CN103292792A - 一种适用海底探测与假地形处理的实测svp重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用海底探测与假地形处理的实测SVP重构方法，本发明通过SVP的快速提取与重构，然后通过声速剖面的采集和读取，并基于D-P算法，实现了原始声速剖面的快速解析、特征识别与简化，并通过实时勘测的海底变化来检查声速剖面的合理性；通过海底地形预成图，给出勘测中假地形存在与否的判据，进而判断SVP的时空合理性；通过多点SVP的时序、空序和简化模型来重构新的SVP，并通过海底地形成图来判断重构SVP的合理性，最终实现了海底地形地貌的合理成图。本发明的优点是快速简化实测SVP，提升了海底探测的实时工作效率；该技术方法在海洋测绘、海底探测与研究中具有重要的实际应用价值。

Description

一种适用海底探测与假地形处理的实测SVP重构方法

技术领域

本发明涉及到海洋测绘、海底地形地貌调查研究和海底科学等技术领域。

背景技术

声速剖面（SVP，SoundVelocityProfile)是多波束测深、单波束测深与浅层剖面等海底地形地貌探测与处理中最重要的参量之一。声学探测设备依据声反射与折射原理，根据旅行时和声速计算声波在海水中的传播路径、空间位置、水深和声强等，因此，SVP直接影响海底地形地貌探测数据的精度。

目前，在海底地形地貌探测中，多使用CTD或XBT等仪器设备来采集声速在海水中SVP，这些设备可以在线或自容式工作。根据探测区深度，采集仪器的数据采集频率多数可调，常大于1Hz以上。实测的SVP的数据量一般很大，少则近百点，多则数百点甚至超过千点。现代海底地形地貌探测仪器多是实时性很强的设备，在浅水区数据采集的频率常达到数十赫兹，SVP数据点数过多将严重影响仪器的计算速度，进而影响实时工作的效率，有时甚至出现数据丢失甚至导致采集设备崩溃现象。因此，在实时探测中，使用最简洁的SVP是提高工作效率的关键。如何在复杂多变的海洋环境中快速提取简洁、不损失有效信息的SVP是海底地形地貌探测工作中的一项重要内容。

在海底地形地貌探测与数据处理中，SVP的采集多通过人工方式进行，但在实际勘测中，受恶劣天气影响，采集SVP并不容易。此外，在近岸河口区、海峡区和浅水区，受浪、潮、流等动力因素影响，海洋环境易变，尤其在异常天气前后，海洋环境常发生剧变，从而导致海洋声场随之变化，在该种区域进行海底地形地貌探测，实时采集的声速剖面常不能满足工作要求。如果SVP存在误差或者不能控制测区，在海底地形地貌实时探测和后处理中，其表象为海底水深面发生畸变，在平坦海区常表现为对称性的向上弯曲或向下弯曲，也就是所谓的“笑脸”和“哭脸”，在空间上表现为沿航迹方向的“脊状”假地形。目前，处理该种地形假象多采用“等效声速”的方法，也就是重新构建一个单梯度或简单模型来替代实时测量SVP，从而达到改进海底地形数据质量的目的，“等效声速”常常与实测的SVP差异非常大。海底地形探测误差可能是SVP、横摇、潮位和噪声等多种因素共同作用的结果，仅依赖“等效声速”来改进数据，有可能会抑制甚至掩盖其他因素造成的测量误差。因此，在海底地形地貌测量中，如何尽量保留实测SVP来提升勘测数据精度是海底地形地貌数据处理中需要解决的问题。

从检索的公开资料分析，目前无成熟的技术方法解决海底地形地貌探测与处理中声速剖面的快速提取和保真构建问题，现有的技术方法存在混淆多种来源测深误差的风险。

发明内容

本发明针对海底地形地貌探测与数据处理中的SVP快速提取及有效利用问题，提出一种基于D-P算法的SVP快速提取及多点SVP时空重构方法，从而实现海底地形地貌的实时高效探测与数据处理的SVP保真重建。

