多波束测深的异常数据编辑技术和实现

多波束测深的异常数据编辑技术和实现（共5篇）

篇1：多波束测深的异常数据编辑技术和实现

多波束测深的异常数据编辑技术和实现

因为海况、仪器噪声、海水中浮游生物等因素存在,测深数据中含有大量的异常数据和噪声,由于数据量大,如何有效定位异常数据和噪声是目前国际上的.研究热点.本文详细介绍了手工交互式编辑和常用的几种自动编辑方法,并重点介绍了基于测点密度的图像滤波方法,阐述了多波束测深数据编辑软件的实现,对多波束测深数据的快速编辑有一定的参考意义.

作 者：阳凡林 郑作亚 郭金运 刘智敏 YANG Fan-lin ZHENG Zuo-ya GUO Jin-yun LIU Zhi-min 作者单位：阳凡林,郑作亚,郭金运,YANG Fan-lin,ZHENG Zuo-ya,GUO Jin-yun(海岛(礁)测绘技术国家测绘局重点实验室,山东,青岛,266510;山东科技大学测绘科学与工程学院,山东,青岛,266510)

刘智敏,LIU Zhi-min(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东,青岛,266510)

刊 名：测绘科学 ISTIC PKU英文刊名：SCIENCE OF SURVEYING AND MAPPING年，卷(期)：34(6)分类号：P229关键词：多波束声纳 异常数据 编辑 multibeam sonar outlier editing

篇2：多波束测深的异常数据编辑技术和实现

多波束与单波束测深数据的融合处理技术

本文在全面分析和总结多波束海洋测深主要误差源的基础上,提出通过相邻条带测深数据融合处理进行多波束测深系统偏差补偿方法;并提出以单波束测深数据作为控制,进一步提高多波束测深整体测量精度的数据处理方案;详细讨论了数据融合处理中的数值解算可行性和稳定性问题,相应提出了两步平差方法.本文最后使用我国自行研制的.条带测深系统实测数据验证了上述方法的有效性和可靠性.

作 者：黄谟涛 翟国君 欧阳永忠 刘雁春 陆秀平王克平作者单位：天津海洋测绘研究所,刊 名：测绘学报 ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA GEODAETICA ET CARTOGRAPHICA SINICA年，卷(期)：30(4)分类号：P207关键词：单波束测深 多波束测深 误差补偿 数据融合

篇3：多波束测深的异常数据编辑技术和实现

广东某港30万吨级航道工程是按照已投入使用的25万吨级航道的轴线,进一步浚深,全长54.90 km。外航道设计底宽310 m,底标高-21.6 m,边坡1∶5;内航道设计底宽310 m,底标高-21.9 m,边坡1∶5。

2 多波束测深系统安装测试

本工程中投入SEABAT8101多波束系统进行测量实施。该系统在引进后就一直都是安装在固定的测量船的固定位置上,所以系统进行使用都是整体工作的。

多波束测深系统的各部分,按设计位置进行安装,并量测DGPS接收机天线,多束换能器、运动传感器(DMS-05)、电罗经等相对船体坐标系原点的位置关系。量测各传感器相对船体坐标原点的偏移量,以便在数据处理进行相应的改正。

2.1 电罗经传感器的安装

电罗经的安装位置有着严格的要求电罗经传感器应安装在船舶中心附近,电罗经指示方向应与船首方向一致,并且要求在船体坐标系的水平面内。安装位置应远离导磁物质或易被磁化的物质;电罗经与较大的铁性物体、强电流的电线及电池组至少保持1.3 m～1.5 m的距离;一些电子设备(如计算机、电视显示器、雷达磁控管、扩音器、UPS不间断电源装置等)的使用会影响电罗经的正常工作,使其测出的方向数据失真或干忧,应远离它们。

2.2 运动传感器(运动补偿仪,DMS-05)的安装

运动传感器应固定安装,并尽可能与水平面平行;运动传感器离船舶重心的越远,船舶纵横倾幅度越大,产生的测量误差也越大,所以安装位置应在船舶的重心或尽可能靠近重心;运动传感器的安装具有方向性,其罩壳上的指示方向应与船艏方向一致,否则将产生反向改正,造成严重误差。

