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        基于地形趨勢(shì)面的邊緣波束數(shù)據(jù)處理方法研究

        2024-06-04 00:00:00樊小濤張世明孫振勇包波李自斌
        人民長江 2024年3期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)處理方法

        收稿日期:2023-04-12;接受日期:2023-10-16

        基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2023YFC3210500);中國長江三峽集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目(JGAJ0421004,0711606);長江水利委員會(huì)水文局科研項(xiàng)目(SWJ-CJX23Z05)

        作者簡介:樊小濤,男,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理、信息化研究。E-mail:50430378@qq.com

        Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

        文章編號(hào):1001-4179(2024) 03-0141-05

        引用本文:樊小濤,張世明,孫振勇,等.基于地形趨勢(shì)面的邊緣波束數(shù)據(jù)處理方法研究[J].人民長江,2024,55(3):141-145,152.

        摘要:

        受多波束特點(diǎn)及水體環(huán)境的影響,多波束邊緣波束的數(shù)據(jù)質(zhì)量低于中央波束的數(shù)據(jù)質(zhì)量。通過分析多波束邊緣波束測(cè)深誤差的影響因素,提出了通過相鄰條帶中央波束的水深數(shù)據(jù)獲取地形趨勢(shì)面來提高邊緣波束的水深數(shù)據(jù)質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了水底地形的曲線擬合公式和邊緣波束測(cè)深點(diǎn)誤差改正公式,并采用了多波束實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:使用該方法處理后的多波束邊緣波束水深數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯提高,水深數(shù)據(jù)更接近真實(shí)水深,有效削弱了多波束邊緣波束的測(cè)深誤差,對(duì)如何提高多波束的邊緣波束數(shù)據(jù)質(zhì)量有指導(dǎo)作用。研究成果可應(yīng)用于多波束數(shù)據(jù)處理軟件的深度研發(fā)和多波束實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后處理。

        關(guān)鍵詞:

        邊緣波束; 測(cè)深數(shù)據(jù); 地形趨勢(shì)面; 聲速誤差; 相鄰條帶; 多波束測(cè)深系統(tǒng)

        中圖法分類號(hào): P217

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A" " " " " " " " "DOI:10.16232j.cnki.1001-4179.2024.03.019

        0引 言

        隨著多波束測(cè)深技術(shù)的成熟,其應(yīng)用越來越廣泛,除應(yīng)用于基本水下地形測(cè)量外,已經(jīng)廣泛運(yùn)用于水底地質(zhì)分類、障礙物探測(cè)、數(shù)字孿生底板數(shù)據(jù)獲取等研究領(lǐng)域[1-2]。多波束測(cè)深數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、測(cè)深誤差多源性等特點(diǎn),其數(shù)據(jù)質(zhì)量受測(cè)量環(huán)境影響較大。

        隨著GNSS、姿態(tài)儀、聲速剖面儀等硬件設(shè)備精度的提高,由儀器產(chǎn)生的誤差越來越小。在儀器精度一定的情況下,提高多波束數(shù)據(jù)質(zhì)量一般通過以下兩種方法:一是改進(jìn)數(shù)據(jù)采集時(shí)測(cè)量方法;二是通過姿態(tài)改正、聲速改正等數(shù)據(jù)后處理來提高測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量[3-7]。目前,關(guān)于多波束數(shù)據(jù)誤差分析和數(shù)據(jù)處理已取得較多的研究成果,但相關(guān)研究多傾向于通過構(gòu)建聲速改正模型[8-9]或改進(jìn)數(shù)據(jù)后處理[10-12]等方法來提高成果精度,而對(duì)多波束邊緣波束的數(shù)據(jù)質(zhì)量改進(jìn)有限,特別是高陡邊坡和水深較大的山區(qū)型水庫。一方面,由于地形的陡變,導(dǎo)致在多波束數(shù)據(jù)后處理時(shí)無法進(jìn)行有效的高質(zhì)量濾波,質(zhì)量和效率難以得到保證;另一方面,在大水深的山區(qū)型水庫中,水體常常存在較大的溫躍層,使得聲速誤差由于受條件限制難以進(jìn)行有效探測(cè),往往只能以點(diǎn)帶面,導(dǎo)致在數(shù)據(jù)處理過程中很少被顧及,從而造成在數(shù)據(jù)處理時(shí)存在系統(tǒng)性的測(cè)深誤差,特別是對(duì)邊緣波束的影響尤為突出。其次受多波束自身技術(shù)和聲波發(fā)射特點(diǎn)影響,同中央波束相比,其邊緣波束測(cè)深數(shù)據(jù)往往質(zhì)量較差。針對(duì)上述存在的問題,專家學(xué)者展開了對(duì)中央波束及邊緣波束的相關(guān)研究,并取得了一定成果。朱正任等[13]提出了采用多條帶最小二乘擬合對(duì)多波束聲吶圖像進(jìn)行殘差處理;唐秋華等[14]采用加權(quán)內(nèi)插法,通過兩側(cè)聲強(qiáng)數(shù)據(jù)加權(quán)內(nèi)插得到中央波束區(qū)域數(shù)據(jù);王煜[15]通過中央波束區(qū)強(qiáng)度平均值與非中央波束區(qū)平均值構(gòu)建改正模型進(jìn)行改正。上述方法有效提高了多波束的數(shù)據(jù)質(zhì)量,但對(duì)邊緣波束改正有限,特別是在地形復(fù)雜區(qū)域,不同條帶常常出現(xiàn)拼接痕跡。