本发明是通过下述技术方案得以实现的：

一种适用海底探测与假地形处理的实测SVP重构方法，包括下列步骤：

步骤1：实测SVP特征快速简化与提取

(1)SVP数据采集：使用海洋声速剖面仪器，采用在线或自容工作模式，实时采集SVP，并形成原始数据集V₁={v1_i}，其中i为自然数；

(2)SVP数据读取：从海洋声速剖面仪器读取采集的SVP数据，包括深度、声速、温度和盐度、采集的时间和大地坐标，形成SVP数据集V₂={v2_i}；

(3)使用D-P算法对SVP特征识别与简化：使用D-P算法，对原始SVP剖面进行特征提取与拟合，调整曲线偏离因子D来拟合并简化原始SVP，保留原始SVP曲线的拐点，形成SVP数据集V₃={v3_i}；

(4)地形地貌实时勘测并检查SVP：将步骤（3）获取的SVP数据集V₃={v_i}传输到海底地形地貌实时采集系统，并加载到实时采集软件，通过现场监控端，观测实时采集的海底面变化情况；若发生声速层数大于m，其中m为外部输入常量，返回步骤（3）重新拟合SVP；若海底面出现以中央波束为中心的对称向上或向下弧形弯曲应返回步骤（1）并重新采集SVP；

步骤2：基于实测SVP的海底地形地貌数据预处理

将SVP数据集合V_all={V_i}导入多波束数据后处理系统，每个声速剖面V_i均包含采集的时间t_i和大地坐标位置(x_i,y_i)，使用多波束后处理系统输出海底离散水深数据，采用距离反比加权方法构建海底DTM，进行初步海底地形成图，采用下述方法以判断采集的SVP是否满足海底地形地貌数据后处理需求：

若，出现沿船前进迹方向的脊状假地形，所述的脊状假地形是指以航迹中心线为对称轴的向上或向下弧状弯曲地形，则进入步骤3，

若，形成的海底地形无脊状假地形，进入步骤4；

步骤3：基于多点实测SVP的时空重构

（1）数据检查：将获取的SVP数据集合V_all={V_i}按每个声速剖面V_i的采集坐标投影到大地坐标系中；

（2）按时序构建SVP：若多波束测量数据的时间t不被SVP数据集合V_all={V_i}采集时间T所包含，则查询V_all={V_i}，通过数据的测量时间t和声速剖面的测量时间t_i的差值Δt(Δt=|t-t_i|)最小的SVP数据V_i，并以V_i的SVP特征为依据，通过复制方式增加一个新的声速剖面V_new，并返回步骤2，通过海底地形的重绘；所述SVP特征是指深度、声速、温度和盐度；

（3）按空间分布重构SVP：当SVP在空间上分布不均匀时，根据测量数据的时间t和位置(x,y)，依次查询V_all={V_i}的时间t_i和位置(x_i,y_i)，查询在时间差值Δt(Δt=|t-t_i|)和空间距离最小的两个相邻声速剖面V_i={vi_i}和V_j={vj_i}，按照下述方式形成新的声速剖面V_k：

V_k={vk_i}，每个声速值vk_i=|vj_i-vi_i|×|t_k-t_i|÷|t_j-t_i|，其中t_k、t_i和t_j分别为声速剖面V_k、V_i和V_j的测量时间，t_k为外部输入的数值；

然后返回步骤2；

（4）新增加可调SVP：若在步骤2和步骤3超过n次循环测算，仍无法构建海底DTM，则构建简化的SVP，该SVP包括四个数值：入水声速值v_surf、换能器附近的拐点声速值v_tran、声道拐点声速值v_turn和最深处声速值v_last，并返回步骤2；