2.3 多波束换能器的安装

多波束换能器的安装主要取决于船型和船的结构。同时还应考虑多波束测深系统使用的水域,如在内河测量,因受风浪的程度较小,可以安装在船首,而在潮汐河口或近海水域,因受风浪的程度较大,宜采用船舷固定安装。安装时要注意固定好,以免测量换能器产生抖动,下沉。此外,还考虑换能器的安全性,以免在靠离码头碰撞损坏,建议安装的换能器,还具有可拆卸或可移动的功能。

2.4 DGPS接收机天线的安装

DGPS接收机天线应安装在船舶高处(低于避雷针),视场内障碍物的高度角不能超过10°;尽可能远离船舶主桅杆;尽量远离大功率的无线电发射信号源(如雷达、高频电话天线等);天线安装要稳固,避免船舶姿态变化使其产生位移;天线位置应选择远离船体大型金属物体结构,距甲板高度至少在1.5 m以上,减少信号多路径效应。

系统安装后,应进行测试,测试可分为通电测试和航行测试。通电测试:在静态状态下进行,检查系统各部分电缆连接是否良好牢靠,正确无误;检查接地是否正确,牢靠;检查供电电源输出电压是否正常,直流供电的极性是否正确无误,一切正常后,开始目测系统各部分的通电运行状况、信号的稳定性和数据的通信情况。

航行测试:要选择适宜水域设测多条往返重复测线进行横倾、纵倾、定位延迟、电罗经偏差等系统参数改正。此外,在测试过程中还要检查、测试DGPS接收机、声速剖面仪、电罗径等是否工作正常。

目前,上述各测试项目不仅仅是安装测试的要求,而且已列为每个航次或承接新测量项目之前,必须要做的工作。

(1)电罗经的测试与校准。

电罗经安装后,电罗经指向与船舶指向可能存在偏差,这个偏差叫航偏差,因为多波束测深系统发射的扇形声波束接收阵列的排列与船艏是相互垂直的,如果电罗经的指向与船首航向不一致,将影响换能器阵列的发射,接收角度,导致覆盖宽度减少,降低工作效率。更重要的是,这将导致除中央波束外的所有波束定位错误,离中央波束越远,误差越大,从而导致测量数据的错误。为此,需要对电罗经进行测试与校准。电罗经测试有三种方法:一是,为可在船舶停靠码头时进行,使用经纬仪精确确定船艏向,并与电罗经的指向进行对比,确定电罗经的校正值。二是,可选择开阔的水域进行,其方法是测量船按200 m直径的圆周运动,连续航行4周,采用专门软件进行数据采集、分析处理,获得校准值。三是,利用水域中的突出标志物,先在这标志物的一侧作直线航行,用右舷边缘波束测量标志物,得到一个文件;然后,在标志物的另一侧作反向直线航行,同样用右舷边缘波束测量标志物,得到另一个文件(这两条测线平行且与标志物的距离相等)。第一次航行时,由于存在电罗经误差的航偏差(角)g,故突出标志物R位置的水深点R1;同样,第二次航行时,R位置的水深点偏移到了R2,测量R1与R2之间的距离d,航迹与突出标志物点R之间的垂直距离为r,则可按式(1)计算出航偏差角,

g——航偏差;

d——测量R1与R2之间的距离;

r——航迹与突出标志物点R之间的垂直距离。

(2)横倾偏差角,纵倾偏差角测定及校正。

横倾偏角是换能器与水平面垂直龙骨方向的夹角,纵倾偏差角是换能器与水平面纵向的夹角。它们是多波束测深的两个关键参数,这两个参数角实际上都包含一个动态分量和一个静态分量。动态分量是由风、涌、波浪等因素造成的,可以通过运动传感器(或称波浪补偿仪)予以校正。静态分量是由于安装时造成的,分别称为横倾角和纵倾角。

横倾偏差角校正是针对多波束测深系统的换能器在安装过程中可能存在的横向角度误差而引入的一种校正方法。当换能器横向安装角度与理论设计角存在偏差时,水底地形将受到严重弯曲,为此,必须进行横倾偏差角的测定与校正。

