CN104949692A - 多波束测深系统安装校正值的计算方法 - Google Patents

多波束测深系统安装校正值的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，包括选定检测区域，通过多波束测深系统测得水深点数据，并通过断面匹配法计算安装校正值。本发明采用“断面匹配法”能快速、精确求得校正值，简化了人员操作难度，提高了工作效率；有效避免了现有技术中“斑片试验(Patch Test)”需要从图上量取的工序，解决了自动化程度、作业效率低的问题，确保了多波束测深系统的测量精度；采用“插值极限法”，代替了现有技术中的穷举法，该方法一方面能确保计算出高精度的校正值，另一方面其计算量小，进一步确保了多波束测深系统的测量精度，提升了作用效率。

Description

多波束测深系统安装校正值的计算方法
技术领域
本发明属于海洋测量技术领域，涉及一种校正值的计算方法，具体指多波束测深系统安装校正值的计算方法。
背景技术
多波束测深系统是20世纪60年代以来发展起来的海底地形地貌测量系统，其能快速、准确地获取大面积海底形态信息，从而为海底地形地貌勘测提供了有效技术手段。多波束测深系统被广泛应用于海道测量、海洋工程测量、海底资源勘察以及海底光缆路由调查等领域。
在多波束采集水深数据时，多波束换能器的姿态应与罗经和涌浪补偿仪相互间的姿态在理论上要做到垂直和水平，但由于存在各种不可控因素，多波束换能器的姿态不可能安装到理想水平，因其在3个轴向上均会产生一定的旋转角而出现偏差，该偏差可以分解为横摇偏差(简称Rol1)、纵摇偏差(简称Pitch)、艏摇偏差(简称Yaw)。而这3项偏差对测深数据的影响又可分解为测深误差和位置误差。实况数据表明旋转角越大、作业区域水越深时，存在的测深误差、位置误差也就越大。
多波束测深系统的安装校准与改正方法最早由美国国家海洋大气管理局(NOAA)提出，用于SeaBeam系列多波束测深系统对横摇(Roll)、纵摇(Pitch)、艏摇(Yaw)的偏差进行改正，并将这个过程称为“斑片试验(Patch Test)”，“斑片试验(Patch Test)”是指将试验测量的水深数据绘制成等深线图，然后从图上量取等深线的偏移量并作统计分析，从而计算出横摇(Roll)、纵摇(Pitch)、艏摇(Yaw)的校正值。目前，“斑片试验(Patch Test)”是多波束测深系统安装校正值计算的通用方法，挪威Simrad公司Neptune后处理软件和加拿大CARIS多波束后处理软件均采用了该方法。然而“斑片试验(PatchTest)”，一方面，其在计算过程中需要人员以人机交互的方式进行手动图形匹配，即需要人员从图上手动量取等深线的偏移量作出统计分析，从而衡量匹配度，存在自动化程度低，作业效率的问题。另一方面，部分校正如纵摇(Pitch)值和艏摇(Yaw)值肉眼不易判读，计算结果存在误差较大，很难得出精确的校正值。
发明内容
本发明提供了一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，其目的是针对多波束测深系统在安装过程中存在的安装误差，通过快速、精确计算出安装校正值来消除安装误差，从而有效保证了多波束测深系统的测量精度，提高了作用效率。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，包括以下步骤：
(1)、选定一检测区域，通过多波束测深系统在该检测区域内测出A、B两组水深点数据；多波束测深系统安装校正值包括横摇校正值、纵摇校正值和艏摇校正值，需要根据不同的安装校正值在不同的区域采用不同的测量方法获取A、B两组水深点数据。
(2)、通过断面匹配法计算出A、B两组水深点数据的断面匹配度q，当断面匹配度q所对应的改正值的精度小于预设精度K时，该断面匹配度q所对应的改正值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值。采用断面匹配法水深点投影在同一断面后，后续的图形匹配可由计算机自动完成，避免了现有“斑片试验(Patch Test)”只能从图上量取等深线偏移量的工序，解决了其自动化程度低，作业效率的技术问题，能够快速、精确得出所求校正值，确保了多波束测深系统的测量精度。
进一步地，所述断面匹配法进一步包括以下步骤：
a、将检测区域内的A、B两组水深点投影到同一断面上；
b、在该断面内建立以检测区域的投影区域中心线为x轴，水深为y轴，投影区域中心线的起点为坐标原点(0,0)的断面坐标系，断面坐标系内A、B两组水深点的坐标记为(Dx,Hy)；
