CN115291182B - 一种航道单波束密采水深的滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种航道单波束密采水深的滤波方法,全部记录测深仪输出的实时水深,同时应记录模拟回波信号,作为判断真假水深的最终依据;绘出水深断面图形,并进行数据的图形化处理;对水深进行自动滤波,剔除绝大部分假水深,并在相同的坐标系中绘出滤波后的水深断面图形,比较滤波后水深断面图形与模拟水深图形;保存处理后的正确水深,供后续流程使用。本发明能对航道实时测量的水深进行高效率滤波,能剔除绝大部分假水深,无需或只需很少的人工干预,显著地提高了航道水深后处理工作的效率和质量。
Description
技术领域
本发明属于水深测量技术领域,具体涉及一种航道单波束密采水深的滤波方法。
背景技术
在港口航道建设和维护工作中,必须测量水深图。通常情况下航道都是用疏浚工程方法开挖形成,航道底部的地形非自然地形,地形的变化呈现不规则状态。目前单波束测深仪都是利用发射和接收超声波的方法测量水深,水中的气泡、涡旋、生物、动物、海底地形都会对测量数据产生扰动,从而发生假水深现象,就需要对测量的水深进行滤波处理剔除假水深。
对于未经开挖的自然海底,测深仪本身的水底门跟踪功能就可以获得质量较高的数据,但是对于航道这类经过开挖的海底,由于地形变化复杂,测深仪测量的数字化水深数据会产生相当数量的毛刺(假水深),如果人工处理这些毛刺将大大增加工作量,降低工作效率。现有滤波方法没有考虑航道这类主要由于海底地形引起的假水深,滤波效果不好,目前采用人工处理,由作业员对照模拟水深断面进行修正,需要大量的人工干预工作,研究航道实时测量水深的滤波方法很有实用价值。
发明内容
本发明解决的技术问题:提供一种能对航道实时测量的水深进行高效率滤波,能剔除绝大部分假水深,只需很少的人工干预,显著地提高航道水深后处理工作的效率和质量的航道单波束密采水深的滤波方法。
技术方案:为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:
一种航道单波束密采水深的滤波方法,包括以下步骤:
步骤1:全部记录测深仪输出的实时水深,同时应记录模拟回波信号,作为判断真假水深的最终依据;
步骤2:绘出水深断面图形,并进行数据的图形化处理,得到模拟水深图形;
步骤3:对水深进行自动滤波,剔除绝大部分假水深,并在相同的坐标系中绘出滤波后的水深断面图形;采用粗差剔除、单点刺识别剔除、双点刺识别剔除、多点刺识别剔除的方式进行滤波,绘制出滤波后的水深断面图形;
步骤4:比较滤波后水深断面图形与模拟水深图形;
步骤5:保存处理后的正确水深,供后续流程使用。
进一步地,步骤3的自动滤波方法包括以下步骤:
步骤31:先进行粗滤,根据设定的假水深突变阀值,把明显不合理的水深剔除;
步骤32:处理同在一段直线上的水深;
步骤33:处理毛刺,按单点刺、双点刺、多点刺顺序进行判断;
步骤34:剔除毛刺,用相邻水深内插获取真水深数据;
步骤35:按照上述步骤31-33的滤波方法对断面进行批量滤波,绘出滤波后的水深断面图形。
进一步地,步骤33中,单点刺的处理方法为:
1)根据具体海域设定的毛刺大小v1,逐点扫描,设一个点k,计算k与k-1的水深差v2和k与k+1的水深差v3,如果v2*v3>=0则可能是毛刺,若v2,v3均大于v1则判定为毛刺;
2)分析紧邻k的k+1是否为毛刺,计算k+1与k的水深差v4和k+1与k+2的水深差v5,如果v4*v5>=0则可能是毛刺,若v4,v5均大于v1则判定为毛刺。
进一步地,如果紧邻的k+1不是毛刺,则把毛刺k删除;如果紧邻的k+1是毛刺,则按照规则处理:如果是先凸后凹则第二个凹是毛刺,如果是先凹后凸则第一个凹是毛刺,把毛刺删除。
