基于水深分段选择因子的多光谱影像反演水深

岛礁周边海底地形精密测量是海洋测绘的难点问题之一,利用多光谱卫星能精确测定岛礁周边水深地形,是传统岛礁水深测量有效的补充方式之一。本文以蜈支洲岛周围水域为研究区域,提出了基于BP神经网络水深分段选取反演因子的方法,利用WorldView-2数据和多波束实测数据建立多模型,整合预测的各段水深获得海底地形。实验表明,本文方法能充分利用水体的光谱特性,与单一BP神经网络模型结果相比,MRE降低了6.4%,RMSE降低了1.2 m,是一种可行的多光谱水深反演的方法     

强冲刷侵蚀岸段水深地形变化成因分析

海底地形变化是海洋动力变化的直接表征之一,强冲刷侵蚀岸段水深地形变化,主要是由于风暴潮等恶劣天气而形成的波浪扰动起海底表层物质成分,并由海流和风完成了对悬沙的运移所致.风暴潮引起海浪在海岸浅水处破碎,卷破波的水舌向下冲击时,在海底形成很大的旋涡,把泥沙掀动起来,在风流潮和的作用下,致使侵蚀冲刷快速的呈现,造成了水深地形的变化.一般情况下,水深地形变化较大地段由于泥沙的自然盈亏影响较小,人为的因素改变了自然平衡发生变化是重要因素.而冲刷侵蚀岸段的水深地形变化与海洋动力紧密相关,因此,研究分析海洋动力与水深地形变化的成因,对海岸工程及其防护至关重要.     

海底三维可视化技术及应用

海底地形地貌能表现海洋世界重要的空间信息,也是常规光学和电磁手段难以探测的水下区域。应用侧扫声纳技术可以反演海底地貌,同时多波束测深技术得到的水深数据重建数字水深模型,二者结合创建三维海底空间景观。利用海洋探测技术和三维可视化技术进行海底地形地貌三维仿真和分析,并对其应用进行探讨。     

基于三角网构建海底DEM的抽稀算法

为压缩海量水深数据,实现在高分辨率下快速、完整和准确地表示海底地形,提出了一种基于三角网拓扑结构的数据抽稀方法。该方法利用Delaunay三角网的模型优势,快速寻找与水深点相关的区域。根据水深点对区域贡献度大小决定取舍。实验表明,该方法充分顾及海底地形变化趋势,能有效识别海底地形特征点,并且抽稀速度快、失真小、精度高。     

基于频域法的留尼汪海域海底地形反演

海底地形是全球地形的重要组成部分,对地球物理科学研究、经济活动等具有重要作用。基于Parker公式,利用卫星测高重力异常和船测水深数据,采用频域的方法反演了疑似马航MH370失事区域的留尼汪海域的10°×10°的海底地形。最后将反演的水深和船测水深、国际通用的海深模型ETOPO1作比较进行精度评估,结果表明:本文反演结果与船测水深相比误差平均值为-26.038 m,标准差为176.588 m;与ETOPO1相比,差异平均值为-33.541 m,标准差为160.769 m。这表明采用重力异常数据,结合船测数据能较高精度地反演海底地形。     

两种测高重力异常反演海底地形方法比较

针对基于测高重力异常反演海底地形理论众多、选取标准无法确定的情况,利用中国南海海域内的测高重力异常和船测水深数据研究比较了重力地质法(GGM)和SmithSandwell (SAS)法两种精度高、计算速度相对较快的海底地形反演理论。其中,GGM方法的密度差异常数Δρ由向下延拓技术确定为2.15 g·cm-3,SAS方法采用移去-恢复技术得到反演波段内重力异常和水深数据。结果表明:测线分布条件一定时,水深多在-1 000 m左右或反演区域岛礁、海山等复杂海底地形较多时选取SAS方法,水深主要在-3 000 m以深的区域或海底地形复杂程度不高时选取GGM方法则能获取更好的效果,其效果最优处与船测水深在检核点处的差值最优平均值能达-0.61 m,标准差可达14.67 m。     

