全球海底地形精细建模进展与发展趋势

精细的海底地形模型在海底板块构造运动、水下载体航行保障、海洋资源勘探等方面具有重要作用。回顾国内外海底地形探测技术和模型构建的发展,讨论当前全球海底地形精细建模的研究现状和面临的主要挑战,总结今后全球海底地形精细建模的发展趋势,认为基于卫星测高技术的海洋重力场反演仍是未来全球海底地形精细建模的主要技术手段,并且新体制测高卫星如双星跟飞测高和SWOT(surface water ocean topography)二维海面高测量任务将为进一步提升海洋重力场以及海底地形模型精度提供数据源,结合地形复杂度优化海底地形反演理论方法有望带来理论创新,探索人工智能技术用于海底地形精细建模值得关注。     

水下地形测量

同陆地一样，海洋与江河湖泊开发的前期基础性工作也是测图。不同的是，在水域是测量水下地形图或水深图。兴建港口；水上运输；海上采油；海底探矿；海洋捕捞，发展水产；海域划界，海战保障；监测海底运动，研究地球动力等任务都需要各种内容的水下地形测量。 水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。定位的作用是不言而喻的，目前的水上定位手段有光学仪器定位、无线电定位、水声定位、卫星定位和组合定位。平面位置的控制基础主要是陆上已有的国家等级控制点，卫星定位如采用差分方式，其岸台亦多采用已知控制点，以求坐标系统的统一。如果大洋测量采用卫星单点定位方式，则应根据需要确定是否进行坐标换算。水声定位网通常在特殊的、较小的范围内使用，因为目前水声传播的距离，在一般情况下，是不足以满足人们要求的。 水上定位同时，测量水的深度是确定水下地形的重要内容。测深主要靠回声测深仪进行。利用水声换能器垂直向下发射声波并接收水底回波，根据回波时间和声速来确定被测点的水深，通过水深的变化就可以了解水下地形的情况。20世纪60年代，出现了侧扫声纳，可探测船一侧(或两侧)一定面积海域内的水下障碍物和水底地貌，可以取得类似于航摄效果的水底表面声学图像。20世纪70年代，又出现了多波束测深系统，它能一次给出与航线垂直的平面内几十个甚至百余个海底被测点的水深值，形成一定宽度的全覆盖的水深条带，可以比较可靠地反映出水下地形的细微起伏，比单一测线的水深测量确定水下地形更真实。目前，多波速测深系统正向小型化发展，适用浅水海域和简易船只的新产品已经有售。20世纪80年代以后，又推出了高效率的机载激光测深系统，激光光束的高分辨率能获得海底传真图像，从而可以详细调查海底地貌和底质。美国国防制图局于1990年研制的ABS机载水深测量系统，除包括一台激光测深仪外，还有一台多光谱扫描仪和一台电磁剖面仪，能够在各种环境条件下，在飞机上利用激光、光谱和电磁测量几种方法互补快速测制沿海的水下地形图。这些手段一般可测深30～50 m，精度在±0.3 m左右。目前，还可以利用卫星上安装合成孔径雷达(SAR)等设备对海面遥感摄影，通过对照片处理确定水深。需要强调的是，以上水深测量得到的瞬时值存在着仪器、潮汐等因素的影响。因此，需在数据后处理中加入相关改正，并归算至统一的高程基准面。为了与陆上地形图实现拼接，水下地形图宜采用与陆地统一的高程基准。而为航海服务的海图通常采用理论深度基准面，它和平均海面相差一个常数。国外少数国家，在水下工程施工前，还利用潜水器携带水下立体摄影机获取水下地形的立体相片，或者利用高分辨率声学系统采取全息摄影技术测量水下地形。在特殊地区还可利用水下经纬仪、水下激光测距仪、水下气压水准仪和水下液体比重水准仪、水下电视摄影系统测量水下地形。 目前，水下地形测量过程已逐步实现自动化，数字产品已多见。     

基于相关系数迭代法的水下地形测量时间延迟探测方法研究

基于GNSS的水下地形测量系统中信号在传输过程中存在时间延迟, 导致时间不同步。时间延迟会影响水下地形精度, 因此在数据后处理时, 需要探测时间延迟量, 并加以改正。本文基于GPS RTK高程信号和姿态传感器(IMU)涌浪信号反映船体垂直方向运动的波形具有相关性的特点, 利用相关系数法, 对时间延迟进行了迭代求解, 以计算最佳时延量, 并加以改正, 最终获得了较为理想的效果。     

EM2040C多波束系统在采砂量监测中的应用

多波束测深技术在现代水下地形测量中发挥着重要作用,已应用于海洋测绘和内陆水体水下地形测绘中。本文介绍了EM2040C多波束系统的基本组成和性能,并以系统在海砂资源开采监测中的应用为研究对象,探讨了海砂开采量监测的技术方法和数据处理过程。研究结果证明,EM2040C多波束系统能够快速、高效地获取海底地形数据,其精度满足相关规范要求,可推广应用于海砂开采量监测中。     