由于定位值延迟和纵倾角(偏差)均造成测点前后位移,因此,横倾偏差角校正独立于其他校正,故应予首先进行测定。横倾偏差角的测定,选择一处比较平坦的水域布置一测线在风浪较小的状况下,以正常的航速往返测量,选择符合要求的两条测线(航向相反、航迹较直且重复性较好,时间相隔短),然后用多波束测深系统的横倾模块,在垂直测线方向截取断面。通过调整横倾偏差角,使两断面最佳重合,这时的值就是横倾偏差角。

3 定位导航

本项目水深测量作业平面定位拟全部采用RBN-DGPS技术实施。由于DGPS获取的是WGS-84坐标,而测量成图所用的坐标系为当地坐标系。因此,在测量前必须先求取WGS-84到当地坐标系之间的坐标转换参数。

WGS-84坐标系至当地坐标系之间的坐标转换参数可直接利用业主控制点(业主提供或从当地测绘主管部门购买)中2～3个控制点求取。为检验坐标转换参数的准确度,使用RBN-DGPS接收机进行坐标比对,利用实测坐标与已知坐标的比对差来检验转换参数的准确性,比对结果满足规范要求方可投入使用。DGPS信标接收机接收交通部设立在洲岛上定位系统的差分数据进行平面定位。

4 测量与数据处理

4.1 扫道设计和测线布设

(1)扫道方向。

在扫道方向设计时,考虑到多波束测深系统采集的是高密度条带式水深数据,它可以对水下地形进行全覆盖测深。在正常工作环境中,只要船速选择适当,就不会把特殊水深遗漏,因此,扫道方向的设计顺着航道方向布设。

(2)扫道宽度。

SEABAT810的扫道设计宽度为W=2D图tanθ,式中D图为海图水深,θ为波束角。在实际操作中,扫道宽度根据现场水深来确定,是以扫道设计宽度值为准。另考虑到施工时对涨潮水位的充分利用,也可以实际扫侧数据填满屏幕显示的设计范围并有重叠为准。

(3)重叠带宽度。

《水运工程测量规范》规定:当测图比例尺大于1∶5000时,测深定位点点位中误差限值为图上1.5 mm,定位点记录中误差为图上0.5 mm。

重叠带宽度计算如下:

式中,

S——多波束扫侧重叠带宽度;

E0——测量船定位中误差;

E1——船舶偏航系统性误差。

根据上述的要求对天津港航道进行测线布设:多波束测线平行于航道布设,测线间距10 m,测量时根据覆盖宽度选择测线号,保证在测量范围内全覆盖测量。具体布设局部区段示意图见图1。

4.2 测量实施和数据后处理

多波束测量使用的是PDS2000测量软件,软件同步采集DGPS位置数据、多波束测深仪水深测量数据、波浪补偿仪姿态补偿数据、电罗经数据。声速仪实时采集声速数据确定单波束声速和多波束的声速剖面。使用CARIS后处理软件进行水深点的后处理,除去假水深,在CARIS软件中录入潮位信息,自动对水深数据进行水位改正。数据处理包括数据预处理和成图两个部分。预处理主要包括定位数据处理,声速剖面数据处理,潮位数据处理,姿态数据处理,深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项;成图处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化,生成数字地形模型(DT M),形成海底地形图。

4.3 成果应用分析

对航槽施工区段的定期测量,将获得的数据提供给施工船舶进行施工作业。通过这种方式可以提高施工效率,保证疏浚质量。得到的多波束数据能很直观的反映出施工时遗漏的浅点,以及疏浚效能的分布。这一点通过单波束测量手段是无法做到的。下面抽取一次多波束测量后处理得到的航道区域内三维立体效果图(见图2)和色块图(见图3)。从图中可以清晰看到耙吸式挖泥船作业痕迹和施工效果。

摘要：本文基于笔者多年从事海洋测绘的相关工作经验,以SEABAT8101多波束测深系统在某航道疏浚工程中的应用为研究对象,探讨了多波束测深系统安装测试方法,定位导航实施方法,及测量步骤与数据处理思路,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

关键词：多波束测深系统,航道疏浚,数据处理,导航

参考文献

[1]舒晓明.多波束在航道测量中的应用[C].湖北省科学技术协会^,2005.