海底地形数据组织与可视化选取技术

海洋测绘数据信息化是构建智慧海洋的基础, 而海底地形数据是海洋测绘数据中的重要内容。为更加便捷和高效地 管理与利用地形数据, 本文结合工程实际需求, 研发了海底地形数据管理平台。首先, 基于海底地形数据的特点, 提出多分 辨率海底地形组织模型, 对不规则区域的海底地形进行多分辨率模型构建, 实现了对多波束实测数据的组织管理; 在此基础 上, 提出了多尺度海底地形分级渲染优化算法与海底地形数据空间截取算法, 利用分级渲染与数据裁剪算法实现对海底地形 数据的可视化表达预览和选取服务; 最后, 以典型的多波束测深数据为例, 基于研发平台完成了数据从存储 、组织管理到可 视化预览选取的一体化管理与服务, 验证了本文算法的可靠性与实用性, 同时可为海底地形数据管理服务提供一定参考。     

海洋倾倒区容量评估模型的构建

倾倒区容量主要受海水动力过程(潮流输沙、风暴潮和风浪掀沙等)、倾倒区面积和水深地形等因素影响。本文基于FVCOM(Finite Volume Coast and Ocean Model)三维数值模型和随机动态统计分析模型, 利用倾倒区地形演变和倾倒量资料, 探讨海水动力过程(潮流输沙、风暴潮和风浪掀沙等)和倾废活动对海底地形变化的影响, 构建海洋倾倒区容量长期演变评估模型。利用FVCOM水动力和泥沙模型计算自然状态下潮流输沙引起的地形变化, 同时结合倾倒区多年实测水深和倾倒量资料, 分析倾倒量、潮流输沙和地形变化的统计关系, 通过实际资料拟合修订系数, 作为该倾倒区海浪和风暴潮等因素输沙所造成地形变化的参考值, 以此评估倾倒区容量长期演变。在设定实际地形变化阈值的前提下, 计算倾倒区容量。以长江口1#倾倒区为例, 1#倾倒区地形抬升0.5m/a,倾倒区容量约为670万方/a,模型结果和实际批复结果吻合。同时在甬江口2#倾倒区、罗源湾倾倒区、嵊泗上川山、东碇倾倒区和温州港倾倒区等验证, 模拟结果同实际观测结果相近。     

大地水准面高的计算及其在海底地形反演中的应用

为充分挖掘海洋重力数据在反演海底地形中的应用潜力,尝试探索利用大地水准面高反演海底地形的技术途径,并以夏威夷—皇帝海山链拐点所在海区作为反演试验区进行验证。首先采用Belikov列推法计算伴随(缔和)勒让德函数,利用EIGEN-6C4地球重力场模型解算获取了分辨率为1'的大地水准面高格网数值模型;然后通过综合分析反演比例函数和转换函数特点、研究海区大地水准面高与海底地形的相干特性以及大地水准面高本身尺度特征,获得了利用大地水准面高反演海底地形的频段范围;最终以试验海区大地水准面高为数据输入,构建了相应的海底地形模型(BNT模型),并与ETOPO1等海深模型进行比对分析。试验结果表明:BNT模型检核差值在一倍均方差范围检核点数量占比70.60%,相比正态分布更加集中;BNT模型检核精度低于ETOPO1等海深模型;海深模型检核精度随着水深增加不断提升,水深小于1 000 m时,海深模型相对误差出现较大发散现象;计算海域ETOPO1模型精度最高,GEBCO模型和DTU10模型检核精度相当。     