c、根据A、B两组水深点的坐标，在断面坐标系的x轴方向上，按照水深点相互邻近的原则，对A组水深点和B组水深点进行匹配，形成一系列匹配点对(ai，bi)；
d、在校正值变化的合理范围-20°～+20°内，取出N个样本值，此处所说的样本值即为预设的改正值，用样本值对A、B两组水深点进行改正；匹配点对的水深差为Ha-Hb，计算所有匹配点对的水深差值平方和f(a，b)＝Σ(Ha-Hb)2，用以恒量A组水深点和B组水深点的断面匹配度q；f(a,b)越小，则表明A组水深点和B组水深点的断面匹配度q越好，断面匹配度q越好则说明A，B两组水深所反映的地形吻合度越好，这正是衡量横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值好坏的重要指标；通过所有匹配点对的水深差值平方和f(a，b)＝Σ(Ha-Hb)2求出每个样本值所对应的断面匹配度q；
e、采用插值极限法求出满足预设精度K的样本值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值。
进一步地，所述插值极限法是指：在所有样本值所对应的断面匹配度q中，找出最大的断面匹配度q所对应的的样本值，然后在该样本值前后各插入一个新的样本，通过迭代的方法，使得最大的断面匹配度q所对应的样本值无限接近所求取的改正值，当样本值的变化差值即改正值的精度小于预设精度K时，该样本值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值；
进一步地，所述预设精度K＜0.01°。
进一步地，横摇校正值的存在将导致从斜距到水深转换时存在误差，误差大小与水深密切相关，水越深转换的深度误差也就越大。求取横摇校正值时，需要在海底地形平坦的区域，在同一测线上采用相同的船速，相反的航向测取A、B两组水深点数据。
进一步地，纵摇校正值的存在主要影响测深、位置偏差；求取纵摇校正值时，需要在有特征地物的海底，垂直于特征地物的方向布置测线，在同一测线上采用相同的船速，相反的航向测取A、B两组水深点数据。有特征地物是指能被辨识的物体，例如石头、珊瑚等物体。或者在第二种区域测得纵摇校正值，即斜坡区域，垂直斜坡的方向布置测线，在同一测线上采用相同的船速，相反的航向测取A、B两组水深点数据。
进一步地，艏摇校正值的存在也会影响测深、位置的偏差，且边缘波束误差较大，中央波束的误差较小可以忽略。计算艏摇校正值时，需要在有特征地物的海底或者斜坡的区域，在特征地物上或垂直斜坡方向布置两条平行测线，该两条测线间的间距为水深Hy的2倍，在两条测线上采用相同的船速及航向测取A、B两组水深点数据。
本发明的有益效果是：
1、自动化程度高，本发明通过“断面匹配法”能快速、精确求得校正值，该方法只需划定一检测区域后对水深点进行投影，图形匹配可由计算机自动完成，简化了人员操作难度，提高了工作效率；有效避免了现有技术中“斑片试验(Patch Test)”只能从图上量取的工序，解决了自动化程度、作业效率低的问题，确保了多波束测深系统的测量精度。
2、计算效率、精度高，本发明采用“插值极限法”，代替了现有技术中主要采用无法保证校正值精确的穷举法，插值极限法一方面能确保计算出高精度的校正值，另一方面其计算量小，进一步确保了多波束测深系统的测量精度，提升了作用效率。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明中检测区域水深点分布图；
图3为本发明中的断面坐标系；
图4为匹配度与改正值的关系对应曲线图：
图5为实施例中匹配度与改正值的关系对应曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明及其效果作进一步阐述。
如图1所示，一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，包括以下步骤：
(1)、选定一检测区域，通过多波束测深系统在该检测区域内测出A、B两组水深点数据；
(2)、通过断面匹配法计算出A、B两组水深点数据的断面匹配度q，当断面匹配度q所对应的改正值的精度小于预设精度K时，该断面匹配度q所对应的改正值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值。采用断面匹配法水深点投影在同一断面后，后续的图形匹配可由计算机自动完成，避免了现有“斑片试验(Patch Test)”只能从图上量取等深线偏移量的工序，解决了其自动化程度低，作业效率的技术问题，能够快速、精确得出所求校正值，确保了多波束测深系统的测量精度。
如图2检测区域水深点分布图所示，其中实心圆点为A组水深点数据，空心圆点为B组水深点数据，矩形框为选定的检测区域的投影区域，虚线为投影区域中心线。