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。     

机载LiDAR测深点云滤波与分类方法研究EI北大核心CSCD

机载LiDAR测深(airborne LiDAR bathymetry,ALB)技术在海岸带、海岛礁等复杂浅水海域的水下地形测量中具有效率高、精度高、机动性强等优势,但受复杂海面、水体环境等多种因素的综合影响,ALB点云中存在大量噪点,直接影响ALB数据成果质量及其应用。为此,论文针对海面异常点导致的海底虚假地形、海底点云过度滤波导致的真实地形细节损失以及如何深度挖掘ALB信息进行高效底质分类问题,分别从海面异常点检测、海底点云滤波和海底点云分类3个方面进行了详细研究。     

水下地形测量成果质量检验若干问题探讨

由于在GB/T 24356—2009《测绘成果质量检查与验收》中,针对水下地形测量的检验内容过多兼顾相关规范对流速、流向、底质等探测的要求,使得一般的水下地形测量成果检验时参照执行不方便,该文结合实际工作,对水下地形测量成果质量检验方法进行了研究:对水下地形测量成果质量元素及权的划分、样本的确定、特殊水下地形精度检测、粗差率的扣分标准等几个方面作了总结分析,为水下地形测量成果质检提供了操作性较强的方案。     

基于IMAGENEX DT101多波束测深系统水下DEM建模研究

水下数字高程模型的建立可以提高水下地形直观可视化表达效果,更精确地表达水下地形的目标大小、形态及坡度变化规律,为水利工程建设、水库清淤、防洪抗旱等工作提供有力的数据支撑。多波束测深系统具有大范围、高效率和高精度等优点,把测量技术从传统的以点代面、以线代面的测量扩展到了真正意义的面的测量,为水下数字高程模型建立提供高精度、高密度的原始数据。本文以辽宁某水库1∶2 000水下地形测量工程项目为例,基于IMAGENEX DT101多波束测深系统,研究了其水下地形数据采集的具体流程和数据处理关键技术,并利用Arc GIS建立了水下数字高程模型。结果表明:IMAGENEX DT101多波束测深系统能够快速、高效地获取水下地形测量数据,其成果精度满足了相关规范要求,可以推广应用到其他水库与河流相应比例尺水下数字高程模型建立。     

大面积水下地形测绘中的PPK技术应用研究

测深仪结合RTK或CORS定位是目前水下地形测量的常用方法,但当测量水域较大或通讯信号很差时,这两种方式无法建立数据链路进行差分,导致难以满足要求。通过开发相关软件实现将GNSS PPK解算的定位点结果以时间戳为准与单波束测深点进行自动匹配。经实地静态和动态测试,该方法的精度与RTK或CORS相当,可以满足大面积水下地形测量的需求,显著提高了作业效率。     

基于GPS RTK的过江隧道测图研究与应用

过江隧道测图包括1∶500陆上地形测量和隧道穿越的水下地形测量。陆上地形测量采用GPS RTK或全站仪全野外数据采集,水下地形测量采用GPS RTK配合测深仪进行全野外数据采集。本文以珠海市十字门过江隧道工程为背景,介绍了过江隧道1∶500地形图成图方法,特别是水下地形测量的方法和应用,建立了完整的技术流程,得到符合精度要求的十字门过江隧道测绘成果数据,可为GPS RTK配合测深仪的无人船在水下地形地貌测绘、航道测量、水下地质勘探等领域应用提供理论和实践参考。     

差分GPS水下立体定位系统

差分GPS水下立体定位系统包括GPS差分基准站、GPS浮标、水下收发机、船基控制中心四部分。差分基准站提供GPS差分改正,实现浮标内置GPS高精度实时定位。GPS浮标完成水上和水下的集成,检测水下收发机发射的定位信号并测量信号到达的时间,同时将各种数据发送到船基控制中心。船基控制中心接收各个浮标的数据后实时解算水下收发机的位置,同时将结果发送给水下收发机。本文首先对系统的总体构成和各个部分的功能进行了介绍,然后详细推导了系统定位算法,最后结合系统试验情况给出了系统试验精度统计结果。     

顾及双程声径的常梯度声线跟踪水下定位算法

高精度水下声学定位通常采用声线跟踪定位算法,但传统的声线跟踪方法一般针对单程声径进行声线弯曲改正,未能顾及船载换能器在声信号往返过程中发生的位移,导致海底应答器定位解算时引入系统性偏差,从而降低海底点定位精度。针对此问题,本文提出一种顾及双程声径的分层常梯度声线跟踪水下定位算法。该方法结合水下声信号实际传播路径,根据换能器在声信号发射和接收时刻的位置,构建双程声径水下定位模型,采用顾及双程声径的分层常梯度声线跟踪算法进行解算。采用圆走航观测与交叉十字观测的海上实测数据对方法进行了验证,结果表明,本文方法能显著提高水下定位精度。     