        針對(duì)以上在山區(qū)型水庫中多波束測(cè)深存在的問題,本文提出了基于地形趨勢(shì)面的邊緣波束數(shù)據(jù)處理方法。該方法分析了在溫躍層變化較大的水體中,多波束邊緣波束測(cè)深誤差的主要來源,通過獲取多波束相鄰條帶中央波束點(diǎn)的信息,從而近似擬合出較為準(zhǔn)確的地形趨勢(shì)面,通過擬合的地形趨勢(shì)面對(duì)多波束的邊緣波束水深點(diǎn)進(jìn)行校正,提高邊緣波束的數(shù)據(jù)質(zhì)量。然后對(duì)采用傳統(tǒng)方法和使用基于地形趨勢(shì)面的數(shù)據(jù)處理方法后得到的多波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較及高程較差精度統(tǒng)計(jì)分析,驗(yàn)證通過該方法處理后的多波束邊緣波束數(shù)據(jù)質(zhì)量。

        1邊緣波束測(cè)深誤差主要來源分析

        多波束測(cè)深系統(tǒng)是由多傳感器組成的綜合測(cè)量系統(tǒng)[16]。測(cè)深數(shù)據(jù)質(zhì)量不但取決于測(cè)深傳感器自身性能,還與其他輔助測(cè)量設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和水體環(huán)境效應(yīng)有關(guān)。因此,多波束測(cè)深誤差具有顯著的多源性[17]。圖1展示了多波束誤差的主要來源。

        通過圖1分析得知,多波束誤差來源主要有定位誤差、數(shù)據(jù)同步誤差、姿態(tài)改正誤差、聲速誤差等。在山區(qū)型水庫中,由于水體交換頻率低,存在較大的溫躍層,而聲速又是水深測(cè)量的重要參數(shù)之一。下面分析在有較大的溫躍層水體中,聲速誤差與多波束入射角的關(guān)系。

        聲速誤差由測(cè)定誤差和漂移誤差組成[4]。聲速剖面儀的采樣值包括水深值和該水深下的聲速值,在采樣過程中兩者均可能與真實(shí)值之間存在偏差,通過多次觀測(cè)等方法可以減少偶然因素,但無法完全消除這類測(cè)定誤差。同時(shí),由于測(cè)量載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下容易受水體動(dòng)態(tài)環(huán)境影響,并且隨著采樣時(shí)間和采樣位置的變化,水體中的聲速也在不斷變化,聲速剖面儀所獲取的聲速剖面值與真實(shí)聲速值之間存在變差,這類誤差稱之為偏移誤差。

