基于地形地貌和构造特征的海底地理实体划定与分类方法

摘要

本发明公开了基于地形地貌和构造特征的海底地理实体划定与分类方法，包括：数据预处理、地理实体划定、特征提取与分类三大步骤。首先，通过数据预处理得到海底地形地貌模型、重力垂直梯度模型、磁异常模型；其次，将上述模型分别通过基于地形地貌的界限划定和基于构造特征的界限划定这两种方法，得到两种类型的界限；最后，通过特征提取与分类得到海底地理实体的全要素信息表。依据国际规则和国家规范，结合中国传统文化，分别赋予其通名和专名。本方法可概况为“构造定级、地貌定类、文化定名”，克服了现有技术缺乏地质构造约束、无量化界定，导致地理实体划定模糊。本发明可在海底地名命名、海底地形地貌学等方面具有重要的实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及海底地理实体划定、海底地名命名、海洋测绘、海底地形地貌（不规则的表面或轮廓的计量）、海洋地质、海洋制图与图像数据处理、海洋地球物理、海洋地理信息系统、深海采矿和海洋工程建设等技术领域。

背景技术

海洋覆盖面积约占地球表面积的71%，海水覆盖之下的海底多姿多彩，既有平缓的大陆架，也有连绵起伏的海岭、高耸的海山和深邃的海沟。将海底划定为可测量、具有确定界线的地理实体，并按照一定的命名标准和规范赋予其标准名称的行为称为海底地理实体命名，亦称为海底地名命名。海底地名包含通名和专名两部分，通名区分海底地理实体的类型，专名区分海底地理实体的个体。

海底地理实体的界限划定与分类是开展海底地名命名工作的核心步骤与主要技术难点。通过多波束测深技术获取的全覆盖、高精度水深测绘资料，进一步构建高分辨率海底地形地貌模型，采用等深线圈闭法、剖面法等分析和研判海底地理实体的界限和实体类别，是当前的主要技术手段。陶春辉等（2012年，中国科学：地球科学）在东太平洋海隆开展多波束海底地形扫测时，发现一个高出海底约250米的正地貌单位；基于总传播误差滤波器算法进行数据处理和海底地形地貌模型构建，采用等深线圈闭法划定该实体的界限范围，并进一步结合剖面分析法和国际海底地名命名规则，判定该实体的类型为海底丘（Hill），最终将其命名为“鸟巢海底丘”。

以构造特征认知为基础，以地貌形态与成因相结合为原则，按照地貌形态、规模大小和主从关系，先宏观后微观、先群体后个体，可以将现有的50余种海底地理实体类型划分为四个级别。一级海底地理实体为依据海域大地构造特征划分的特大型地理实体，如大陆架、大陆坡、深盆地等；二级海底地理实体为依据区域大地构造特征和地貌形态划分的大型地理实体，如海底峡谷群、斜坡等；三级海底地理实体为依据地貌组合形态划分的地理实体，如海山、海丘、海脊等；四级海底地理实体为组成第三级的地理实体，是最小一级的单独海底地理实体，如海底峰、海底冷泉等。

不同类型和等级的海底地理实体的空间尺度变化极大（从数公里至数千公里），导致其边界区域的海底地形地貌特征极为复杂，采用单一的海底地形地貌数据往往难以准确识别实体的界线；同时，现有的海底地理实体分类技术多采用定性描述，缺乏一套可行的定量化分类方法来判定实体的类型和级别。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了基于地形地貌和构造特征的海底地理实体划定与分类方法。

本发明通过下述技术方案得以实现：

一种基于地形地貌和构造特征的海底地理实体划定与分类方法，包括数据预处理、地理实体界限划定、特征提取与分类三大步骤；

首先，通过数据预处理得到海底地形地貌模型、重力垂直梯度模型、磁异常模型；将得到的海底地形地貌模型，通过水深范围截取、坡度求取与截取、模型叠加与分析、剖面设计与计算、极值点定位与连线完成基于地形地貌的界限划定，得到基于地形地貌的界限；将得到的重力垂直梯度模型和磁异常模型，通过界限范围圈定、模型截取、剖面设计与计算、双极值点定位、加权求值与连线完成基于构造特征的界限划定，得到基于构造特征的界限；最后，基于得到的基于地形地貌的界限和基于构造特征的界限，通过地理实体界限综合、地形地貌模型提取、形态特征参数计算、实体类型与级别判定，得到海底地理实体的全要素信息表；

数据预处理包括地形地貌数据预处理、构造特征数据预处理；所述的地形地貌数据预处理依次包括输入多波束测深点集，地形地貌建模，得到海底地形地貌模型；所述的构造特征数据预处理包括两部分：一部分依次是输入自由空间重力异常模型，垂直方向求梯度，得到重力垂直梯度模型；另一部分依次是输入磁异常测量点集，磁异常建模，得到磁异常模型。