基于FIO-COM的海洋声学预报系统的构建与应用

将海洋模式与声传播模型结合在一起,设计开发了一种适用于高性能计算机的全球海洋声学预报系统FIO-GOAFS,该系统以自然资源部第一海洋研究所全球0.1°分辨率海浪-潮流-环流耦合模式（FIO-COM）为基础,利用海洋模式预报的温、盐、深参数计算声速剖面,并对声速剖面进行水声环境特征诊断,之后将海洋模式与水下声场传播模型协同连接,结合地声模型（海底地形和底质参数）,实现了全球海域的水声环境特征诊断及水下声场及相关结果的预报。海洋模型提供水下声学预报所需的水体声速、海浪波高等参数,地声模型提供海底地形、底质声速、密度以及衰减等参数,通过调用海洋-声学连接模块提取声传播路径的地形及海洋环境参数剖面,实现海洋模型和声学模型的有效连接。全球海洋声学预报系统在高性能计算机上并行实现,主要包括声场计算中的频点、方位角并行以及声学预报时针对地理空间区域的并行。最后,利用该系统预报并分析了全球海域的水声环境特性及声呐作用距离的季节变化和空间分布特征,为现代声呐的设计、操作和水下应用提供参考。     

多波束系统数字测深模型设计

根据多波束系统工作原理,充分考虑波束角立体特性及海底地形的二维区域特征,给出多波束系统数字模型的详细设计步骤,并以实际海底水深数据进行检验。结果表明,该模型比较符合理论分析及实际情况,在仿真实验中可以模拟实际的多波束系统。     

基于STO＿IEU2020的海底地形数据尺度提升方法比较

栅格小于1′的全球海底地形数据通常以卫星测高海洋重力数据构建的1′海底地形数据作为背景场模型,采用数据格网化方法得到。基于此,以STO＿IEU2020模型作为海底地形背景场数据,使用反距离加权法、改进Shepard拟合方法、径向基函数法、Kriging方法4种常规网格化方法以及“移去-恢复”方法,分别构建了试验区域栅格大小为30″和15″海底地形模型,并对试验结果开展了分析评估。试验结果表明,采用改进Shepard拟合方法构建的30″和15″栅格海底地形模型相较其他3种常规海底地形格网化方法检核精度高。进一步基于改进Shepard网格化方法,采用“移去-恢复”方法构建的30″和15″栅格海底地形模型结果显示,“移去-恢复”方法可进一步提升建模精度,据此建议制作多尺度海底地形数据,可重点考虑基于“移去-恢复”的改进Shepard拟合方法。     

《海洋测绘》2002年1～6期总目录

综　述卫星测高原理及其应用 (1— 5 7)卫星测高在确定地球重力场中的应用 (2— 5 9)卫星测高在海洋学中的应用 (3— 5 8)卫星测高在海洋测绘中的应用 (4— 5 8)多波束测深系统的现状与发展趋势 (5— 3)沿岸水深测量技术方法的探讨 (6— 6 0 )海洋测量卫星测高资料在反演海底地形中的应用 (1— 3)南海海底地形的卫星测高数据反演 (1— 8)天津港精密水深测量的实现 (1— 30 )多波束系统的参数误差判断及校正 (1— 33)海洋测深中时移和偏移效应综合分析与改正 (2— 9)南海海域岛屿高程基准确定与计算 (2— 14 )磁偶极子磁场空间分布模式 (2— …     

海南岛西南海域晚第四纪古水深反演

晚第四纪以来,因古气候和海平面发生多次变化,南海西北部经历了海岸线变迁和海陆演变多个过程。利用钻孔测年和高分辨率单道地震资料开展对比、划分了7个主要地震反射界面并确定其时代。同时基于现今水深数据,依据全球海平面变化曲线和地层厚度,对海南岛西南海域晚第四纪(100.1~40.7kaBP)以来的古水深和海岸线进行反演。反演结果表明,100.1kaBP时,海南岛西部、西北和南部局部地区海岸线向海方向移动,陆域面积略微增加,海域陆架较窄,最大水深超过550m,海底地形以陆坡深水区为主。78.1kaBP时,海南岛西部海岸线发生较大规模迁移,陆域面积增加,陆架变宽,海底地形平缓。大部分区域水深均小于200m。49.9~40.7kaBP,海南岛西部陆域面积进一步扩大,海底地形平坦,水深变浅,地形以陆架区浅水区为主。研究表明,100.1~40.7kaBP以来研究区的水深变浅,地形变为平缓,海岸线向海迁移,区域古气候、海平面变化以及物源供应对塑造海底地形地貌具有重要的作用。     

