侧扫声呐图像精处理及目标识别方法研究

侧扫声呐(side scan sonar ,SSS)系统,作为水下地貌图像的获取设备,因价格低廉、分辨率高等优点在海洋工程、水下目标探测和识别等领域得到了广泛的应用.而目前SSS水下目标探测和识别均依靠人工判读,效率低下且精度难以保证.据此,论文开展了侧扫声呐数据精处理及目标识别方法研究.     

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。     

基于多波束和浅剖的海底浅表层沉积物分类关键问题研究

正开发和利用海洋油气资源是我国"海洋强国"战略的一个非常重要组成部分,而基于声学的沉积物结构探测则在该工作中扮演着不可或缺的基础保障作用。多波束和浅地层剖面仪(浅剖)均具备快速、大面积探测海底沉积物的能力,前者可探测海床表面沉积物,后者可探测浅表层数百米深度的沉积物。相对传统的钻孔取样方法,基于多波束和浅剖的声学沉积物探测方法提高了探测效     

侧扫声呐数据采集与地貌图像构建

针对水下航行器基于地形匹配实现自主导航时需要在线提取环境地形特征的需求,本文重点研究侧扫声呐实时数据采集与地貌图像构建方法。根据侧扫声呐的工作原理及其JSF文件格式,提取侧扫声呐扫描波束所对应的80数据帧,并完成数据解析;建立声呐扫描声强与灰度级转化模型,并构建环境地貌声学图像;通过海试试验结果与侧扫声呐专用软件所生成的地貌图像对比,验证本文方法的有效性和可行性。     

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。     

测船航速一全站仪极坐标法水下地形测量定位精度的保障

水下地形测量中,定位是一个重要的组成部分,定位精度的高低,直接关系到水下地形图所表示的水下地物、地貌的正确性。不同比例尺的水下地形测量的定位精度,必须采用相应精度的定位方法来保障,目前常用的定位方法有：前方交会法、后方交会法、侧方交会法、极坐标法、无线电定位法、GPS差分定位法及水下声学定位等。     

基于无人船测深技术的淀浦河纵横断面测量

基于无人船测深技术,对上海市松江区淀浦河部分河段进行了水下地形纵横断面测量。断面测量利用测量型无人船获取水底高程,通过数据处理完成断面绘图。实验证明,无人船断面测量具有较高的效率与精度,主测线水深与检测线水深较差合格率达到98.2%,满足了行业规范要求;同时该项较差可满足偶然误差分布规律,表明无人船测量精度已得到有效控制,因此是一种高效率可靠的水下地形测绘方法。延迟误差是无人船测量的瓶颈,因此,施测前需采用适宜方法对此项误差进行有效改正。     

海洋测量技术在输水隧洞进水口检测中的应用

本文以某输水隧洞进水口岩塞爆破后水下检测为例,综合利用多波束声呐、水下机器人、彩色图像声呐等声学和光学相结合的海洋测量技术,获得高精度、全覆盖、高时效性的输水隧洞进水口测量数据。检测结果显示：多波束声呐水下地形测量地形分辨率达1.25 cm,实现输水隧洞进水口岩塞爆破后的形状、尺寸、平面位置、高程及洞口周围边坡高精度检测;水下机器人深入隐蔽复杂的隧洞水底环境,搭载的彩色图像声呐剖面扇扫可拟合隧洞进水口岩塞段、锁口段和集渣坑断面,高清水下摄像呈现了爆破后洞身衬砌质量和集渣坑内块石堆积状况。本文综合利用海洋测量技术,实现了复杂环境水下隧洞的安全、高效、全覆盖检测,其技术手段可为相关水下工程测量提供借鉴。     