[2]黄永军,王闰成.多波束外业实施研究与探讨[J].气象水文海洋仪器,2006(3):47-53.

[3]陈一超.多波束数据的智能化处理[C].中国航海学会,2006.

[4]赵春城.尝试采用国际海道特等测量精度标准(S-44)对疏浚工程的验收[A]//中国航海学会航标专业委员会测绘学组学术研讨会学术交流论文集.2006.

篇4：多波束测深的异常数据编辑技术和实现

关键词:GPS延时纵摇偏差横摇偏差艏摇偏差

0 引言

目前多波束系统正逐渐普及,并在海上油田井场调查、航道疏浚、港口测量、大陆架经济区勘测等领域得到广泛应用,可以进行高精度、全覆盖水深测量,实现了由线到面的飞跃。多波束测深系统连接设备比单波束测深要多并复杂,一套多波束系统由多种设备或传感器组成,为了得到真实世界中精确的三维水深坐标必须考虑各设备间的安装误差,并通过不同校正方法改正其姿态。本文以多波束SeaBat 8125和软件PDS2000为例,总结了影响其测深精度的几个问题。

1 多波束系统主要组成

①RESON SeaBat 8125:频率:455kHz;测深分辨率:6mm;覆盖角度:120°;最大测深范围:120m;波束数:240;沿航线波束角:1°;垂直航线波束角:0.5°;最大船速:12节;最大发射速率:40次/秒。②OCTANS光电罗经、运动传感器:真北方位精度:0.1 °;稳定时间:5分钟;纵横摇分辨率:0.01°;升沉精度:5%。③GPS信标机④ PDS2000数据采集软件⑤HY1200声速剖面仪。

2 影响系统精度的几个问题及采用措施和校正方法

水中的声速:海洋中各处的声速都可能不一样,它取决于以下三个参数:盐度变1ppt=声速约变1.3m/s;温度变1°C=声速约变3 m/s。压力:165米深度变化的影响相当于温度变1°C。针对参数,使用hy1200声速剖面仪测前和测后两次测量水中声速,并将声速曲线应用到数据后处理中。背景噪声:在测量过程中,由于声纳、船体电子、气泡断裂、螺旋桨和发动机引起的自身噪声一般可以控制,而其他声源如波浪、潮汐、流速、地震、海洋生物和其它船只引起的环境噪声,一般不可控制。在自身噪声控制中,可以采取以下措施:①在换能器上安装导流罩,设计流体型船体形状,改变声纳头到船壳的高度等,可使水流气泡的影响最小化。②仔细选择声纳头安装位置,远离船主机、副机、泵和螺旋桨,并保证声纳杆舷侧安装稳定牢固,超出船底。③增益的选择:当水深小于等于5米时,可以使用固定增益;当水深大于5米时,采用TVG自动增益。TVG的确定主要取决于Absorption和Spreading Loss两个主要参数,在干净的淡水中,或者在海底具有很好的反射体的水中时,两个参数设置通常较低,反之,较高。校正:在进行多波束校正之前,首先选择良好的海况和特定的海底地形(有明显水深变化如航道和港池的边坡)上采集数据,安装一次就要校正一次,当更换设备或改变传感器位置时都需要重新校正。多波束校正包括:①GPS 延时②横摇偏差(Roll)③纵摇偏差(Pitch)④艏摇偏差(Yaw)

2.1 GPS延时 时间同步是使 PDS 计算机的时间与从GPS 来的精确时间同步,以保证实时采集的水深值和定位坐标保持一致。因为GPS接收机要花时间计算位置,还得输出其他数据,大部分GPS都不能没有延时的输出数据,延时通常从200毫秒到1200毫秒。如图示一,分别以不同速度两次测量同一条线,速度要求相差最少一半,地形要求有明显水深变化。