所述断面匹配法进一步包括以下步骤：
a、将检测区域内的A、B两组水深点投影到同一断面上；
b、在该断面内建立以检测区域的投影区域中心线为x轴，水深为y轴，投影区域中心线的起点为坐标原点(0,0)的断面坐标系，断面坐标系内A、B两组水深点的坐标记为(Dx,Hy)；
c、根据A、B两组水深点的坐标，在断面坐标系的x轴方向上，按照水深点相互邻近的原则，对A组水深点和B组水深点进行匹配，形成一系列匹配点对(ai，bi)；例如图3中所示的匹配点对(a2,b1)和(a3,b2)在x轴水深方向上相互最接近。
d在校正值变化的合理范围-20°～+20°内，取出N个样本值，匹配点对的水深差为Ha-Hb，计算所有匹配点对的水深差值平方和f(a，b)＝Σ(Ha-Hb)2，用以恒量A组水深点和B组水深点的断面匹配度q；f(a,b)越小，则表明A组水深点和B组水深点的断面匹配度q越好，断面匹配度q越好则说明A，B两组水深所反映的地形吻合度越好，这正是衡量横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值好坏的重要指标；通过所有匹配点对的水深差值平方和f(a，b)＝Σ(Ha-Hb)2求出每个样本值所对应的断面匹配度q；
e、采用插值极限法求出满足预设精度K的样本值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值。
所述插值极限法是指：在所有样本值所对应的断面匹配度q中，找出最大的断面匹配度q所对应的的样本值，然后在该样本值前后各插入一个新的样本，通过迭代的方法，使得最大的断面匹配度q所对应的样本值无限接近所求取的改正值，当样本值的变化差值小于预设精度K时，该样本值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值。
多波束测深系统安装校正值包括横摇校正值、纵摇校正值和艏摇校正值，需要根据不同的安装校正值在不同的区域采用不同的测量方法获取A、B两组水深点数据。横摇校正值的存在将导致从斜距到水深转换时存在误差，误差大小与水深密切相关，水越深转换的深度误差也就越大。求取横摇校正值时，需要在海底地形平坦的区域，在同一测线上采用相同的船速，相反的航向测取A、B两组水深点数据。纵摇校正值的存在主要影响测深、位置偏差；求取纵摇校正值时，需要在有特征地物的海底，垂直于特征地物的方向布置测线，在同一测线上采用相同的船速，相反的航向测取A、B两组水深点数据。有特征地物是指能被辨识的物体，例如石头、珊瑚等物体。或者在第二种区域测得纵摇校正值，即斜坡区域，垂直斜坡的方向布置测线，在同一测线上采用相同的船速，相反的航向测取A、B两组水深点数据。艏摇校正值的存在也会影响测深、位置的偏差，且边缘波束误差较大，中央波束的误差较小可以忽略。计算艏摇校正值时，需要在有特征地物的海底或者斜坡的区域，在特征地物上或垂直斜坡方向布置两条平行测线，该两条测线间的间距为水深Hy的2倍，在两条测线上采用相同的船速及航向测取A、B两组水深点数据。
实施例
选定一检测区域，通过多波束测深系统在该检测区域内测出A、B两组水深点数据；将检测区域内的A、B两组水深点投影到与水深方向平行的同一断面上；并在该断面内建立断面坐标系。由于计算横摇校正值、纵摇校正值和艏摇校正值的过程是类似的，下面只叙述其中一个校正值C的计算过程。
假设校正值C＝m，根据经验我们知道，校正值变化的合理范围在-20°～+20°之间，在该范围内均匀取出样本值集合MC＝{-20,-19,-18,...19,20}，此处的样本值集合即为改正值的集合，在该范围内分别使用MC中的样本值对两组水深点进行数据校正，而通过样本值对水深点进行数据校正可以采用已有的方法，在此不再赘述。根据A、B两组水深点的坐标，在断面坐标系的x轴方向上，按照水深点相互邻近的原则，对A组水深点和B组水深点进行匹配，形成一系列匹配点对；通过计算所有匹配点对的水深差值平方和f(a，b)＝Σ(Ha-Hb)2求出每个样本值所对应的断面匹配度q，形成断面匹配度的集合QC＝{q-20,q-19,q-18,...q19,q20}，其中改正值m与断面匹配度q的关系如图4所示。
从集合QC中搜索出最大值qi，并找出qi的前后值qi-1和qi+1，如图5所示，
