CN115078190A - 一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法及其装置 - Google Patents

一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法及其装置 Download PDF

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CN115078190A CN202210653344.7A CN202210653344A CN115078190A CN 115078190 A CN115078190 A CN 115078190A CN 202210653344 A CN202210653344 A CN 202210653344A CN 115078190 A CN115078190 A CN 115078190A
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余佳
舒雨婷
王风帆
田先德
孔敏
李维禄
郑兵
刘志杰
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Abstract

本发明公开了一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法及其装置，该方法包括：输入待处理的原始现场激光粒度数据和站位数据；对原始现场激光粒度数据进行站位匹配，即将站位数据赋予原始现场激光粒度数据；对原始现场激光粒度数据进行质量控制，剔除或改正错误数据，获取质控后的现场激光粒度数据；对现场激光粒度数据进行参数计算；根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构，在标准层上进行数据插值计算，形成标准层数据。该装置包括：输入模块、站位匹配模块、质量控制模块、参数计算模块和标准层数据计算模块；本发明实现了数据自动化程序处理，大幅提高悬浮体现场激光粒度分析工作效率。

Description

一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法及其装置
技术领域
本发明涉及悬浮体分析技术领域，更具体的说是涉及一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法及其装置。
背景技术
悬浮体是指在海水中呈现为悬浮状态的颗粒物质，对悬浮体进行粒度分析在揭示颗粒输运机制、沉积动力过程和生物地球化学循环等方面具有重要作用。传统研究方法是先采集现场水样而后进行实验室分析，费时费力且操作繁琐。近年来，一种现场激光粒度仪(Laser In-Situ Scattering and Transmissometry，LISST)可以快捷地获取海水中悬浮体现场粒径谱，极大简化了粒度测量过程，其工作原理是通过区分不同粒径大小的颗粒物对激光束的散射角度从而反演得到不同粒级的体积浓度。
LISST数据的质控和处理是一项繁重的工作。原始数据无法直接使用，包括从仪器激活到下水正常工作前的废数据、船体晃动和传感器信号的震荡等造成的异常数据，均需要在后处理过程中予以剔除或改正。同时，原始数据的高分辨率具有一定敏感性，且不便于数据对比和制图，常规的科学研究并不需要如此高分辨率的数据，因此需要对原始数据进行质控和处理，形成标准层数据(如1m、3m或5m间隔)，以满足科研工作的需要。
LISST仪器自带软件不具备数据处理功能，目前数据的后处理多以人工处理为主，依赖于处理人员自身经验和主观判断，难以保障数据处理的规范性，容易造成人为误差。尽管已有研究者对逆变层校正、去尖峰处理等问题开展了相关研究，但目前LISST原始数据处理尚未形成统一的程序模式。
因此，如何提供一种能够对原始数据后处理的悬浮体现场激光粒度数据处理方法及其装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法及其装置，针对目前悬浮体现场激光粒度数据处理存在的上述问题，给出了悬浮体现场激光粒度原始数据后处理的技术流程。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，包括以下步骤：
S1.输入待处理的原始现场激光粒度数据和站位数据；
S2.对所述原始现场激光粒度数据进行站位匹配，即将站位数据赋予所述原始现场激光粒度数据；
S3.对所述原始现场激光粒度数据进行质量控制，剔除或改正错误数据，获取质控后的现场激光粒度数据；
S4.对所述现场激光粒度数据进行参数计算；
S5.根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构，在标准层上进行数据插值计算，形成标准层数据。
优选的，S1中所述原始现场激光粒度数据为仪器转码导出的ASCII文件，包括32个粒级的体积百分含量；所述站位数据包括：站位的经纬度信息。