        聲速誤差對(duì)于多波束測(cè)深誤差的影響可以通過層內(nèi)常梯度聲線跟蹤的計(jì)算過程來分析[13]。如圖2所示,假設(shè)聲速在第i+1層出現(xiàn)誤差,前面幾層無誤差,在第i層的聲速為Ci,在第i+1層的真實(shí)聲速為Ci+1,測(cè)量聲速為C′i+1,其中Ci+1 < C′i+1;存在兩個(gè)波束,初始入射角分別為θ1和θ2,其中θ1 < θ2,由于聲速誤差影響,導(dǎo)致測(cè)深誤差分別為Δz1和Δz2。

        因?yàn)槁曀貱i+1 < C′i+1,所以梯度值g gt; g′,基于真實(shí)聲速形成的聲線曲率半徑小于基于測(cè)量值形成的曲率半徑,即真實(shí)波束點(diǎn)位于計(jì)算波束點(diǎn)的下方。對(duì)于兩條不同入射角的波束,因?yàn)棣? < θ2,所以入射角θ1的波束聲線弧長小于入射角θ2的,且在聲速誤差的影響下,Δz1<Δz2。由上述分析可知:由聲速誤差造成的測(cè)深系統(tǒng)性誤差隨波束入射角的增大而增大。

        2地形趨勢(shì)面的獲取

        2.1測(cè)深點(diǎn)坐標(biāo)系的建立

        聲速誤差會(huì)導(dǎo)致多波束測(cè)深產(chǎn)生系統(tǒng)性誤差,而聲速誤差造成的測(cè)深系統(tǒng)性誤差與波束入射角成正比關(guān)系。故該誤差主要影響邊緣波束的水深數(shù)據(jù),對(duì)于中央波束的水深數(shù)據(jù),則影響較小。所以,可以利用相鄰條帶中央波束點(diǎn)的信息,獲取地形趨勢(shì),近似擬合出邊緣波束的水底地形擬合曲線,然后與已有的邊緣波束測(cè)深點(diǎn)的變化趨勢(shì)融合,從而對(duì)邊緣波束的系統(tǒng)性誤差進(jìn)行校正。

        如圖3所示,假設(shè)存在L1,L2,L3 3條相鄰測(cè)線,分別表示為紅、黃、藍(lán)3色。3條虛線分別代表3條測(cè)線所測(cè)得的水底點(diǎn)的連線。以測(cè)線L2的坐標(biāo)(x0,y0)點(diǎn)為原點(diǎn),y軸指向船的右舷方向,豎直向下為z軸方向。將L1,L2,L3這3條相鄰測(cè)線所測(cè)得的波束點(diǎn)坐標(biāo)(Xi,Yi,Zi)投影到新建的坐標(biāo)系中,其投影坐標(biāo)為(yi,zi)。令測(cè)線L2的航向?yàn)锳,若方位角A=0,則:.

        若方位角A ≠ 0,則:.

        2.2水底地形的擬合曲線

        根據(jù)式(1)~(2)計(jì)算中央波束的測(cè)深點(diǎn)坐標(biāo),相鄰測(cè)線在同一個(gè)位置有多個(gè)水深點(diǎn),可以建立z坐標(biāo)與y坐標(biāo)的多項(xiàng)式函數(shù),利用此多項(xiàng)式函數(shù)模型對(duì)邊緣波束點(diǎn)進(jìn)行趨勢(shì)面擬合。聯(lián)合3條相鄰測(cè)線使用二次或三次多項(xiàng)式計(jì)算地形趨勢(shì)。設(shè)n次多項(xiàng)式的表達(dá)式為.

        在相鄰3條測(cè)線的中央波束中選出N個(gè)測(cè)深點(diǎn),建立矩陣多項(xiàng)式:.

        其中各矩陣的具體形式如下:.

        根據(jù)最小二乘原理,可以求解參數(shù)矩陣:.

        通過以上公式求解完成后還需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,若不滿足精度要求,可修改階數(shù)重新計(jì)算,直至滿足精度要求。

        2.3邊緣波束測(cè)深點(diǎn)的變化趨勢(shì)

        邊緣波束的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在測(cè)深誤差的影響下,呈現(xiàn)的地形趨勢(shì)與整體地形存在差異。同地形趨勢(shì)擬合相類似,首先需要確定錯(cuò)誤趨勢(shì)的函數(shù)模型,設(shè)為n階多項(xiàng)式:.

