则,研究测深数据趋势面滤波的方法,提出了海底复杂地形分区和滤波阶次自动选择算法,解决了模型参数需经验设定而造成的滤波效果不确定问题。系统可以客观地检测和剔除粗差,得出较高精度的三维海底地形数据,对多波束测深数据滤波的应用具有一定参考价值。     

A new method for weakening the combined effect of residual errors on multibeam bathymetric data

Multibeam bathymetric system (MBS) has been widely applied in the marine surveying for providing high-resolution seabed topography. However, some factors degrade the precision of bathymetry, including the sound velocity, the vessel attitude, the misalignment angle of the transducer and so on. Although these factors have been corrected strictly in bathymetric data processing, the final bathymetric result is still affected by their residual errors. In deep water, the result usually cannot meet the requirements of high-precision seabed topography. The combined effect of these residual errors is systematic, and it’s difficult to separate and weaken the effect using traditional single-error correction methods. Therefore, the paper puts forward a new method for weakening the effect of residual errors based on the frequency-spectrum characteristics of seabed topography and multibeam bathymetric data. Four steps, namely the separation of the low-frequency and the high-frequency part of bathymetric data, the reconstruction of the trend of actual seabed topography, the merging of the actual trend and the extracted microtopography, and the accuracy evaluation, are involved in the method. Experiment results prove that the proposed method could weaken the combined effect of residual errors on multibeam bathymetric data and efficiently improve the accuracy of the final post-processing results. We suggest that the method should be widely applied to MBS data processing in deep water.     

基于海洋灾害地质评价基础上的我国近海海底稳定性区划

通过对我国近海灾害地质类型的分析、评价进而进行海底稳定性区划研究,旨在反映近海地质环境对人类工程活动的适宜程度。文中提出了海底稳定性评价的概念,构建了以地震动、工程地质、地貌、直接型灾害地质类型和限制型灾害地质类型为主要评价指标的海底稳定性评价指标体系,并利用层次分析法确定了各评价指标权重值;将我国近海海底划分为6′×6′的网格单元,并以近海海底灾害地质图、地震动峰值加速度区划图和地貌图等矢量化图层为数据源,建立了模糊评价模型并对近海海底稳定性进行了定量评价。在此基础上将我国近海海底区域稳定性从稳定到不稳定划分为五级。     

CUBE算法及其在多波束数据处理中的应用

阐述了一种基于表面生成的多波束数据处理方法——CUBE(Combined Uncertainty and Bathymetry Estimator)算法,用该方法可以对观测区域网格节点"真实"水深及相关误差进行估计。与从测量水深中选择出"最佳"数据的手工交互方式的多波束数据编辑手段不同,CUBE算法具有很强的抗差性和较高的效率,适合于实时多波束数据处理。对南海某测区多波束数据处理结果表明,在没有人工干预的情况下,利用CUBE算法去噪生成的海底DTM图与手工编辑生成的相当吻合。CUBE算法和手工编辑方法综合对比得出,CUBE算法能够很好地保留水深地形细节,在计算效率、误差评估、实时处理等方面比手工编辑方法具有较大的优势。     

Improved representation of topographic effects by a vertical adaptive grid in Vector-Ocean-Model (VOM). Part II: Simulations in unstructured adaptive grids

A static adaptive grid approximates the topography and defines the vertical resolution in Vector-Ocean-Model (VOM). The adaptation to topography creates unstructured grids, which are organised in a one-dimensional vector by column-wise storage of only wet cells. The model’s name reflects this data structure. The intention of VOM is better resolving flow and stratification near topographic boundaries in Z-coordinates. This is the second part of a publication that describes the generation of adaptive grids (part I), and simulations with VOM in unstructured grids (this part). Adaptive grids generated for a synthetic topography in part I include shelf, continental slope, and ocean. Three of those grids are here utilised in upwelling simulations. Under the same forcing increased vertical resolution at seabed and slopes yields a significant increase in flow energy as compared to coarser grids. Results allow explaining the surface intensification of a continental slope jet by vertical displacements of water masses in the seabed Ekman layer. Results in unstructured grids are almost identical to reference simulations in equidistant grids where the respective smallest grid size of unstructured grids was used. Negative effects of grids on predicted flow and stratification are absent also over particularly rough topography, as demonstrated by using vertical velocity as most sensitive indicator. In a further simulation an overflow governed by the advection of water mass properties is presented to demonstrate the conservation properties of the model. After 5 months of simulation the predicted domain average temperature deviated by 10⁻⁸ from the initial temperature field. Compared to equidistant grids the advection/diffusion scheme looses about one order of magnitude in accuracy when used in an unstructured grid. The results of VOM, being defined in Z-coordinates, are void of coordinate transformation errors. In an arbitrary topography unforced zero-flow remains quiescent in a stratification that only varies in the vertical. VOM due to its depth-independent vertical resolution appears particularly suitable for simulations of ocean-shelf exchange.     

A Quantitative Method to Control and Adjust the Accuracy of Adaptive Grid Depth Modeling

To address the limitations of current methods to control and adjust the accuracy of depth models and relatively low accuracy, a quantitative method to control and adjust the accuracy of adaptive grid depth modeling is proposed. First, uncertainties in source data and interpolated depths are estimated, and the representation uncertainty derived from finite and discrete points representing the continuous seafloor surface is analyzed. Second, mean vertical uncertainty in an arbitrary given area is calculated. Finally, interpolation of the depths at grid nodes from source data and the distribution framework of the grid nodes are optimized in each local area, and an adaptive grid depth model is created according to the expected accuracy. The experimental results demonstrate that (1) the proposed method can control and adjust the accuracy of the depth model in each local area such that the accuracy of the constructed model meets the requirements of the expected index as closely as possible and (2) the proposed method can improve the accuracy of the depth modeling by optimizing the interpolation and distribution of the grid nodes.     

基于A~*算法的海底地形等深线模型构建方法研究

介绍了DEM原理和构建方法,利用现有矢量海图中的水深要素及海岸线岛屿要素,对生成电子海图海底规则网格数据进行研究。计算机辅助虚拟三维海底地形,运用线性八叉树场景进行分解寻求其规律性,用A*算法最好最优地勾绘出等深线,从而建立海底地形等深线模型,为实现电子海图海底三维可视化奠定了基础。最后对算法进行分析与完善。     

投弃式温盐深测量仪在海底地形测量中的应用

介绍了投弃式温盐深测量仪(XCTD)的原理和特点,利用它获得的声速剖面数据与声速剖面仪测量的声速剖面数据进行了精度对比,论述了在特殊环境下,利用多波束测深系统进行海底地形测量时,使用XCTD进行声速剖面测量的优势,解决了测量船停车才能进行声速剖面测量的弊端,显著提高了多波束测深系统作业的效率。     

基于经验模态分解削弱多波束残余误差的方法

针对多波束水深数据中存在的系统性残余误差,提出了基于经验模态分解方法来削弱残余误差的方法:首先利用经验模态分解方法对多波束测深数据作一维分解,将非线性、非平稳的多波束测深数据分解成准线性子波,然后构建水深数据趋势项与残余项,利用中央波束趋势项建立整体数据趋势项,最后加以水深数据残余项还原海底地形,削弱残余误差影响。通过实测多波束测深数据验证方法的有效性。     

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。