优选的，S3中质量控制的具体内容包括：
a)废数据剔除：仪器激活到下水正常工作前形成的数据为废数据，通过仪器的压力传感器数据判断找出所述废数据，剔除所述废数据；
b)传感器状态检验：通过辅助参数中的激光参考传感器数值来判断传感器工作状态，当数值等于0时，判断为传感器损坏，剔除该数据；当数值在0～0.1之间时,将该数据判断为存疑数据；
c)逆变层改正：根据压力梯度变化，判断找出逆变层数据，将逆变层数据按照水深进行重新排序处理。
优选的，S4中计算的参数包括平均粒径、总体积浓度和比表面积；具体方法为：
Figure BDA0003686746900000021
Figure BDA0003686746900000022
Figure BDA0003686746900000031
其中，Mz为平均粒径，Vi为第i个粒级的体积浓度，CTV为32个粒级的总体积浓度，Di为第i个粒级对应的实际粒径值，SSA为比表面积。
优选的，S5的具体内容包括：
根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构；
在形成的所述数据标准层结构上进行数据插值计算，具体内容包括：
利用反距离加权平均方法进行数据插值计算：通过计算标准层邻近各个层位的数据的加权平均来进行插值，根据空间自相关性原理，在空间上越靠近的事物或现象就越相似，则其在最近点处取得的权重值为最大，计算公式如下：
Figure BDA0003686746900000032
其中，Z0为标准层的计算值，Zi为第i个层位的观测值，di为第i个层位至标准层的距离；r为指定的幂数。
一种悬浮体现场激光粒度数据处理装置，包括：输入模块、站位匹配模块、质量控制模块、参数计算模块和标准层数据计算模块；
所述输入模块，用于输入待处理的原始现场激光粒度数据和站位数据；
所述站位匹配模块，用于对所述原始现场激光粒度数据进行站位匹配，即将站位数据赋予所述原始现场激光粒度数据；
所述质量控制模块，用于对所述原始现场激光粒度数据进行质量控制，剔除或改正错误数据，获取质控后的现场激光粒度数据；
所述参数计算模块，用于对所述现场激光粒度数据进行参数计算；
所述标准层数据计算模块，用于根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构，在标准层上进行数据插值计算，形成标准层数据。
优选的，所述输入模块输入的所述原始现场激光粒度数据为仪器转码导出的ASCII文件，包括32个粒级的体积百分含量；所述站位数据包括：站位的经纬度信息。
优选的，所述质量控制模块包括：废数据剔除单元、传感器状态检验单元和逆变层改正单元；
所述废数据剔除单元，用于将仪器激活到下水正常工作前形成的数据作为废数据，通过仪器的压力传感器数据判断找出所述废数据，剔除所述废数据；
所述传感器状态检验单元，用于通过辅助参数中的激光参考传感器数值来判断传感器工作状态，当数值等于0时，判断为传感器损坏，剔除该数据；当数值在0～0.1之间时,将该数据判断为存疑数据；
所述逆变层改正单元，用于根据压力梯度变化，判断找出逆变层数据，将逆变层数据按照水深进行重新排序处理。
优选的，所述参数计算模块包括平均粒径计算单元、总体积浓度计算单元和比表面积计算；计算的内容分别包括：
Figure BDA0003686746900000041
Figure BDA0003686746900000042
Figure BDA0003686746900000043
其中，Mz为平均粒径，Vi为第i个粒级的体积浓度，CTV为32个粒级的总体积浓度，Di为第i个粒级对应的实际粒径值，SSA为比表面积。
优选的，所述标准层数据计算模块包括：数据标准层结构构建单元和数据插值单元；
所述数据标准层结构构建单元，用于根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构；
所述数据插值单元，用于在形成的所述数据标准层结构上进行数据插值计算，具体计算内容包括：
利用反距离加权平均方法进行数据插值计算：通过计算标准层邻近各个层位的数据的加权平均来进行插值，根据空间自相关性原理，在空间上越靠近的事物或现象就越相似，则其在最近点处取得的权重值为最大，计算公式如下：
Figure BDA0003686746900000044
其中，Z0为标准层的计算值，Zi为第i个层位的观测值，di为第i个层位至标准层的距离；r为指定的幂数。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，为了解决目前现场激光粒度原始数据处理主要依赖于人工处理的现状，将科研人员宝贵的精力从繁重的数据处理工作中解放，本发明通过站位匹配，质量控制剔除或改正错误数据，计算参数，进行标准层插值，形成悬浮体现场激光粒度标准层数据，实现数据自动化程序处理，大幅提高悬浮体现场激光粒度分析工作效率，使数据处理更加规范，提升悬浮体现场激光粒度仪在海洋领域的应用水平，为海洋科学研究提供更加准确的依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例提供的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法的流程示意图；