        然后提取m個(gè)合適的邊緣波束點(diǎn),與式(6)的計(jì)算方法一致,根據(jù)最小二乘原理,求解其多項(xiàng)式參數(shù),獲得邊緣波束測(cè)深點(diǎn)變化趨勢(shì)的函數(shù)模型。

        2.4削弱邊緣波束點(diǎn)測(cè)深系統(tǒng)性誤差

        傳統(tǒng)方法通常采用人機(jī)交互的方式,剔除條帶重疊區(qū)域處不符合值超限的波束點(diǎn),這種做法可能會(huì)抹去邊緣波束點(diǎn)包含的細(xì)部地形變化等有用信息,趨勢(shì)面法采用鄰近中央波束相結(jié)合的方法,可有效彌補(bǔ)該缺陷。

        首先計(jì)算L2 測(cè)線的波束點(diǎn)在 O-yz 下的坐標(biāo) P(yP,zP),利用邊緣波束測(cè)深點(diǎn)的變化趨勢(shì)模型計(jì)算波束點(diǎn)的細(xì)部變化量ΔZ:.

        式中:Ze是根據(jù)邊緣波束測(cè)深點(diǎn)的變化趨勢(shì)多項(xiàng)式所計(jì)算出來的深度值。再將細(xì)部變化量ΔZ疊加到地形趨勢(shì)面多項(xiàng)式所計(jì)算的結(jié)果中,公式如下:.

        式中:Zc是根據(jù)中央波束測(cè)深點(diǎn)的變化趨勢(shì)多項(xiàng)式所計(jì)算出來的深度值。利用 Hdepth值替代波束點(diǎn)原三維坐標(biāo)中的水深值,恢復(fù)坐標(biāo)后完成測(cè)深系統(tǒng)性誤差的削弱。

        3試驗(yàn)及分析

        3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自2022年6月金沙江旭龍電站庫區(qū)的地形地貌觀測(cè)。數(shù)據(jù)采集歷時(shí)5 d,在采集過程中經(jīng)過系統(tǒng)安裝誤差改正和實(shí)時(shí)聲速改正,并在后期進(jìn)行了潮位改正。試驗(yàn)區(qū)域的多波束測(cè)線整體地形如圖4所示。該水域中間部分較為平坦,兩岸區(qū)域坡度較大,整體地形及水體環(huán)境十分復(fù)雜,測(cè)量時(shí)水體聲速誤差引起部分測(cè)線邊緣波束存在明顯誤差,導(dǎo)致不同測(cè)線間重疊區(qū)域無法較好吻合。

        3.2數(shù)據(jù)分析

        為對(duì)多波束邊緣波束數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,選擇圖4中紅框部分多波束測(cè)線中的重疊區(qū)域進(jìn)行處理,地形渲染圖如圖5(a)所示。

        選擇其中幾ping數(shù)據(jù),將其投影至沿航跡方向,如圖6(a)所示。從圖6可以看出,兩條測(cè)線的重疊部分沒有完全吻合,存在一定系統(tǒng)誤差。這導(dǎo)致地形圖5(a)中重疊部分有明顯拼接痕跡。

        兩條測(cè)線的重疊區(qū)域位于自身波束角20°~50°之間。使用基于地形趨勢(shì)面的邊緣波束數(shù)據(jù)處理方法時(shí),選取兩條測(cè)線精度較高的波束角30°以內(nèi)的波束點(diǎn)進(jìn)行擬合,得到地形趨勢(shì)面。對(duì)于測(cè)線波束角20°以內(nèi)的波束點(diǎn),精度較高,不進(jìn)行改正;波束角60°以外的波束點(diǎn)精度較低,舍棄不用;對(duì)于波束角20°~60°的波束點(diǎn),提取出細(xì)部地形疊加在趨勢(shì)面。改正后地形圖如圖5(b)所示,可以看出重疊部分的拼接痕跡明顯得到了改善。改正后斷面圖如圖6(b)所示,可以看出,改正后削弱了系統(tǒng)誤差,兩條測(cè)線的重疊部分可以較好地吻合。改正前水深不符值分布如圖7(a)所示,不符值的均值為1.393 m,標(biāo)準(zhǔn)差為0.934 m。而改正后水深不符值分布如圖7(b)所示,不符值的均值為0.424 m,標(biāo)準(zhǔn)差為0.342 m。邊緣波束相較中央波束而言,精度均有大幅度的提高。

