多波束测深条带拼接区误差处理方法研究

摘要

条带拼接区测深数据的质量控制是多波束数据处理的重要内容，对提高多波束测深精度和获取整体区域真实海底地形具有重要意义。本文对多波束条带拼接区测深数据误差削弱方法进行了较为系统和全面的研究分析。内容涵盖：测深点的归算理论推导及分布特征的分析、海底地形的最优空间构建方法的选择、测深误差影响分类及相应的处理手段、基于中位参数的多面函数抗差估计自动滤波测深异常值的研究、以及地形频谱分析的系统性残余误差削弱方法研究等。论文的主要内容概括如下：　　⑴推导了海底波束脚印点的归位计算过程，从而获得准确的测深点坐标。将获得的测深点大地坐标转换为空间直角坐标，以避免后期以经纬度为坐标数据处理时产生扭曲变形大的问题。此外，分析在不同的信号发射模式下，等角和等距波束的分布特征。　　⑵根据所得的测深点空间直角坐标，采用各类空间内插方法来构建海底地形，根据时间损耗、DEM可视化效果以及残余误差各项评估值等指标综合选取最优的内插方法。实例表明：实际应用过程中，海底地形DEM的构建要综合测区海底地形复杂程度和测深点分布特征来选取自身最优方法。　　⑶对多波束测深误差的影响从不同的层面进行分类，并根据测量过程中各类型误差是否共同作用深度值，分析了声速剖面测量和姿态测量误差对条带拼接的影响。此外，阐述了误差性质类型中异常值和系统误差的研究方法，为后续本文处理方法的提出提供指引方向。　　⑷针对多项式曲面拟合进行测深滤波不彻底且逼近真实的海底地形能力有限，以及将最小二乘求得的残余误差作为抗差初始值严重干扰抗差性能等问题，本文提出了基于中位参数的多面函数抗差估计法来自动滤波测深异常值。该方法在多面函数已知节点的选取上进行了改进，结合角度-弦高联合准则和点的离散度进行抽稀处理，此外，综合了多元参数的中位参数具有很强抗差能力的特性。实验结果表明：该方法能最大限度和最大效率上提取区域的特征点，DEM效果图中可以看出基本没有异常突出的起伏点，同时又保证海底地形连续变化的特征。　　⑸尽管一些系统性测深误差在数据处理中有所改正，但多波束测深系统自身测量误差及其诱导性的残余误差依然存在，严重影响测深的精度，导致条带拼接区出现哭笑脸现象。因此，本文提出基于地形频谱分析的方法来削弱系统性残余误差的影响，并与 DFT方法进行对比分析。实验结果表明：采用分区多条带分割处理，通过适当的稀释多面函数中已知节点的间隔，合理地降低拟合精度来达到快速处理整个测区系统性残余误差削弱的目的。相比 DFT方法的处理，地形频谱分析法所处理后的测深数据残余误差的削弱影响得到了显著的提升。

目录

声明

1 绪论

1.1 多波束测深系统的发展进程及测深原理

1.2 多波束条带拼接问题分析及研究现状

1.3 本文主要工作及内容安排

2 测深点特征分析及海底地形的构建

2.1 测深点特征分析

2.2 坐标转换与地图投影

2.3 海底地形构建

2.4 本章小结

3 测深的误差影响分类及条带拼接区误差的处理

3.1 测深误差影响分类

3.2 条带拼接区误差处理分析

3.3 本章小结

4 多波束测深异常值的自动滤波

4.1 一般的滤波方法

4.2 基于中位参数的多面函数抗差估计水深异常值检测

4.3 实验结果与分析

4.4 本章小结

5 条带拼接区系统性残余误差削弱方法研究

5.1 系统误差削弱方法—两步滤波法

5.2 地形频谱分析的残余误差削弱方法

5.3 实验结果与分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 下一步研究工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间完成成果