图2附图为本发明实施例提供的一种悬浮体现场激光粒度数据处理装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在现场光粒度仪完成每个站点的悬浮体测量，获取32个粒级体积浓度原始数据后，通过本发明提供的方法及其装置，处理形成标准层数据，本发明实施例公开了一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，包括以下步骤：
S1.输入待处理的原始现场激光粒度数据和站位数据；
S2.对原始现场激光粒度数据进行站位匹配，即将站位数据赋予原始现场激光粒度数据；
S3.对原始现场激光粒度数据进行质量控制，剔除或改正错误数据，获取质控后的现场激光粒度数据；
S4.对现场激光粒度数据进行参数计算；
S5.根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构，在标准层上进行数据插值计算，形成标准层数据。
需要说明的是：
S5中最大层位深度通过仪器测量获得，标准层位间隔根据研究需求设置，通常为1m，2m，3m等数值。
为了进一步实施上述技术方案，S1中原始现场激光粒度数据为仪器转码导出的ASCII文件，包括32个粒级的体积百分含量；站位数据包括：站位的经纬度信息。
需要说明的是：
输入待处理的悬浮体现场激光粒度数据和站位信息数据，其中现场激光粒度数据为仪器转码导出的ASCII文件，包括32个粒级区间的颗粒体积浓度，常用的LISST-100(B型、C型)仪器测量范围为1.25～250μm(或2.5～500μm)，32个区间范围的粒径中间值见表1-2。站位信息数据包括站点经纬度信息。
表1 LISST-100B型激光粒度分析仪32个区间粒径中间值(单位：μm)
1.36 1.60 1.89 2.23 2.63 3.11 3.67 4.33
5.11 6.03 7.11 8.39 9.90 11.7 13.8 16.3
19.2 22.7 26.7 31.6 37.2 44.0 51.9 61.2
72.2 85.2 101 119 140 165 195 230
表2 LISST-100C型激光粒度分析仪32个区间粒径中间值(单位：μm)
2.72 3.20 3.78 4.46 5.27 6.21 7.33 8.65
10.2 12.1 14.2 16.8 19.8 23.4 27.6 32.5
38.4 45.3 53.5 63.1 74.5 87.9 104 122
144 170 201 237 280 331 390 460
本实施例中原始现场激光粒度数据包括32个粒级的颗粒体积浓度，粒径范围2.5～500μm。
为了进一步实施上述技术方案，S3中质量控制的具体内容包括：
a)废数据剔除。仪器激活到下水正常工作前形成的数据为不可用的废数据。通过仪器的压力传感器数据进行判断，下水前压力传感器通常为0或负值，找出废数据并进行剔除。
b)传感器状态检验。传感器工作状态是否良好直接关系到测量的数据质量，通过辅助参数中的激光参考传感器数值来判断传感器工作状态，该数值会随着仪器的老化而发生变化。当数值等于0时，判断为传感器损坏，剔除该数据；当数值在0～0.1之间时,将该数据判断为存疑数据。
c)逆变层改正。船体晃动可能造成观测层位上下发生逆变，根据压力梯度变化，判断找出逆变层数据，将逆变层数据按照水深进行重新排序处理。
需要说明的是：
在实际的应用过程中，判断为存疑数据后，将存疑数据与邻近站位的测量数据进行对比或者根据该站点数据的分布规律来人为判断质量好坏，然后决定数据的取舍。
为了进一步实施上述技术方案，S4中计算的参数包括平均粒径、总体积浓度和比表面积；具体方法为：
Figure BDA0003686746900000071
Figure BDA0003686746900000072
Figure BDA0003686746900000073
其中，Mz为平均粒径，Vi为第i个粒级的体积浓度，CTV为32个粒级的总体积浓度，Di为第i个粒级对应的实际粒径值，SSA为比表面积。
为了进一步实施上述技术方案，S5的具体内容包括：
根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构；
在形成的数据标准层结构上进行数据插值计算，具体内容包括：
利用反距离加权平均方法进行数据插值计算：通过计算标准层邻近各个层位的数据的加权平均来进行插值，根据空间自相关性原理，在空间上越靠近的事物或现象就越相似，则其在最近点处取得的权重值为最大，计算公式如下：