        3.3精度分析

        進(jìn)一步分析該方法的精度及可靠性,對(duì)使用傳統(tǒng)方法和本文數(shù)據(jù)處理方法的邊緣波束數(shù)據(jù)與中央波束擬合的趨勢(shì)面進(jìn)行較差統(tǒng)計(jì)分析。因多波束中央波束水深數(shù)據(jù)優(yōu)于邊緣波束數(shù)據(jù),將多波束中央波束數(shù)據(jù)擬合的趨勢(shì)面人為設(shè)定為“真水深”。同時(shí),將同區(qū)域的多波束數(shù)據(jù)分別按基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法與基于地形趨勢(shì)面的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理。然后,將兩種方法處理的數(shù)據(jù)在同一位置與多波束中央波束數(shù)據(jù)擬合的趨勢(shì)面進(jìn)行疊加分析,選取波束角為20°~60°的邊緣波束點(diǎn)進(jìn)行分析,共選取水深點(diǎn)10 692個(gè),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所列。

        由表1可知,采用傳統(tǒng)方法處理的邊緣波束數(shù)據(jù),其與中央波束地形趨勢(shì)面的高程較差主要分布在0.1~0.4 m區(qū)間,而采用基于地形趨勢(shì)面邊緣波束數(shù)據(jù)處理方法其高程較差明顯減小,但仍有部分?jǐn)?shù)據(jù)超過0.4 m,通過與地形結(jié)合分析得知,較差較大的數(shù)據(jù)主要分布在地形陡變區(qū)域。根據(jù)兩種數(shù)據(jù)處理方法水深較差統(tǒng)計(jì)可以看出,基于地形趨勢(shì)面的邊緣波束數(shù)據(jù)處理方法的水深數(shù)據(jù)明顯接近中央波束地形趨勢(shì)面。如果中央波束數(shù)據(jù)表示真實(shí)地形,表明該方法對(duì)多波束邊緣波束的水深數(shù)據(jù)有明顯改善作用。

        由以上分析可知,使用面向地形趨勢(shì)面多波束邊緣波束數(shù)據(jù)處理前后的水深數(shù)據(jù),其邊緣波束數(shù)據(jù)更接近中央波束數(shù)據(jù),即更接近于真實(shí)的地形,對(duì)多波束邊緣波束數(shù)據(jù)質(zhì)量有較大的提高。研究表明使用該方法處理多波束數(shù)據(jù)效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法處理多波束數(shù)據(jù)的效果,有效削弱了多波束邊緣波束的測(cè)深誤差。

        4結(jié) 語

        本文闡述了多波束邊緣波束水深誤差來源,分析了在大水深、水體溫躍層變化大、地形起伏較大的復(fù)雜環(huán)境下邊緣波束測(cè)深誤差的特點(diǎn),提出了面向地形趨勢(shì)面的削弱邊緣波束測(cè)深誤差方法。通過獲取多波束相鄰條帶中央波束點(diǎn)的信息,推導(dǎo)計(jì)算出地形趨勢(shì)面以及近似擬合水底地形的擬合曲線公式,給出了多波束邊緣波束測(cè)深點(diǎn)變化趨勢(shì)的函數(shù)模型。進(jìn)而對(duì)削弱多波束邊緣波束測(cè)深誤差公式進(jìn)行了推導(dǎo),得出了多波束邊緣波束對(duì)地形趨勢(shì)面的改正公式。

        通過對(duì)多波束邊緣波束改正模型進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證,采用兩種數(shù)據(jù)處理方法處理的邊緣波束數(shù)據(jù)進(jìn)行水深不符值和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì),以及與中央波束擬合的趨勢(shì)面進(jìn)行較差精度統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明:使用該方法處理后的多波束邊緣波束數(shù)據(jù)精度明顯提高,采用該方法處理后的水深數(shù)據(jù)獲取的地形更接近真實(shí)地形。

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        (編輯:劉 媛)

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