通过插值极限法来求出qmax位置所对应的改正值m。具体地，取i-1与i的中点即，并取i+1与i的中点即，然后将和作为校正值C的新的样本值；重复前述步骤计算出新的样本值所对应的匹配度和并将和添加到集合QC；然后，从集合QC中搜索出新的最大值q′i，如果样本值的变化差值即样本值的精度小于预设精度，假设预设精度为K，其中K<0.01°,那么当|i′-i|＜K时，该最大值q′i所对应的样本值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值，即当前i′值为所求的校正值；当|i′-i|＜K不成立时，则需继续求取新的无限接近所取校正值的样本值，直至满足预设的校正值精度要求。
本发明针对现有多波束测深系统安装校正值的计算主要通过“斑片试验(Patch Test)”的方法方法获得，该方法将两组水深点分别生成等深线，然后需要人员从图上量取等深线的偏移量并作统计分析来衡量匹配度，自动化效率低，误差较大。通过采用“断面匹配法”，能快速、精确计算出安装校正值来消除安装误差，从而有效保证了多波束测深系统的测量精度，提高了作用效率。
此外，在断面匹配法的计算过程中引入插值极限法，能确保计算出高精度校正值的前提下，计算量小，进一步保证了多波束测深系统的测量精度。利用插值极限法代替现有技术中的穷举法，穷举法是指在一定范围内穷举改正值，当两组水深点使用穷举的改正值进行改正后，匹配度满足要求后，就认为找到了所要求出的改正值，无法保证所求校正值的精确，而且计算量较大，严重影响作业效率。
以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括以下步骤：
（1）、选定一检测区域，通过多波束测深系统在该检测区域内测出A、B两组水深点数据；
（2）、通过断面匹配法计算出A、B两组水深点数据的断面匹配度q，当断面匹配度q所对应的改正值的精度小于预设精度K时，该断面匹配度q所对应的改正值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值。
2.根据权利要求1所述的一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，其特征在于，所述断面匹配法进一步包括以下步骤：
a、将检测区域内的A、B两组水深点投影到同一断面上；
b、在该断面内建立以检测区域的投影区域中心线为x轴，水深为y轴，投影区域中心线的起点为坐标原点(0,0)的断面坐标系，断面坐标系内A、B两组水深点的坐标记为(Dx, Hy)；
c、根据A、B两组水深点的坐标，在断面坐标系的x轴方向上，按照水深点相互邻近的原则，对A组水深点和B组水深点进行匹配，形成一系列匹配点对                                                ；
d、在校正值变化的合理范围-20°～＋20°内，取出N个样本值，匹配点对的水深差为，通过计算上述所有匹配点对的水深差值平方和求出每个样本值所对应的断面匹配度q；
e、采用插值极限法求出满足预设精度K的样本值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值。
3.根据权利要求2所述的一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，其特征在于，所述插值极限法是指：在所有样本值所对应的断面匹配度q中，找出最大的断面匹配度q所对应的的样本值，然后在该样本值前后各插入一个新的样本，通过迭代的方法，使得最大的断面匹配度q所对应的样本值无限接近所求取的改正值，当样本值的变化差值小于预设精度K时，该样本值即为所求的横摇校正值/纵摇校正值/艏摇校正值。
4.根据权利要求3所述的一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，其特征在于，所述预设精度K＜0.01°。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，其特征在于，求取横摇校正值时，需要在海底地形平坦的区域，在同一测线上采用相同的船速，相反的航向测取A、B两组水深点数据。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，其特征在于，求取纵摇校正值时，需要在有特征地物的海底或者斜坡区域，垂直于特征地物或者垂直于斜坡的方向布置测线，在同一测线上采用相同的船速，相反的航向测取A、B两组水深点数据。
7.根据权利要求1-3任一所述的一种多波束测深系统安装校正值的计算方法，其特征在于，计算艏摇校正值时，需要在有特征地物的海底或者斜坡的区域，在特征地物上或垂直于斜坡方向布置两条平行测线，该两条测线间的间距为水深Hy的2倍，在两条测线上采用相同的船速及航向测取A、B两组水深点数据。
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