Figure BDA0003686746900000081
其中，Z0为标准层的计算值，Zi为第i个层位的观测值，di为第i个层位至标准层的距离；r为指定的幂数，通常取r＝2。
需要说明的是：
在本实施例中采用矩法对现场激光粒度数据进行参数计算，利用反距离加权平均方法进行数据插值计算，除此之外还可通过福克-沃德图解法和平均粒级法等方法进行参数计算，通过线性插值法或akima插值法等进行插值计算。
一种悬浮体现场激光粒度数据处理装置，包括：输入模块、站位匹配模块、质量控制模块、参数计算模块和标准层数据计算模块；
输入模块，用于输入待处理的原始现场激光粒度数据和站位数据；
站位匹配模块，用于对原始现场激光粒度数据进行站位匹配，即将站位数据赋予原始现场激光粒度数据；
质量控制模块，用于对原始现场激光粒度数据进行质量控制，剔除或改正错误数据，获取质控后的现场激光粒度数据；
参数计算模块，用于对现场激光粒度数据进行参数计算；
标准层数据计算模块，用于根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构，在标准层上进行数据插值计算，形成标准层数据。
为了进一步实施上述技术方案，输入模块输入的原始现场激光粒度数据为仪器转码导出的ASCII文件，包括32个粒级的体积百分含量；站位数据包括：站位的经纬度信息。
为了进一步实施上述技术方案，质量控制模块包括：废数据剔除单元、传感器状态检验单元和逆变层改正单元；
废数据剔除单元，用于将仪器激活到下水正常工作前形成的数据作为废数据，通过仪器的压力传感器数据判断找出废数据，剔除废数据；
传感器状态检验单元，用于通过辅助参数中的激光参考传感器数值来判断传感器工作状态，当数值等于0时，判断为传感器损坏，剔除该数据；当数值在0～0.1之间时,将该数据判断为存疑数据；
逆变层改正单元，用于根据压力梯度变化，判断找出逆变层数据，将逆变层数据按照水深进行重新排序处理。
为了进一步实施上述技术方案，参数计算模块包括平均粒径计算单元、总体积浓度计算单元和比表面积计算；计算的内容分别包括：
Figure BDA0003686746900000091
Figure BDA0003686746900000092
Figure BDA0003686746900000093
其中，Mz为平均粒径，Vi为第i个粒级的体积浓度，CTV为32个粒级的总体积浓度，Di为第i个粒级对应的实际粒径值，SSA为比表面积。
为了进一步实施上述技术方案，标准层数据计算模块包括：数据标准层结构构建单元和数据插值单元；
数据标准层结构构建单元，用于根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构；
数据插值单元，用于在形成的数据标准层结构上进行数据插值计算，具体计算内容包括：
利用反距离加权平均方法进行数据插值计算：通过计算标准层邻近各个层位的数据的加权平均来进行插值，根据空间自相关性原理，在空间上越靠近的事物或现象就越相似，则其在最近点处取得的权重值为最大，计算公式如下：
Figure BDA0003686746900000094
其中，Z0为标准层的计算值，Zi为第i个层位的观测值，di为第i个层位至标准层的距离；r为指定的幂数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.输入待处理的原始现场激光粒度数据和站位数据；
S2.对所述原始现场激光粒度数据进行站位匹配，即将站位数据赋予所述原始现场激光粒度数据；
S3.对所述原始现场激光粒度数据进行质量控制，剔除或改正错误数据，获取质控后的现场激光粒度数据；
S4.对所述现场激光粒度数据进行参数计算；
S5.根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构，在标准层上进行数据插值计算，形成标准层数据。
2.根据权利要求1所述的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，S1中所述原始现场激光粒度数据为仪器转码导出的ASCII文件，包括32个粒级的体积百分含量；所述站位数据包括：站位的经纬度信息。
3.根据权利要求1所述的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，S3中质量控制的具体内容包括：
a)废数据剔除：仪器激活到下水正常工作前形成的数据为废数据，通过仪器的压力传感器数据判断找出所述废数据，剔除所述废数据；
b)传感器状态检验：通过辅助参数中的激光参考传感器数值来判断传感器工作状态，当数值等于0时，判断为传感器损坏，剔除该数据；当数值在0～0.1之间时,将该数据判断为存疑数据；
c)逆变层改正：根据压力梯度变化，判断找出逆变层数据，将逆变层数据按照水深进行重新排序处理。
4.根据权利要求1所述的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，S4中计算的参数包括平均粒径、总体积浓度和比表面积；具体方法为：