其中的n为外部输入变量；

步骤4：海底地形地貌图制作

采用距离反比加权方法构建海底DTM，并绘制海底地形图和海底地貌图。

在本发明的步骤1中的(1)SVP数据采集：可采用多种仪器设备采集SVP(SoundVelocityProfile,也称声速剖面)，常用的有CTD和XBT等，工作模式有在线方式和自容式。在线模式通过相关软件设置参数后在采集设备上连接有工作电缆，由电缆实时传输采集信号，该种模式能直观实时地观测与采集SVP，其缺点是采集端要离工作间或工作电脑比较近，该种模式适合集成式工作，如同时采集SVP和采水作业。现在海底地形地貌勘测中多使用自容式工作模式，设置好相关采集参数后，仪器设备脱离工作电脑，直接由钢缆连接入水采集SVP。形成实时采集的SVP数据集V₁={v_i}。

(2)SVP数据读取：通过连接电缆，实现SVP采集仪器与工作电脑的连接，从而读取采集的SVP数据，包括深度、声速、温度和盐度等。SVP数据分为仪器下行和上行段，考虑到仪器设备的稳定性，多使用上行段采集的数据，也可取上行和下行的平均值。逐点读取实时采集的SVP，并形成SVP数据集V₂={v_i}。

（3）基于D-P算法的SVP特征识别与简化：可采用多种方法对原始SVP进行拟合，如三次样条曲线、贝塞尔曲线和最小二乘法等，但这些方法有可能平滑SVP的原始特征。我们采取的是D-P算法（也称为Douglas-Peucker算法，由DavidDouglas和ThomasPeucker于1973年提出的一种曲线抽稀算法，可对曲线大量冗余点进行精简并保留曲线最基本特征，已是计算机图形学中的一种公开通用算法）对原始SVP剖面进行特征提取与拟合，该方法最大特点是能以最少的点数保留原始剖面特征，通过自动调整曲线偏离因子D(初始D为外部输入变量)来达到最佳拟合曲线的目的，同时也可控制最终SVP的点数，达到提升实时工作效率之目的。简化后形成SVP数据集V₃={v_i}。

(4)地形地貌实时勘测并检查SVP：将步骤（3）获取的SVP数据集V₃={v_i}传输到海底地形地貌实时采集系统，并加载到实时采集软件，通过现场监控端，观测实时采集的海底面变化情况，如发生工作效率低下或系统运行速度降低等情况，表明声速点数偏多，应返回步骤（3）重新拟合SVP，如果在平坦海区，探测的海底面出现“哭脸”或“笑脸”应返回步骤（1），表明海洋声场已发生变化，现有的SVP无法控制测区，应重新采集SVP。

步骤2：形成实测SVP数据集合。

形成工区完整的实时SVP数据集合V_all={V_i}，每个SVP均包括采集时间、采集的坐标位置，使用的仪器设备，使用的采集参数等，为后期的海底地形地貌数据处理奠定基础。

步骤3：基于实测SVP的海底地形地貌数据预处理。

通过步骤1和步骤2采集了完整的实测SVP数据集合V_all={V_i}，通过后处理系统，将SVP数据集合V_all={V_i}导入，同时输入正确的声纳参数（横摇、纵摇、艏摇和GPS迟延）、吃水和潮位等数据，经数据噪声滤波后，构建海底DTM（是表示地面起伏形态和地表景观的一系列离散点或规则点的坐标数值集合的总称），进行初步海底地形成图，以判断采集的SVP是否满足海底地形地貌数据后处理需求，当出现沿航迹方向的假地形时进入步骤4，如果海底地形正常，进入步骤5。

步骤4：基于多点实测SVP的时空重构。

（1）数据检查。将获取的SVP数据集合V_all={V_i}投影到坐标系中，通过每个声速剖面V_i的坐标和采集时间来检查其合理性。首先，检查在时间上所有的声速剖面是否控制了测量数据，也就是所有V_i的采集时间范围T包含了地形地貌采集数据的时间t。其次，将SVP投影到平面上，看所有声速剖面在空间分布上的合理性，是否在工区均匀分布，是否存在无声速剖面的空白区。

