[發明專利]一種基于MBES的海底沙波地貌運動探測方法

有效

• 申請號: 201310317429.9
• 申請日: 2013-07-24
• 公開（公告）號: CN103389077A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 吳自銀;余威;李守軍;尚繼宏;趙荻能;周潔瓊;金肖兵
• 申請（專利權）人: 國家海洋局第二海洋研究所
• 主分類號: G01C13/00
• 分類號: G01C13/00
• 代理公司: 浙江英普律師事務所 33238
• 代理人: 陳小良

1.一種基于MBES的海底沙波地貌運動探測方法，其特征在于包括下列步驟：

步驟1：基于MBES的海底沙波探測前準備

（1）設備檢測與標定：選用多波束系統的測深精度達到分米級的儀器，GPS定位精度達到亞米級；

（2）潮位站布設：在海底沙波測量區布設2～4個臨時驗潮站，獲取臨時潮位資料Tide={tide_i}_i=1,4，以控制測區潮位；

（3）聲速剖面測量：開始勘測前，必須在測區附近進行聲速剖面測量,至少獲取測區一個聲速剖面Svp={v_i}_i=1,n1，n1為聲速剖面層數；

步驟2：基于MBES的海底沙波地貌的探測

采取十字正交測線探測法或矩形區域探測法兩種布線方式進行海底沙波的多波束探測，

其中，十字正交測線探測法是指：在沙波區布設十字正交測線，其中一條平行沙波走向，一條垂直沙波走向；測線的寬度D應大于沙波的波長d，測線的長度L應大于沙波的橫向延伸距離l；勘測時沿直線移動，多波束全開角勘測，全程GPS有差分信號；

矩形區域探測法是：在沙波區布設矩形區域，矩形的長邊應平行沙波走向，短邊垂直沙波走向，矩形的長邊A應大于沙波的橫向延伸距離l，矩形的短邊B應大于沙波波長d的兩倍；勘測時沿直線移動，多波束全開角勘測，全程GPS有差分信號；

形成首次探測原始數據集合Raw_t1={raw1_i}，t1為海底地形測量時間；

步驟3：基于MBES實測數據的DDM構建

(1)數據處理：對獲取的原始數據集合Raw_t1={raw1_i}進行潮位改正、吃水改正、聲速改正和噪聲點編輯處理后，形成處理后的離散水深數據集合Proc_t1={(x_i,y_i,z_i)}_i=1,n；

(2)數據分辨率評估：將離散水深數據集合正投影到二維平面上，按抽樣法量算離散數據點的空間距離，要求95％的離散水深數據與其周圍點的距離小于沙波運動估計速率v，否則降低直線移動速度，返回步驟2重新進行探測；

(3)構建DDM:采取改進的距離反比加權(FIDW,FastInverseDistance?Weighted)方法對離散水深數據集合Proc_t1進行處理，形成DDM_t1={dep_(i,j)}_i=1,n,j=1,m；

FIDW方法計算公式為：

dep(i,j)=[Σk=1nwkzk]/Σk=1nwk;]]>

w_k=1/d_k²

dk=(x(i,j)-xk)2+(y(i,j)-yk)2]]>

式中，x_k，y_k，z_k為離散水深點的橫坐標、縱坐標和水深值，來自集合Proc_t1；w_k為離散水深數據點的權重值；dep_(i,j)為網格值，x_(i,j)和y_(i,j)為網格橫坐標和縱坐標值；

設計網格點結構體DEP={dep_(i,j),A_(i,j),B_(i,j)},在讀入離散數據的同時，根據每個離散水深數據的坐標（x_k，y_k），根據預先設定的作用距離dis，判斷該點可作用的網格點；若d_k≤dis時，該點參與網格化運算，否則直接跳過；當所有離散點遍歷完成后，遍歷一次網格即可獲取每個網格點的水深差值dep_(i,j)=A_(i,j)/B_(i,j)，當B_(i,j)=0時該點為無效點；當參與網格dep_(i,j)運算的點數少于n2時，該點也為無效點，n2為自然數，由系統缺省給定，也可由用戶后期交互修改；