Figure FDA0003686746890000011
Figure FDA0003686746890000012
Figure FDA0003686746890000013
其中，Mz为平均粒径，Vi为第i个粒级的体积浓度，CTV为32个粒级的总体积浓度，Di为第i个粒级对应的实际粒径值，SSA为比表面积。
5.根据权利要求1所述的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，S5的具体内容包括：
根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构；
在形成的所述数据标准层结构上进行数据插值计算，具体内容包括：
利用反距离加权平均方法进行数据插值计算：通过计算标准层邻近各个层位的数据的加权平均来进行插值，根据空间自相关性原理，在空间上越靠近的事物或现象就越相似，则其在最近点处取得的权重值为最大，计算公式如下：
Figure FDA0003686746890000021
其中，Z0为标准层的计算值，Zi为第i个层位的观测值，di为第i个层位至标准层的距离；r为指定的幂数。
6.一种悬浮体现场激光粒度数据处理装置，其特征在于，包括：输入模块、站位匹配模块、质量控制模块、参数计算模块和标准层数据计算模块；
所述输入模块，用于输入待处理的原始现场激光粒度数据和站位数据；
所述站位匹配模块，用于对所述原始现场激光粒度数据进行站位匹配，即将站位数据赋予所述原始现场激光粒度数据；
所述质量控制模块，用于对所述原始现场激光粒度数据进行质量控制，剔除或改正错误数据，获取质控后的现场激光粒度数据；
所述参数计算模块，用于对所述现场激光粒度数据进行参数计算；
所述标准层数据计算模块，用于根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构，在标准层上进行数据插值计算，形成标准层数据。
7.根据权利要求6所述的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，所述输入模块输入的所述原始现场激光粒度数据为仪器转码导出的ASCII文件，包括32个粒级的体积百分含量；所述站位数据包括：站位的经纬度信息。
8.根据权利要求6所述的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，所述质量控制模块包括：废数据剔除单元、传感器状态检验单元和逆变层改正单元；
所述废数据剔除单元，用于将仪器激活到下水正常工作前形成的数据作为废数据，通过仪器的压力传感器数据判断找出所述废数据，剔除所述废数据；
所述传感器状态检验单元，用于通过辅助参数中的激光参考传感器数值来判断传感器工作状态，当数值等于0时，判断为传感器损坏，剔除该数据；当数值在0～0.1之间时,将该数据判断为存疑数据；
所述逆变层改正单元，用于根据压力梯度变化，判断找出逆变层数据，将逆变层数据按照水深进行重新排序处理。
9.根据权利要求6所述的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，所述参数计算模块包括平均粒径计算单元、总体积浓度计算单元和比表面积计算；计算的内容分别包括：
Figure FDA0003686746890000031
Figure FDA0003686746890000032
Figure FDA0003686746890000033
其中，Mz为平均粒径，Vi为第i个粒级的体积浓度，CTV为32个粒级的总体积浓度，Di为第i个粒级对应的实际粒径值，SSA为比表面积。
10.根据权利要求6所述的一种悬浮体现场激光粒度数据处理方法，其特征在于，所述标准层数据计算模块包括：数据标准层结构构建单元和数据插值单元；
所述数据标准层结构构建单元，用于根据最大层位深度和标准层位间隔设置，形成数据标准层结构；
所述数据插值单元，用于在形成的所述数据标准层结构上进行数据插值计算，具体计算内容包括：
利用反距离加权平均方法进行数据插值计算：通过计算标准层邻近各个层位的数据的加权平均来进行插值，根据空间自相关性原理，在空间上越靠近的事物或现象就越相似，则其在最近点处取得的权重值为最大，计算公式如下：
Figure FDA0003686746890000041
其中，Z0为标准层的计算值，Zi为第i个层位的观测值，di为第i个层位至标准层的距离；r为指定的幂数。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115629021A (zh) * 2022-12-20 2023-01-20 合肥金星智控科技股份有限公司 激光粒度仪系统及其校正方法、介质和计算机设备

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