所述的地形地貌数据预处理包括下列步骤：

步骤1-1：输入多波束测深点集

多波束测深数据点集

步骤1-2：地形地貌建模

基于多波束测深数据点集

所述的构造特征数据预处理中的输入自由空间力异常模型，垂直方向求梯度，得到重力垂直梯度模型包括下列步骤：

步骤2-1：输入自由空间重力异常模型

自由空间重力异常模型

步骤2-2：垂直方向求梯度

基于自由空间重力异常模型

公式（1）：

所述的构造特征数据预处理中的输入磁异常测量点集，磁异常建模，得到磁异常模型包括下列步骤：

步骤3-1：输入磁异常测量点集

磁异常测量点集

步骤3-2：磁异常建模

基于磁异常测量点集

所述的基于地形地貌的界限划定包括下列步骤：

步骤4-1：水深范围截取

按照海底地理实体界限的大致水深范围

步骤4-2：坡度求取与截取

a）基于水深截取后的海底地形地貌模型

公式（2）：

b）按照海底地理实体界限的坡度范围

步骤4-3：模型叠加与分析

以海底地形地貌模型

步骤4-4：剖面设计与计算

a）剖面设计：垂直截取后的坡度模型

b）剖面计算：基于海底地形地貌剖面集合

公式（3）：

步骤4-5：极值点定位与连线

搜索定位坡度剖面集合

步骤5-1：界限范围圈定

使用三维可视化分析法，综合分析水深截取后的海底地形地貌模型

步骤5-2：模型截取

基于界限可能出现的范围

步骤5-3：剖面设计与计算

a）剖面设计：垂直界限可能出现的范围

b）磁异常坡度计算：基于磁异常剖面

公式（4）：

步骤5-4：双极值点定位

a）重力垂直梯度极小值定位：搜索并定位重力垂直梯度剖面集合

b）磁异常坡度极大值定位：搜索并定位磁异常坡度剖面集合

步骤5-5：加权求值与连线

设置重力梯度信息权值为

公式（5）：

所述的地理实体特征量化与分类包括下列步骤：

步骤6-1：地理实体界限综合

对从步骤4-5得到的基于地形地貌的界限

步骤6-2：地形地貌模型提取

基于海底地理实体的最终界限

步骤6-3：形态特征参数计算

基于范围截取后的海底地形地貌模型

步骤6-4：实体类型与级别判定

基于得到的海底地形地貌特征参数组

步骤6-5：全要素信息表构建

基于海底地理实体的最终界限

本发明的有益效果：

本发明提出并实现了基于地形地貌和构造特征的海底地理实体划定与分类方法。该方法克服了现有的基于海底地形地貌模型来划定海底地理实体的界限时易导致范围不清、识别精度不高、难以多方信息交叉验证等技术难题，将重力梯度、磁力为代表的反映海底地质构造特征的数据进行统一处理，使其能够用于海底地理实体界限的识别，弥补了现有界限划定技术的不足。同时，该方法还克服了现有的海底地理实体分类技术多采用定性描述的局限性，提出了一套定量化分类技术来研判海底地理实体的类型和级别。

本发明可在海底地理实体划定、海洋测绘、深海采矿和海洋工程建设等领域发挥重要作用。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明实施例中的基于多波束测深点集合（a）得到的海底地形地貌模型（b）示意图。

图3是本发明实施例中的水深范围截取前（a）和后（b）海底地形地貌模型以及坡度范围截取前（c）和后（d）的坡度模型效果示意图。

图4是本发明实施例中的采用二维平面坐标配准法将海底地形地貌模型与坡度模型叠加分析及剖面设计的效果示意图。

图5是本发明实施例中的海底地形地貌剖面、坡度计算后得到的坡度剖面及坡度极值点定位示意图。

图6是本发明实施例中得到基于地形地貌的部分界限示意图。

图7是本发明实施例中得到基于地形地貌的全部界限示意图。

图8是本发明实施例中的地形地貌数据预处理（a和b）和构造特征数据预处理（c、d、e和f）的效果示意图。

图9是本发明实施例中的采用二维平面坐标配准法将海底地形地貌模型与坡度模型叠加分析的效果示意图。

图10是本发明实施例中的使用三维可视化分析法圈定界限可能出现的范围示意图。

图11是本发明实施例中的截取后的重力垂直梯度模型及剖面（a）和截取后的磁异常模型及剖面（b）示意图。

图12是本发明实施例中的重力垂直梯度剖面及其极小值点（a）和磁异常剖面、磁异常坡度剖面极大值点（b）示意图。

图13是本发明实施例中的加权求值与连线示意图。

图14是本发明实施例中得到基于构造特征的全部界限示意图。

图15是本发明实施例中得到海底地理实体的最终界限及海底地形地貌模型和全要素信息表示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