2.2 横摇偏差(Roll) 横摇偏差即声纳探头在船型安装坐标系统中的安装误差,声纳头发射的中央波束没有垂直发射到海底,而是朝船左或船右某个角度发射,Roll误差会直接导致水深值误差,水越深误差越大,因此校正时应达到0.01°的精度。如图二,分别以相同速度,选择平坦地形,不同方向测量同一条线。

2.3 纵摇偏差(Pitch) 纵摇偏差也是声纳头在船型安装坐标系统中的安装误差,声纳头发射的中央波束没有垂直发射到海底,而是朝船前或船后某个角度发射波束,Pitch误差会造成沿航线方向上的位移,位移值和水深成正比,水深越大位移越大。如图示三,分别以相同速度,选择有明显变化水深地形,不同方向测量同一条线。

2.4 艏摇偏差(Yaw) 艏摇偏差即声纳探头发射波束面在船型坐标系中,没有垂直于船前进方向即坐标系Y方向,Yaw误差会引起边缘波束水深点的位置误差。如图示四,在斜坡或一个礁石上布设两条平行测线,测线间距应保证两个测线间有10-50%的波束覆盖率,测线方向可以相反也可以相同,速度相同。

2.5 处理校正数据 打开PDS2000软件Proessing菜单的Multibeam PatchTest校正应用程序。分别调用对应四个误差的测线数据,依次计算出Latency(延时)、Roll、Pitch、和Yaw的校正值,注意先后顺序非常重要,在校正计算时要注意潮位改正,因当潮位变化很大时会引起校正结果误差。

3 問题数据总结

在实时采集状态可以通过测量覆盖窗口观察采集数据是否存在异常,一般问题如下:①整个条带沿航线波浪起伏。原因:运动传感器升沉带宽设置问题;时间同步不对。②边缘波束波浪起伏。原因:系统时间同步不对;声纳杆不牢固有运动。③水底声纳信号有旁瓣特征。解决方法:增加发射功率及接收增益可消除或减少其影响。④相邻测线间的水深不符。原因:运动传感器升沉带宽设置有问题;因流速引起船吃水改变等。

在各种数据问题中,固定误差影响是可以在数据后处理过程中改正,如系统安装位置、吃水改正、潮位改正、固定传感器延时偏移和多波束校正参数等,而可变误差影响是不可以改正,如时间同步不正确、声纳头安装杆运动传感器震动、可变定位误差、运动传感器数据漂移和缺乏合适的声速剖面等。多波束测深精度的影响因素很多,以上介绍是保证采集真实可靠的原始数据主要影响因素,在实时测量过程中,要求测量人员认真考虑每项改正参数,准确观察测深覆盖图并判断是否存在问题。随着多波束的广泛应用,其测深技术逐渐成熟。

参考文献:

[1]徐卫明,肖付民,刘雁春等.内陆水域测量学.2004年海军大连舰艇学院.

[2]阎福旺.水声基础技术.2001年海洋出版社.

[3]梁开龙.水下地形测量.1995年测绘出版社.

[4]殷晓东.海道测量学.2004年海军大连舰艇学院.

篇5：多波束测深的异常数据编辑技术和实现

关键词:数据简化矢量曲线 多波束测深

中图分类号:TB565文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0079-02

1 簡介

多波束测深仪具有几百到上千个波束,一次扇区(ping)扫描能获得成百上千个测深数据,可对水下地形地貌进行大范围、全覆盖的测量,极大地提高了测量的精度和效率,现已广泛应用于河道测量、港湾测量、浅海测量、深海测量等领域[1]。如此巨大的数据在实际应用中,存在很大的冗余性,也为数据的后处理和存储带来庞大负担[3]。因此,在进行数据存储、应用前,有必要在保持测区地形特征的前提下,对数据进行一定的精简。

2 基于ping的简化方法

2.1 ping数据抽取

多波束测深数据是沿测线逐ping记录和存储的部分有序、均匀分布数据,因此其数据后处理可以ping为单位进行。每ping中的数据邻点相连,就形成了一条三维曲线段,然后采用基于矢量曲线的简化方法进行简化处理。

ping数据的抽取方法有两种:(1)曲率判定法,根据当前点与前后数据点在x,y平面上相连接的直线曲率差值来确定;(2)距离确定法,通过计算当前点与前一点的平面距离来确定。