基于多源水深数据融合的海底高精度地形重建

本文在研究多源水深数据构建技术的基础上,分析了张力样条插值算法和“移去-恢复”法的多源水深数据融合处理技术,基于该方法选取实验区,利用多波束、单波束、历史海图等多源水深数据进行高精度海底地形融合试验,并针对多源水深融合技术缺少误差评估的现状,利用split-sample方法对融合结果进行水深不确定性评估,形成融合结果的可靠性空间分布。结果表明该方法无论是在数据稀疏区还是高密度区都达到了较好的融合效果,既保留了高分辨率水深数据的细节信息,又较真实的反映了研究区海底地形特征,且构建的海底地形精度可靠,误差百分比集中在0.5%。本文整套数据融合和结果评估方法可为多源水深数据融合的海底高精度地形构建提供借鉴和参考。     

顾及海底地形变化的狄洛尼三角网构建

数字水深模型是对海底表面形态的数字化表达,传统的网格数字水深模型存在不能根据海区水深变化情况自动调节内插水深间隔的不足,提出了以深度极限误差作为判断标准,顾及海底地形变化的补深补浅方法,并在此基础上构建了相应的狄洛尼三角网。 实验证明:与传统的最浅点抽稀规则格网方法相比,所提方法更能合理的反映出海底地形的实际变化情况,并明显改善 DDM 精度。     

多波束勘测的特殊地形处理

海底特殊地形在多波束勘测后处理时经常遇到但又极易被忽视,导致具有重要地学和工程意义的特殊地形未能被反映在成果图上。通过分析后处理中的常见问题,提出了利用水深残差法搜索定位多波束海量数据中存在的局部特殊地形,进而提取特殊地形的水深浅点和深点的处理方法。该方法在国家海洋勘测专项中取得了很好的应用效果。     

基于A~*算法的海底地形等深线模型构建方法研究

介绍了DEM原理和构建方法,利用现有矢量海图中的水深要素及海岸线岛屿要素,对生成电子海图海底规则网格数据进行研究。计算机辅助虚拟三维海底地形,运用线性八叉树场景进行分解寻求其规律性,用A*算法最好最优地勾绘出等深线,从而建立海底地形等深线模型,为实现电子海图海底三维可视化奠定了基础。最后对算法进行分析与完善。     

海底地形格网数据精度指标要求分析

海底地形不易进行实地探测及核实,海底地形格网数据产品精度指标的确定不具备实地核实的条件,为了确定海底地形格网数据精度指标,通过大量的数据实验,分析得出单位面积内,一定比例的极值水深差值的平均值与海底地形之间有一定的线性关系,从而提出了通过单位面积水深插值来划分海底地形的一种量化方式,并依据实验数据,分析误差规律,给出了海底地形格网数据中误差的精度指标及方法。     

多波束换能器安装偏差对海底地形测量的影响

针对多波束测深系统换能器安装过程中存在角度偏差问题,给出了换能器安装偏差的相关定义,建立了换能器横向、纵向及艏向安装偏差影响模型,阐述了各项安装偏差对海底地形测量的影响机理,结合算例,研究了各波束点水深误差与位置误差随波束指向角的变化规律及影响量级,进一步给出了部分代表性波束点水深偏差及位置偏差随安装偏差角的变化规律及影响量级,最后分析了各安装偏差间的相关性,以期为换能器安装偏差校正及测深数据质量控制提供一定的参考。