无验潮模式下的GPS水下地形测量技术

传统的水下地形测量模式定型于利用GPS测定水底点的平面位置,利用测深仪测定水底点的深度,附之以瞬时潮位资料,获得点位的高程。这种模式在上述条件具备的情况下,可取得完满的结果。但当验潮条件不具备时,该模式将不能获得测点的高程。为了弥补这一缺陷,简化工作流程,提高水下地形测量的精度,本文提出了一种无验潮模式下的水下地形测量思想,该思想不用专门测定潮位,而直接利用GPS的RTK测量技术,辅之以姿态测量和补偿,从而获得高精度的水底点高程。该方法被验证是正确的,希望进一步推广应用。     

差分GPS水下立体定位系统的迭代算法分析

差分GPS水下立体定位系统通过将差分GPS定位技术和水下声学定位技术进行集成,实现高精度水下定位。本文基于差分GPS水下立体定位系统的基本观测方程,简要介绍了迭代法的基本原理,从双曲线差分定位观测方程出发,使用求解非线性方程组常用的牛顿迭代法构造迭代方程式,并用实测数据验证了该算法的可行性。     

无验潮模式水下地形测量技术的研究

传统的水下地形测量模式定型于利用GPS测定水底点的平面位置,利用测深仪测定水底点的深度,附之以瞬时潮位资料,获得点位的高程.这种模式在上述条件具备的情况下,可取得完满的结果.但当验潮条件不具备时,该模式将不能获得测点的高程.为了弥补这一缺陷,简化工作流程,提高水下地形测量的精度,本文提出了一种无验潮模式下的水下地形测量思想,该思想不用专门测定潮位,而直接利用GPS的RTK测量技术,辅之以姿态测量和补偿,从而获得高精度的水底点高程.该方法被验证是正确的,希望进一步的推广应用.     

探测海底内部地质构造的浅地层剖面系统

海底表层探测可以使用诸如水下摄像、侧扫声呐等水下特种设备实现,但海底内部形态和构造就无法直接获取,这可怎么办呢?为了解决这一难题,一种名为浅地层剖面系统的设备应运而生,就像医学中的光学影像可以探测身体内部秘密一样,该设备可以探测海底内部秘密.     

侧扫声呐系统和网络RTK技术在人工鱼礁探测中的应用

侧扫声呐系统因可连续、全覆盖地获取海底地形和水下目标的声学图谱影像,在海洋测量、海洋工程勘探和水下考古等领域得以广泛应用。本文以大连西沙坨子周边海域的人工鱼礁投礁区为实例,在网络RTK技术的支持下,详细介绍了侧扫声呐系统探测人工鱼礁的方法和过程,并将侧扫测量结果与投礁区投礁前的海底地形侧扫数据进行了对比,同时,与投礁后潜水员下潜投礁区拍摄的影像资料进行了印证。结果表明,该方法获取的侧扫声呐声学图像不仅能直观、形象、准确地对人工鱼礁进行判读和提取,还能确定人工鱼礁的空间位置和掌握人工鱼礁在海底的空间布局,是一种行之有效的人工鱼礁探测方法。     

GIS支持下的黑潮锋特征提取方法研究

海洋环境对舰艇的作战效能具有重要影响,特别是海洋锋等海洋中尺度现象将导致水下声传播产生畸变从而严重影响舰艇的声学探测。研究了黑潮锋区海洋环境的特点,提出了利用趋势面分析得到黑潮锋区温度场的大面分布以及黑潮锋的变化趋势,探讨了计算温度场坡度、提取黑潮锋空间分布特征的方法,分析结果表明了该方法的有效性。     

GIS支持下的黑潮锋特征提取方法研究

海洋环境对舰艇的作战效能具有重要影响,特别是海洋锋等海洋中尺度现象将导致水下声传播产生畸变从而严重影响舰艇的声学探测.研究了黑潮锋区海洋环境的特点,提出了利用趋势面分析得到黑潮锋区温度场的大面分布以及黑潮锋的变化趋势,探讨了计算温度场坡度、提取黑潮锋空间分布特征的方法,分析结果表明了该方法的有效性.     