2.2 常用的矢量简化方法

常用的曲线简化方法有以下几种:步长法、线段过滤法、垂距限值法、道格拉斯-普克法(Douglas-Peucker,简称DP)等等[4]。在实际的数据简化应用中,使用较为广泛的是垂距限值法和道格拉斯-普克法。

2.2.1 垂距限值法

从第一点开始逐点筛选特征点。首先以第一点为起点,计算第二点到第一、第三点所构直线的距离,若大于某一阈值,则保留第二点,并以该点作为新起点,计算第三点到第二、第四点所构直线的距离;否则,去掉第二点,仍以第一点为起点,计算第三点到第一、第四点所构直线的距离。依此类推,直至曲线上最后一点。该方法的阈值一般取相应地物最大允许误差或更小。

垂距限值法简化结果具有较好的精度、算法简单、易于编程和计算机处理,所以在曲线简化中应用较广。缺点是它没有考虑到曲线各点的斜率,即不能完全保证特征点不被删减。

2.2.2 道格拉斯-普克法

DP算法是一次对整条曲线段进行考虑。首先连接曲线段两端点,计算线段内各点(称中间点)到两端点所构直线的距离。若最大距离值小于某一阈值,则保留两端点,舍去所有中间点;若大于阈值,则保留对应中间点,并以此点将线段分为前后两段,再分别对这两段重复上述过程,直到没有点需要被舍去为止。

DP法在简化精度方面较垂距限值法有显著的提高。但由于DP算法中用到了较多的循环和递归,在编程的难易程度和计算机处理速度方面逊于垂距限值法。

2.3 简化性能评价

数据简化算法的效果可以从三个方面来度量[5]:(1)精度,即利用简化后数据重构的曲面与由原始数据所构曲面之间的误差;(2)简度,也称简化率,即简化前后数据点个数的比值;(3)速度,即计算机进行简化处理的时间。实际上,任何一种简化算法要想同时在以上三个方面都具有优秀的表现是很困难的,很多算法只能达到其中一个或两个要求,对于海量的多波束测深数据来说更是如此。

3 简化实例

对某实测多波束测深数据分别采用垂距限值法和DP法进行简化处理(原始测深数据见图1),垂距限值均选取0.05m。精度评定采用反距离平方加权内插法。两种方法简化效果见图2、图3、图4、图5(图中五角星标定点为简化后保留点),简化性能情况见表1。

由图2、图3、图4、图5及表1可见,经过简化后的数据均较好地保留了原始数据的地形特征点,且数据量得到了较大地减少。从精度上讲,两种算法的简化精度均远小于0.1m,满足《水道观测规范》要求;从简度上看,两种方法在满足精度要求的前提下,都达到了50%以上的简化率,大大地减小了原始数据量;从速度上比较,垂距限值法比DP法快,这是由于DP法的迭代循环增加了处理时间。

4 结语

从文中实例应用分析可得,虽然垂距限值法和DP法在矢量曲线数据简化中均具有较好的简化效果,但因为DP法在编程中采用迭代计算,增加了编程的难度及数据处理时间,因此,综合算法的精度、简度、速度及算法实现难易度,垂距限值法在海量多波束测深数据的简化处理中更具适用性。

参考文献

[1]郑庆涛.多波束与单频测深技术应用比较[J].水利水文自动化,2007,(1):25～29.

[2]Kammerer E.Charlot D.,Guillaudeux S.Michaux P.Comparative study of shallow water multibeam imagery for cleaning bathymetry sounding errors[C].Oceans Conference Record (IEEE), v4,2001:2124～2128.

[3]周绿,林亨,钟约先,等．曲面重构中测量点云的精简方法的研究[J]．中国制造业信息化,2004,33(5):102～104．

[4]刘彦花,叶国华.矢量曲线抽稀算法分析[J].城市勘测,2001,(4):1～4.