参见附图1，基于地形地貌和构造特征的海底地理实体划定与分类方法，包括数据预处理、地理实体界限划定、特征提取与分类三大步骤。首先，通过数据预处理得到海底地形地貌模型、重力垂直梯度模型、磁异常模型。将得到的海底地形地貌模型，通过水深范围截取、坡度求取与截取、模型叠加与分析、剖面设计与计算、极值点定位与连线完成基于地形地貌的界限划定，得到基于地形地貌的界限。将得到的重力垂直梯度模型和磁异常模型，通过界限范围圈定、模型截取、剖面设计与计算、双极值点定位、加权求值与连线完成基于构造特征的界限划定，得到基于构造特征的界限。最后，基于得到的基于地形地貌的界限和基于构造特征的界限，通过地理实体界限综合、地形地貌模型提取、形态特征参数计算、实体类型与级别判定，得到海底地理实体的全要素信息表。

数据预处理中的地形地貌数据预处理依次包括输入多波束测深点集，地形地貌建模，得到海底地形地貌模型，附图2（a部分）展示了基于包含200万个点的多波束测深点集，通过地形地貌建模（张力样条插值算法），得到包含294行、477列的海底地形地貌模型（图2（b部分）），具体步骤为：

（a）输入多波束测深点集：多波束测深数据点集

（b）地形地貌建模：基于

附图3（b部分）和（d部分）分别展示了按100m~300m水深范围截取后的海底地形地貌模型和按0.3°~3°坡度范围截取后的坡度模型，具体步骤为：

（a）水深范围截取：按照该海底地理实体界限的大致水深范围为

（b）坡度求取与截取：基于海底地形地貌模型

公式（1）：

模型叠加与分析：附图4展示了以海底地形地貌模型

剖面设计：如附图4所示，垂直上覆的坡度模型

剖面计算：基于海底地形地貌剖面集合

公式（2）：

极值点定位：搜索定位坡度剖面集合

极值点连线：如附图6所示，将坡度极值点坐标集

重复上述“地形地貌数据预处理”和“基于地形地貌的界限划定”的所有步骤，得到如附图7所示的该海底地理实体的基于地形地貌的全部界限

数据预处理中的地形地貌数据预处理依次包括输入多波束测深点集，地形地貌建模，得到海底地形地貌模型。附图8（a部分）展示了基于包含150万个点的多波束测深点集，通过地形地貌建模（张力样条插值算法），得到包含316行、312列的海底地形地貌模型图（图8（b部分）），具体步骤为：

（a）输入多波束测深点集：多波束测深数据点集

（b）地形地貌建模：基于

数据预处理中的构造特征数据预处理包括两部分：一部分依次是输入自由空间重力异常模型，垂直方向求梯度，得到重力垂直梯度模型。附图8（c部分）展示了输入的一个包含316行、312列的自由空间重力异常模型

输入自由空间重力异常模型：自由空间重力异常模型

垂直方向求梯度：基于自由空间重力异常模型

公式（3）：

构造特征数据预处理的另一部分依次是输入磁异常测量点集，磁异常建模，得到磁异常模型。附图8（e部分）展示了输入的一个包含25000个点的磁异常测量点集，通过磁异常建模，得到一个包含316行、312列的磁异常模型（图8（f部分）），具体步骤为：

输入磁异常测量点集：磁异常测量点集

磁异常建模：基于磁异常测量点集

附图9展示了按2000m~2500m水深范围截取后的海底地形地貌模型和按0.5°~2°坡度范围截取后的坡度模型叠加后的效果，具体步骤为：

（a）水深范围截取：按照该海底地理实体界限的大致水深范围

（b）坡度求取与截取：基于海底地形地貌模型

模型叠加与分析：附图9展示了以海底地形地貌模型

基于构造特征的界限划定依次通过界限范围圈定、模型截取、剖面设计与计算、双极值点定位、加权求值与连线，得到该海底地理实体的基于构造特征的界限，具体步骤为：

界限范围圈定：如附图10所示，使用三维可视化分析法，综合分析水深截取后的海底地形地貌模型

模型截取：基于界限可能出现的范围

剖面设计：垂直界限可能出现的范围

磁异常坡度计算：基于磁异常剖面

公式（4）：

双极值点定位：a）重力垂直梯度极小值定位，搜索并定位重力垂直梯度剖面集合

附图12（a部分）中的黑色圆点展示了定位到的第4条重力垂直梯度剖面的极小值点，其对应的二维平面位置坐标为

b）磁异常坡度极大值定位，搜索并定位磁异常坡度剖面集合

附图12（b部分）中的黑色圆点展示了定位到的第4条磁异常坡度剖面的极大值点，其对应的二维平面位置坐标为

加权求值与连线：设置重力梯度信息权值为

公式（5）：

重复上述“地形地貌数据预处理”、“构造特征数据预处理”和“基于构造特征的界限划定”所有步骤，得到如附图14所示的该海底地理实体的基于构造特征的全部界限

基于得到的基于地形地貌的界限

地理实体界限综合：对得到的基于地形地貌的界限

地形地貌模型提取：基于海底地理实体的最终界限

形态特征参数计算：基于范围截取后的海底地形地貌模型

实体类型与级别判定：基于得到的海底地形地貌特征参数组

全要素信息表构建：如图15（b部分）所示，基于海底地理实体的最终界限

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。