sUAV摄影测量技术在构造地貌定量研究中的应用

近年来随着无人机技术的迅速普及,随之发展起来的小型无人机(sUAV)航空摄影测量技术在构造地貌数据采集方面有着方便灵活、成本低和精度高等突出优势。本文在综述sUAV摄影测量技术的工作原理的基础上,结合构造地貌定量研究中的一些应用实例来介绍该技术在实际应用过程中的具体操作流程和注意事项。最后,简单论述了在复杂构造地貌中识别构造信息并提取相关活动构造地貌特征的一些方法。     

利用GPS在无验潮模式下进行江河水下地形测量

提出了一种无验潮模式下的水下地形测量方法，该方法不用专门测定潮位，而直接利用GPS的PTK测量技术，辅之以姿态测量和补偿，从而获得高精度的水底点高程。     

基于DEM的岷山构造带构造地貌初步研究

以地理信息系统(GIS)为平台,结合构造地貌研究,利用矢量地形数据,构建了岷山构造带数字高程模型(DEM),初步对岷山构造带,特别是岷山断裂带构造地貌特征进行了分析。研究表明,将DEM与GIS技术结合,辅以遥感图像解译和详细野外地质调查,能够直观地进行坡度、坡向以及地形起伏度和高程的统计分析等研究,在构造地貌研究中具有良好的应用前景。     

珊瑚礁遥感研究进展

珊瑚礁是生物多样性和初级生产力最高的海洋生态系统之一,对人类社会与海洋生态环境的健康和可持续发展有重要作用,而珊瑚礁又是中国南海主要的国土类型,国家因此越来越重视对南海珊瑚礁的规划、管理、建设与保护。珊瑚礁的调查与探测则是进行珊瑚礁活动的基础与依据,而遥感则在珊瑚礁的大范围探测方面具有很大的潜力,所以国内外已经存在很多利用遥感对珊瑚礁进行调查与探测的研究与应用。本文将按照被动遥感和主动遥感的顺序,客观地阐述国内外珊瑚礁遥感研究与应用的进展,探讨珊瑚礁遥感研究与应用的发展趋势,并尝试总结中国珊瑚礁遥感的机遇和挑战。其中被动遥感包括珊瑚礁地形与水深的遥感、珊瑚礁底质与地貌的遥感、珊瑚礁岸线变化与稳定性的遥感以及珊瑚礁环境的遥感等,而主动遥感则包括珊瑚礁水深的机载激光雷达遥感、珊瑚礁地貌的船载声学遥感和珊瑚礁地形的星载微波遥感等。结果发现,国内珊瑚礁遥感研究与应用的整体水平落后于国外:虽然在部分数据处理方面具有比国外更先进的技术,但相应的应用基础研究仍然达不到国外的广度与深度。因此,国内的珊瑚礁遥感研究仍需要鼓励珊瑚礁学者更多的参与与合作,以便在硬件设备和数据处理等方面加强针对珊瑚礁遥感的研究,进而融合多种手段而实现珊瑚礁遥感的工程化应用。     

GNSS/声学联合定位的自适应滤波算法

海底控制点布设是构建海洋时空基准的重要环节,而可靠的海洋基准定位模型及方法又是实现高精度海底控制点布设的前提和基础。应用广泛的走航船测量方式兼具灵活性和可控性,但载体异常扰动影响不可避免,易导致海底控制点联合定位模型解算失真。针对这一问题,本文提出一种基于自适应选权滤波的GNSS/声学联合解算方法。首先推导了统一海面及水下观测过程的GNSS/声学联合定位数学模型;然后研究了在联合模型的自适应滤波解算中对载体异常扰动的判别标准,给出了各状态参数自适应因子的构造方法;最后通过仿真和实测数据进行了试验验证。结果表明:引入自适应滤波算法后,能有效改善状态扰动对GNSS/声学联合定位的异常影响,提升其定位稳定性及定位精度;当分别对各类状态参数的自适应因子进行合理构造后,滤波效果可达最佳。