进一步地,步骤33中,双点刺的处理方法为:
判断k与k+1是否为双点刺的方法如下:设v2是k与k-1的水深差,v5是k+1与k+2的水深差;如果v5*v2>0并且v2,v5的绝对值都大于v1,那么判定k和k+1为双点刺,需把k和k+1作为双点刺剔除。
进一步地,步骤33中,多点刺的判断方法为:
按单点刺标准搜索多点刺起点,按单点刺标准搜索多点刺终点,起点与终点的水深差应小于v1,终点与前一点的水深差应大于v1。
进一步地,步骤34中,剔除毛刺,用相邻水深内插获取真水深数据的实现方法为:
1)通过该点与相邻点的坐标计算出与相邻点的距离;
2)通过该点与相邻点的距离及相邻点的水深,距离加权计算出该点的内插水深;
3)把该点的时间、坐标、内插水深保存到后处理文件中。
进一步地,步骤4中,用模拟水深断面进行检核,得到正确的水深断面,对每一个断面重复以上过程直至完成全部断面处理。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明的航道单波束密采水深的滤波方法对水深进行自动滤波,剔除绝大部分假水深,在相同的坐标系中绘出滤波后的水深断面图形。然后比较滤波后水深断面图形与模拟水深图形,无需或只需要很少量的人工微调处理;保存处理后的正确水深,可供后续流程使用。
本发明能对航道实时测量的水深进行高效率滤波,能智能高效剔除绝大部分假水深,无需或只需很少的人工干预,显著地提高了航道水深后处理工作的效率和质量。可视化程度高,人工交互方便。还可以在此基础上实现模拟涌浪,进行涌浪改正。
附图说明
图1是航道单波束密采水深的滤波方法结构示意图;
图2是本发明的双点刺示意图;
图3是本发明的紧邻的单点刺示意图;
图4是本发明的紧邻的单点刺示意图二;
图5是本发明的双点刺示意图;
图6是航道单波束密采水深的滤波方法实施软件界面图;
图7是采用本发明方法的连云港主航道水深测量图;
图8是滤波前的水深断面;
图9自动滤波后的水深断面。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐明本发明,实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明的航道单波束密采水深的滤波方法,具体包括以下步骤:
步骤1:在进行水深测量工作时,把采集软件设置为全采集模式,全部记录测深仪输出的实时水深,同时应记录模拟回波信号,作为判断真假水深的最终依据。
步骤2:在后处理软件中(由申请人独立研发的后处理海洋测绘软件HyCAD),绘出水深断面图形,进行数据到图形的转换,实现数据的图形化处理。利用测深仪打印在测深纸上,得到模拟水深图形;
步骤3:对水深进行自动滤波,剔除绝大部分假水深,在相同的坐标系中绘出滤波后的水深断面图形。采用粗差剔除、单点刺识别剔除、双点刺识别剔除、多点刺识别剔除的步骤进行滤波。具体方法为:
步骤31:先进行粗滤,根据设定的假水深突变阀值,把明显不合理的水深剔除。根据具体情况设置参数,假水深突变阀值通常取4m。
步骤32:处理同在一段直线上的水深。测深仪自报的错误水深是0,如果有连续的错误点,则反映在断面上就是一条直线段上有多个水深点,需要把中间的点精简掉。
步骤33:处理毛刺。按单点刺、双点刺、多点刺顺序进行。
单点刺的处理方法为:
1)根据具体海域设定的毛刺大小v1,逐点扫描,设一个点k,计算k与k-1的水深差v2和k与k+1的水深差v3,如v2*v3>=0则可能是毛刺,若v2,v3均大于v1则判定为毛刺。
2)分析紧邻k的k+1是否为毛刺,计算k+1与k的水深差v4和k+1与k+2的水深差v5,用1)的方法进行判断,即如果v4*v5>=0则可能是毛刺,若v4,v5均大于v1则判定为毛刺。