海浪对GPS浮标性能的影响分析

水下GPS定位技术是国际上近几年发展起来的高新技术。由于承载GPS接收机的浮标受海浪的影响,使得GPS接收信号附加了海浪的影响信号,最终影响到水下目标的精确定位。根据海浪的一般情况,主要分析了海浪对GPS浮标定位的影响,并建立了存在海浪影响的GPS浮标接收信息的数学表达式,最后给出了解决这一问题的建议。     

Preliminary results of the establishment of a marine geodetic point in the Pacific Ocean

In November 1968, a marine geodetic control point was established in the Pacific Ocean at a water depth of6,200 feet. The control point (reference point) consists of three underwater acoustic transponders, two of which are powered with lead-acid batteries and the third with an underwater radioisotope power source “URIPS” with a10- to20- year life expectancy. Four independent measuring techniques (LORAC airborne line-crossing, satellite, ship inertial, and acoustic techniques) were used to measure and determine the coordinates of the control point. Preliminary analysis of the acoustic and airborne data indicates that high accuracies can be achieved in the establishment of geodetic reference points at sea. Geodetic adjustment by the method of variation of coordinates yielded a standard point error of±50 to±66 feet in determining the unknown ship station. The original location of the ship station as determined by shipboard navigation equipment was off by about1,600 feet. Paper previously published in the Proceedings of the Second Marine Geodesy Symposium of the Marine Technology Society.     

利用GIS技术对莲花电站水库库容曲线复核分析

通过以GPS载波相位差分定位技术和回声测深仪等组成的三维数据自动采集系统,按照规定的测线,快速准确地采集高密度、高精度水下地形数据,获取水底测点平面和深度信息,利用以ArcGIS为平台的数据处理编辑软件,制作水下地形图、计算库容、生成库容曲线,并与初设库容曲线进行复核分析,为探查泥沙淤积对库容的影响、节能增效提供详实可靠的基础数据。     

GPS-RTK与数字测深集成系统在库容测量中的应用

GPS-RTK技术和数字测深技术的出现和发展,以及计算机技术的高速发展,为库容测量水下地形测量的数字化、自动化提供了基础。文章结合工程实例,介绍全自动数字水下地形测量系统的组成、工作原理及作业方法,并探讨了其测量精度、误差来源。     

RTK技术在煤田地震勘探中的应用

在介绍RTK(载波相位动态实时差分)的组成及技术原理的基础上,论述了利用RTK技术进行煤田地震勘探测量的方法,亦对其转换参教的求取和精度等方面作了初步探讨.由于RTK测量有着实时、快速、全天候等优点,大大减少了内外业的工作强度,提高了工作效率.     

一种线面组合的水下地形匹配算法

针对当前面匹配算法中采用Hu矩描述海底地形特征时存在细节辨识能力差而导致定位精度较低等问题,提出了一种线面组合的水下地形匹配算法。首先,引入经典TERCOM算法作为线匹配算法,改进其相似性度量方法和匹配区的搜索策略;然后,构造一种基于几何相似性的面匹配算子,用于在地形基准图中选取实测地形模型面的最优匹配;最后,设计一种基于固定阈值的线面算子的组合策略,实现水下地形匹配定位。试验结果表明,相比基于Hu矩的地形匹配算法,本文所提线面组合算法的定位精度明显提高,且稳健性更强。     

基于线阵水下定位的解析求解算法

当信号接收器位于同一直线时,DGPS水下立体定位系统的解析算法并不能解算出目标空间立体坐标。提出一种新方法,利用它们的几何关系,计算出它们所在平面的相对位置。得到平面位置可以作为求解立体坐标的一部分,还可以应用于平面内水下目标定位的测试。解算中四个信号接收器的数据可以解算出唯一解,当信号接收器数目大于四个时,利用最小二乘理论获最优解。该方法采用解析法直接求解,不存在定位结果的发散问题。     

基于垂直面阵水下定位的算法研究

当前的DGPS水下立体定位是基于水面上的基线面阵双曲线定位系统,对于信号接收器位于同一个垂直平面内时并没有给出具体的定位模型。利用垂直面阵上信号接收机的几何关系自定义坐标系,通过测边网解算方法计算出它们在所定义的坐标系中的坐标。水下声源发射器发射信号,经过一段时间后,各信号接收器接收到信号,利用示波器和信号处理技术得到各信号接收器接收时刻的时间差。通过建立距离交汇模式的定位模型,解算出水下声源发射器的三维坐标。结合在湖北清江的多目标水声信号识别与检测试验,根据实际测得的相关数据解算出水下目标发射器的坐标。由于此定位方法不需要GPS精密时钟,节约了定位成本。适合船体携带,操作方便。为水下目标定位提供了一个新的方法。