（2）按时序构建SVP。以时序优先，顾及空间分布的原则来重构SVP。当测量数据的时间t不被SVP采集时间T所包含时，需以距离测量时间t最近的SVP的特征为基本依据，重新构建一个新的SVP，并返回步骤3，通过海底地形的重绘，来检查所构建SVP的合理性，并通过人机交互模式调整新构建SVP的数据点，直至满足步骤3的要求。如假地形消失，进入步骤5。

（3）按空间分布重构SVP。当测量数据的时间t完全被SVP采集时间T所包含时，但SVP在空间上分布不合理时，根据测量数据的时间t，查询在时间和空间上距离最近的SVP，通过时间内插方式形成新的SVP，并返回步骤3判断新SVP的合理性。如假地形消失，进入步骤5，否则通过人机交互模式重新调整SVP。

（4）新增加可调SVP。当步骤（2）和（3）均不能有效解决沿航迹方向的条带假地形时，检查其他参数的合理性，重点是横摇和潮位，如果均不存在问题，说明测区声速时空变化非常剧烈，而测量的SVP太过于稀疏，无法控制测区，需要新增一个结构简单的SVP来处理测量数据，该SVP应以测量的SVP为原型，保留原SVP的最大拐点，包括在换能器附近的拐点和声道拐点，从而形成一个新的SVP，并返回步骤3以检查新增SVP的合理性，通过调节最大拐点间其他数据点，直至沿航迹方向的假地形消失，进入步骤5。

步骤5：海底地形地貌图制作。

构建海底DTM，并绘制海底地形图和海底地貌图，如存在假地形，返回步骤4，直至假地形消失。

有益效果

本发明的显著特征是基于D-P算法实现了实测SVP特征的快速识别与提取，以极少点数的SVP来替代原始测量的SVP，提升了海底地形地貌实时探测的工作效率，保障了采集系统的高效运行。基于原始SVP探测数据集，分析多点SVP时空分布的合理性，通过数据预计处理效果来检查SVP，显著特征是忠于原始SVP，并基于时序、空序和可调模式来重构SVP，从而有效解决海底地形地貌探测和处理中的假地形问题。该发明在海洋测绘、海洋调查与海底科学研究中具有非常重要的实际应用价值。

附图说明

图1本发明的工作流程图

图2本发明实施例的实时SVP特征提取

图3本发明实施例的多点重构SVP示意

图4本发明实施例在处理前存在假地形的海底地形图

图5本发明实施例在处理后假地形消失的海底地形图

具体实施方式

下面结合本发明的实施作具体说明：

实施例1

一种适用海底探测与假地形处理的实测SVP重构方法，是按照下述步骤建立的：

完整的工作方法流程如图1所示。

步骤1：实测SVP特征快速简化与提取

(1)SVP数据采集。可采用多种仪器设备采集SVP，常用的有CTD和XBT等，工作模式有在线方式和自容式。在线模式通过相关软件设置参数后在采集设备上连接有工作电缆，由电缆实时传输采集信号，该种模式能直观实时地观测与采集SVP，其缺点是采集端要离工作间或工作电脑比较近，该种模式适合集成式工作，如同时采集SVP和采水作业。现在海底地形地貌勘测中多使用自容式工作模式，设置好相关采集参数后，仪器设备脱离工作电脑，直接由钢缆连接入水采集SVP。形成实时采集的SVP数据集V₁={v_i}。

(2)SVP数据读取。通过连接电缆，实现SVP采集仪器与工作电脑的连接，从而读取采集的SVP数据，包括深度、声速、温度和盐度等。SVP数据分为仪器下行和上行段，考虑到仪器设备的稳定性，多使用上行段采集的数据，也可取上行和下行的平均值。逐点读取实时采集的SVP，并形成SVP数据集V₂={v_i}。