步驟4：二次探測與處理

(1)二次探測：按照步驟2中的測量方法，采取一定的時間間隔t進行二次重復測量，前后重復測量的航跡保持一致；測量時間間隔t要求為：t≥△d÷v，△d為Gps定位中誤差，v為沙波運動估計速度；或者要求在一次風暴潮發生前后分別測量兩次海底地形，用于研究風暴引起的海底沙波運動；重復探測形成原始數據集合Rwa_t2={raw2_i}，t2為二次海底地形測量時間；

(2)二次構建DDM：按照步驟3中（1）或（2）之方法，采取FIDW方法構建二次探測后的DDM_t2；

DDM_t1和DDM_t2為沙波兩次測量形成的網格，兩個網格的范圍、行數、列數、行間距和列間距要完全一致；

(3)構建差值△DDM：DDM_t1和DDM_t2按網格點逐點進行相減運算，生成新的差值網格△DDM=DDM_t2-DDM_t1；

步驟5：基于DDM的沙波運動速率計算

采用剖面對比法、差值法、或子窗相關法的方法來判斷海底沙波是否運動，并計算海底沙波運動速率；

其中，剖面對比法是指：垂直沙波走向，設計地形剖面線L₀，分別在網格DDM_t1、DDM_t2和△DDM中進行相交運算，獲取3條地形剖面線L_t1、L_t2和L_△t，在同一平面坐標系下按照相同參數用不同顏色繪制三條地形剖面線，對比沙波峰或谷的遷移距離△l₁,可以獲取一處沙波的運動速率v1_i=△l₁÷t；按照上述方法，垂直一條沙波的不同位置，可獲取該沙波n處位置的運動速率，通過平均的方法可以獲取該沙波的平均運動速率

差值法是指：基于期沙波差值網格△DDM，繪制海底三維地形圖，如果沙波出現運動，海底地形表現為谷峰相間條紋，通過人機交互模式追蹤條紋的脊線和谷底線，測量距離最近的脊線和谷底線空間距離△l₂，可以獲取一處沙波的運動速率v2_i=△l₂÷t；按照上述方法，可獲取n條沙波的運動速率，通過平均的方法可以獲取一片沙波的平均運動速率

子窗相關法是指：通過建立滑動子窗口的方式來分割兩期海底網格的互相關來判斷海底沙波的運動，在兩期海底網格DDM_t1和DDM_t2中，建立相同大小的移動的矩形子窗口△D_t1和△D_t2，其行數和列數分別為m和n，通過子窗口的移動來計算兩個時期沙波網格的相關系數，從而判斷海底沙波的運動方向和速率；

具體步驟如下：

（a）兩個子窗口的互相關計算公式為：

R=RabRaRb]]>

其中，R_a、R_b分別為子窗口△D_t1和△D_t2的方差，R_ab為子窗口△D_t1和△D_t2的協方差，計算公式分別為：

Ra=1m-11n-1Σi=1mΣj-1n(aij-a‾)2]]>

Rb=1m-11n-1Σi=1mΣj=1n(bij-b‾)2]]>

Rαb=1m-11n-1Σi=1mΣj=1n(aij-a‾)(bij-b‾)]]>

a_ij、b_ij為兩個子窗口△D_t1和△D_t2相應位置的水深值，a、b為子窗口△D_t1和△D_t2的平均水深值；

(b)按照空間順序在DDM_t1和DDM_t2中分別設置初始的子窗口△D_t1和△D_t2；

(c)固定△D_t1，在DDM_t2中按先行后列的空間順序滑動子窗口△D_t2，按照步驟（a）中之公式分別計算子窗口△D_t1與移動子窗口△D_t2的互相關系數R，保存最大相關系數所在的子窗口△D_t2；通過兩個子窗口△D_t1和△D_t2的中心坐標值可獲取兩者的距離dis₁₂和方向關系ang₁₂；子窗口△D_t1所在的沙波在t1至t2時間內的移動速率：v3=dis₁₂÷t；

(d)在DDM_t1中按先行后列的空間順序滑動子窗口△D_t1，然后按照步驟（c）可獲取每個滑動子窗口△D_t1的最大移動速率v3_(i,j)和移動方向ang_(i,j)。