3)如果紧邻的k+1不是毛刺,则把毛刺k删除;
4)如果紧邻的k+1也是毛刺,则按照规则处理:如果是先凸后凹则第二个凹是毛刺,如果是先凹后凸则第一个凹是毛刺,把毛刺删除;
通常,2个紧邻的单点刺实际上只有一个是真刺,考察了实际断面情况,约定如果是先凸后凹则第二个凹是毛刺,如果是先凹后凸则第一个凹是毛刺。如图3和图4所示,是紧邻的单点刺示意图,图3中,前凸后凹,则第二个凹点k+1是毛刺(通常发生在上坡地形),图4中,前凹后凸,则第一个凹点k是毛刺(通常发生在下坡地形)。
双点刺的处理方法为:
分析k与k+1是否为双点刺,即k+1与k+2是否可以合并为一个刺,即k与k+1是否都要剔除。
双点刺的示意图如图2所示,判断是否为双点刺的方法如下:设定v2是k与k-1的水深差,v5是k+1与k+2的水深差;如果v5*v2>0并且v2,v5的绝对值都大于v1,那么判定k,k+1为双点刺,需把k和k+1作为双点刺剔除。
多点刺的处理方式为:
按单点刺标准搜索多点刺起点,按单点刺标准搜索多点刺终点,起点与终点的水深差应小于v1,终点与前一点的水深差应大于v1。图2中,选定增强模式表示进行多点刺滤波,否则不处理多点刺。
不妨把多点刺称为“鼓包或坑”。如图5所示,主要问题是找出入鼓包点k和出鼓包点F。
找出k,F以后,把k+1至F-1各点作为错误水深进行剔除,方法是把它们的水深投影在k与F的连线上。
设v2是k到k-1的水深差,v3是k到k+1的水深差,根据具体海域设定的毛刺大小为v1。如果v3的绝对值大于v1,即Abs(v3)>v1,并且(Abs(v3)-Abs(v2))>v1,就判定k是鼓包的起点。继续考察出鼓包点,方法类似,设v4是F到F一1的水深差,v5是F到F+1的水深差,如果Abs(v4)>v1,并且(Abs(v4)-Abs(v5))>v1,就判定F是出鼓包点。
考虑到连续多点刺有时不是错误水深,故控制k与F之间的点数不超过5点。
步骤34:剔除毛刺,用相邻水深内插获取真水深数据。
判断完所有的毛刺后,将毛刺剔除(毛刺数据不保存的新的数组中),剔除完成毛刺的数据形成新的数组,数据用于下一步中重新绘制新的水深断面线。
剔除毛刺过程中,进行内插,内插获取的是该位置的真水深数据,具体步骤如下:
(1)通过该点与相邻点的坐标计算出与相邻点的距离;
(2)通过该点与相邻点的距离及相邻点的水深,距离加权计算出该点的内插水深;
(3)把该点的时间、坐标、内插水深保存到后处理文件中。
步骤35:按照上述步骤31-34的滤波方法对断面进行批量滤波,绘出滤波后的水深断面图形。
步骤4:比较滤波后水深断面图形与模拟水深图形。无需或只需要很少量的水深微调处理。模拟水深图是测深仪自身打印在测深纸上的模拟图像。
用模拟水深断面与电子断面图进行人工比较进行检核,得到正确的水深断面。对每一个断面重复以上过程直至完成全部断面处理。
步骤5:保存处理后的正确水深,供后续流程使用。
滤波需要的计算量较大,必须借助计算机实施,所以编写了专用计算机软件进行处理。软件的主界面如图6所示。
以连云港主航道水深测量为例,按照本发明的方法进行测量和数据处理:
第一步是把一组断面批量绘制成断面图,进行数据到图形的转换,即采用数据的图形化编辑思路;第二步是根据具体情况设置参数,毛刺长度通常取0.1m,假水深突变阀值通常取4m,增强模式表示进行多点刺滤波,否则不处理多点刺。第三步是对断面进行批量滤波,一次性用紫红色绘制滤波后的断面;第四步是对照模拟水深断面进行检核,进行少量人工干预编辑处理;第五步是进行图形到数据的转换,保存滤波后的正确水深断面数据。以连云港主航道水深测量为例,结果如图3所示,图中黑色断面线是连云港主航道典型断面的实测水深断面,紫红色断面线是经过本发明方法自动滤波后的断面,已经完全剔除了毛刺,高效地获得了正确的水深。