(3)基于D-P算法的SVP特征识别与简化。可采用多种方法对原始SVP进行拟合，如三次样条曲线、贝塞尔曲线和最小二乘法等，但这些方法有可能平滑SVP的原始特征。我们采取的是D-P算法对原始SVP剖面进行特征提取与拟合，该方法最大特点是能以最少的点数保留原始剖面特征，通过自动调整曲线偏离因子D来达到最佳拟合曲线的目的，同时也可控制最终SVP的点数，达到提升实时工作效率之目的。简化后形成SVP数据集V₃={v_i}。

(4)地形地貌实时勘测并检查SVP。将步骤（3）获取的SVP数据集V₃={v_i}传输到海底地形地貌实时采集系统，并加载到实时采集软件，通过现场监控端，观测实时采集的海底面变化情况，如发生工作效率低下或系统运行速度降低等情况，表明声速点数偏多，应返回步骤（3）重新拟合SVP，如果在平坦海区，探测的海底面出现“哭脸”或“笑脸”应返回步骤（1），表明海洋声场已发生变化，现有的SVP无法控制测区，应重新采集SVP。

实时SVP的快速提取与简化见图2。

步骤2：形成实测SVP数据集合。

形成工区完整的实时SVP数据集合V_all={V_i}，每个SVP均包括采集时间、采集的坐标位置，使用的仪器设备，使用的采集参数等，为后期的海底地形地貌数据处理奠定基础。

步骤3：基于实测SVP的海底地形地貌数据预处理。

通过步骤1和步骤2采集了完整的实测SVP数据集合V_all={V_i}，通过后处理系统，将SVP数据集合V_all={V_i}导入，同时输入正确的声纳参数（横摇、纵摇、艏摇和GPS迟延）、吃水和潮位等数据，经数据噪声滤波后，构建海底DTM，进行初步海底地形成图，以判断采集的SVP是否满足海底地形地貌数据后处理需求，当出现沿航迹方向的假地形时进入步骤4，如果海底地形正常，进入步骤5。步骤4：基于多点实测SVP的时空重构。

（1）数据检查。将获取的SVP数据集合V_all={V_i}投影到坐标系中，通过每个声速剖面V_i的坐标和采集时间来检查其合理性。首先，检查在时间上所有的声速剖面是否控制了测量数据，也就是所有V_i的采集时间范围T包含了地形地貌采集数据的时间t。其次，将SVP投影到平面上，看所有声速剖面在空间分布上的合理性，是否在工区均匀分布，是否存在无声速剖面的空白区。

（2）按时序构建SVP。以时序优先，顾及空间分布的原则来重构SVP。当测量数据的时间t不被SVP采集时间T所包含时，需以距离测量时间t最近的SVP的特征为基本依据，重新构建一个新的SVP，并返回步骤3，通过海底地形的重绘，来检查所构建SVP的合理性，并通过人机交互模式调整新构建SVP的数据点，直至满足步骤3的要求。如假地形消失，进入步骤5。

（3）按空间分布重构SVP。当测量数据的时间t完全被SVP采集时间T所包含时，但SVP在空间上分布不合理时，根据测量数据的时间t，查询在时间和空间上距离最近的SVP，通过时间内插方式形成新的SVP，并返回步骤3判断新SVP的合理性。如假地形消失，进入步骤5，否则通过人机交互模式重新调整SVP。

（4）新增加可调SVP。当步骤（2）和（3）均不能有效解决沿航迹方向的条带假地形时，检查其他参数的合理性，重点是横摇和潮位，如果均不存在问题，说明测区声速时空变化非常剧烈，而测量的SVP太过于稀疏，无法控制测区，需要新增一个结构简单的SVP来处理测量数据，该SVP应以测量的SVP为原型，保留原SVP的最大拐点，包括在换能器附近的拐点和声道拐点，从而形成一个新的SVP，并返回步骤3以检查新增SVP的合理性，通过调节最大拐点间其他数据点，直至沿航迹方向的假地形消失，进入步骤5。

基于多点实时SVP的重构示意见图3。

步骤5：海底地形地貌图制作。

构建海底DTM，并绘制海底地形图和海底地貌图，如存在假地形，返回步骤4，直至假地形消失。

改正前后的地形对比见图4和图5。

Claims (1)

1.一种适用海底探测与假地形处理的实测SVP重构方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：实测SVP特征快速简化与提取

(1)SVP数据采集：使用海洋声速剖面仪器，采用在线或自容工作模式，实时采集SVP，并形成原始数据集V₁={v1_i}，其中i为自然数；

(2)SVP数据读取：从海洋声速剖面仪器读取采集的SVP数据，包括深度、声速、温度和盐度、采集的时间和大地坐标，形成SVP数据集V₂={v2_i}；

(3)使用D-P算法对SVP特征识别与简化：使用D-P算法，对原始SVP剖面进行特征提取与拟合，调整曲线偏离因子D来拟合并简化原始SVP，保留原始SVP曲线的拐点，形成SVP数据集V₃={v3_i}；

(4)地形地貌实时勘测并检查SVP：将步骤（3）获取的SVP数据集V₃={v_i}传输到海底地形地貌实时采集系统，并加载到实时采集软件，通过现场监控端，观测实时采集的海底面变化情况；若发生声速层数大于m，其中m为外部输入常量，返回步骤（3）重新拟合SVP；若海底面出现以中央波束为中心的对称向上或向下弧形弯曲应返回步骤（1）并重新采集SVP；

步骤2：基于实测SVP的海底地形地貌数据预处理

将SVP数据集合V_all={V_i}导入多波束数据后处理系统，每个声速剖面V_i均包含采集的时间t_i和大地坐标位置(x_i,y_i)，使用多波束后处理系统输出海底离散水深数据，采用距离反比加权方法构建海底DTM，进行初步海底地形成图，采用下述方法以判断采集的SVP是否满足海底地形地貌数据后处理需求：

若，出现沿船前进迹方向的脊状假地形，所述的脊状假地形是指以航迹中心线为对称轴的向上或向下弧状弯曲地形，则进入步骤3，

若，形成的海底地形无脊状假地形，进入步骤4；

步骤3：基于多点实测SVP的时空重构

（1）数据检查：将获取的SVP数据集合V_all={V_i}按每个声速剖面V_i的采集坐标投影到大地坐标系中；

（2）按时序构建SVP：若多波束测量数据的时间t不被SVP数据集合V_all={V_i}采集时间T所包含，则查询V_all={V_i}，通过数据的测量时间t和声速剖面的测量时间t_i的差值Δt(Δt=|t-t_i|)最小的SVP数据V_i，并以V_i的SVP特征为依据，通过复制方式增加一个新的声速剖面V_new，并返回步骤2，通过海底地形的重绘；所述SVP特征是指深度、声速、温度和盐度；

（3）按空间分布重构SVP：当SVP在空间上分布不均匀时，根据测量数据的时间t和位置(x,y)，依次查询V_all={V_i}的时间t_i和位置(x_i,y_i)，查询在时间差值Δt(Δt=|t-t_i|)和空间距离

最小的两个相邻声速剖面V_i={vi_i}和V_j={vj_i}，按照下述方式形成新的声速剖面V_k：

V_k={vk_i}，每个声速值vk_i=|vj_i-vi_i|×|t_k-ti|÷|t_j-t_i|，其中t_k、t_i和t_j分别为声速剖面V_k、V_i和V_j的测量时间，t_k为外部输入的数值；

然后返回步骤2；

（4）新增加可调SVP：若在步骤2和步骤3超过n次循环测算，仍无法构建海底DTM，则构建简化的SVP，该SVP包括四个数值：入水声速值v_surf、换能器附近的拐点声速值v_tran、声道拐点声速值v_turn和最深处声速值v_last，并返回步骤2；

其中的n为外部输入变量；

步骤4：海底地形地貌图制作

采用距离反比加权方法构建海底DTM，并绘制海底地形图和海底地貌图。

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