测深仪一秒钟可采集10几个点,一般是12-15个点/秒,在自然泥面区域误差大的可以判断出来,数据比较可靠,一般假水深很少连续多个的,如果连续则判断是不是真水深。误差大的水深,就可以直接过滤掉。一般过段时间会出现一到两个假水深,另外有量化不好的,会有水深误差的毛刺。毛刺的处理费时费力,利用本发明的方法可以精确快速的识别和剔除毛刺,如果采集几公里,甚至10几公里的测线,采用发明的方法将节省大量人力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种航道单波束密采水深的滤波方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:全部记录测深仪输出的实时水深,同时应记录模拟回波信号,作为判断真假水深的最终依据;
步骤2:绘出水深断面图形,并进行数据的图形化处理,得到模拟水深图形;
步骤3:对水深进行自动滤波,剔除绝大部分假水深,并在相同的坐标系中绘出滤波后的水深断面图形;采用粗差剔除、单点刺识别剔除、双点刺识别剔除、多点刺识别剔除的方式进行滤波,绘制出滤波后的水深断面图形;自动滤波方法包括以下步骤:
步骤31:先进行粗滤,根据设定的假水深突变阀值,把明显不合理的水深剔除;
步骤32:处理同在一段直线上的水深;
步骤33:处理毛刺,按单点刺、双点刺、多点刺顺序进行判断;
单点刺的处理方法为:
1)根据具体海域设定的毛刺大小v1,逐点扫描,设一个点k,计算k与k-1的水深差v2和k与k+1的水深差v3,如果v2*v3>=0则可能是毛刺,若v2,v3均大于v1则判定为毛刺;
2)分析紧邻k的k+1是否为毛刺,计算k+1与k的水深差v4和k+1与k+2的水深差v5,如果v4*v5>=0则可能是毛刺,若v4,v5均大于v1则判定为毛刺;
双点刺的处理方法为:
判断k与k+1是否为双点刺的方法如下:设v2是k与k-1的水深差,v5是k+1与k+2的水深差;如果v5*v2> 0并且v2,v5的绝对值都大于v1,那么判定k和k+1为双点刺,需把k和k+1作为双点刺剔除;
多点刺的判断方法为:
按单点刺标准搜索多点刺起点,按单点刺标准搜索多点刺终点,起点与终点的水深差应小于v1,终点与前一点的水深差应大于v1;
步骤34:剔除毛刺,用相邻水深内插获取真水深数据;
步骤35:按照上述步骤31-33的滤波方法对断面进行批量滤波,绘出滤波后的水深断面图形;
步骤4:比较滤波后水深断面图形与模拟水深图形;
步骤5:保存处理后的正确水深,供后续流程使用。
2.根据权利要求1所述的航道单波束密采水深的滤波方法,其特征在于:单点刺的处理方法中,如果紧邻的k+1不是毛刺,则把毛刺k删除;如果紧邻的k+1是毛刺,则按照规则处理:如果是先凸后凹则第二个凹是毛刺,如果是先凹后凸则第一个凹是毛刺,把毛刺删除。
3.根据权利要求1所述的航道单波束密采水深的滤波方法,其特征在于:步骤34中,剔除毛刺,用相邻水深内插获取真水深数据的实现方法为:
1)通过该点与相邻点的坐标计算出与相邻点的距离;
2)通过该点与相邻点的距离及相邻点的水深,距离加权计算出该点的内插水深;
3)把该点的时间、坐标、内插水深保存到后处理文件中。
4.根据权利要求1所述的航道单波束密采水深的滤波方法,其特征在于:步骤4中,用模拟水深断面进行检核,得到正确的水深断面,对每一个断面重复以上过程直至完成全部断面处理。
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