一种扰动场元反演海底地形模型优势评价方法及系统

摘要

本发明公开一种扰动场元反演海底地形模型优势评价方法及系统，该方法包括：步骤1：确定海深正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量的有效积分半径；步骤2：以步骤1确定的有效积分半径作为积分窗口半径，分别以目标海域格网海深为数据输入，正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量；步骤3：以步骤2获得的目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量为输入，使用GMT软件“grdfft”命令计算目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度，然后分别比较扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度差异，功率谱密度越大即蕴含的海底地形信息频谱越丰富。本发明对于拓宽凭据海面重力数据构建海底地形重力数据元选择范围具有重要参考价值。

说明书

技术领域

本发明属于海底地形反演技术领域，具体涉及一种扰动场元反演海底地形模型优势评价方法及系统。

背景技术

当前，全球海洋科技革命的时代潮流涌动，海洋认知“透明化”正在成为国际海洋科技发展的前沿。对深海进入、深海探测、深海开发关键技术的掌握，成为海洋强国的重要标志。海洋观测能力是海洋科学研究的基础，提高海洋观测能力对海洋科技水平的提升具有重要意义。海底地形测量作为观测海洋、认知海洋的基本手段，绘制的海底地形图在海洋资源开发、海洋生态环境保护、海洋科技创新和海洋权益维护等方面，都能够发挥不可替代的作用。随着近几十年卫星测高技术的高速发展，依托星基测量平台实现了长期、连续、大范围、实时原位海洋观测，积累了海量、多代、高分辨率、高精度的卫星测高数据，各国学者基于不断更新的卫星测高数据恢复完善了全球海洋高质量的重力场信息，基于海洋重力信息反演海底地形已成为目前主要依赖的高效构建全球海底地形技术手段。

就利用海面重力数据反演海底地形技术总体而言，目前海底地形模型构建数据元仍较为单一，主要数据元是重力异常、重力异常垂直梯度，其他重力数据元构建海底地形可行性分析鲜有涉及。研究表明，海面重力恢复海底地形主要体现在对海底地形有限频段信息的丰富与改善方面。

发明内容

本发明针对当前利用卫星测高重力数据反演海底地形重力场元输入较为单一的问题，提供了一种扰动场元反演海底地形模型优势评价方法及系统。通过海底地形数据正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量为数据依凭，从功率谱密度角度分析扰动位一阶张量和扰动位二阶张量蕴含的海底地形信息频谱丰富度，来评价扰动场元反演海底地形模型优势，拓展利用海面重力数据反演海底地形的扰动场元数据选择范围。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提出一种扰动场元反演海底地形模型优势评价方法，包括：

步骤1：确定海深正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量的有效积分半径；

步骤2：以步骤1确定的有效积分半径作为积分窗口半径，分别以目标海域格网海深为数据输入，正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量；

步骤3：以步骤2获得的目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量为输入，使用GMT软件“grdfft”命令计算目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度，然后分别比较扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度差异，功率谱密度越大即蕴含的海底地形信息频谱越丰富。

进一步地，所述步骤1包括：

选择海面研究点，采用严格棱柱体积分方法，不断增大积分半径，直到正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量处于收敛状态，以此时积分半径作为有效积分半径：

采用严格棱柱体积分公式正演扰动位一阶张量可描述为

其中

式中，

采用严格棱柱体积分公式正演扰动位二阶张量可描述为

式中，

进一步地，所述步骤2包括：使用(1)式和(3)式正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量。

进一步地，所述步骤3中，功率谱密度的计算方法可描述为

PSD＝10·log

其中，PSD为功率谱密度；P代表不同波长的能量。

本发明另一方面提出一种扰动场元反演海底地形模型优势评价系统，包括：

有效积分半径得出模块，用于确定海深正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量的有效积分半径；

正演扰动场元模块，用于以有效积分半径得出模块确定的有效积分半径作为积分窗口半径，分别以目标海域格网海深为数据输入，正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量；

功率谱密度计算模块，用于以正演扰动模块获得的目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量为输入，使用GMT软件“grdfft”命令计算目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度，然后分别比较扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度差异，功率谱密度越大即蕴含的海底地形信息频谱越丰富。

进一步地，所述有效积分半径得出模块具体用于：

选择海面研究点，采用严格棱柱体积分方法，不断增大积分半径，直到正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量处于收敛状态，以此时积分半径作为有效积分半径：

采用严格棱柱体积分公式正演扰动位一阶张量可描述为

其中

式中，

采用严格棱柱体积分公式正演扰动位二阶张量可描述为

式中，

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明以海底地形数据正演恢复扰动位一阶张量和扰动位二阶张量为依据，从功率谱密度角度分析扰动位一阶张量和扰动位二阶张量蕴含的海底地形信息频谱丰富度，评价扰动场元反演海底地形模型优势，进一步揭示了海底地形与海面扰动场元间频谱特征联系，对于拓宽凭据海面重力数据构建海底地形数据元选择范围具有重要参考价值。

附图说明

图1为本发明实施例一种扰动场元反演海底地形模型优势评价方法的基本流程图；

图2为目标海域海深模型示例图；

图3为示例点处扰动位分量正演结果随地形积分半径变化曲线图；

图4为扰动位一阶张量和二阶张量功率谱曲线图；

图5为本发明实施例一种扰动场元反演海底地形模型优势评价系统的架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

如图1所示，一种扰动场元反演海底地形模型优势评价方法，包括：

步骤101：确定海深正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量的有效积分半径；

步骤S102：以步骤S101确定的有效积分半径作为积分窗口半径，分别以目标海域格网海深为数据输入，正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量；

步骤S103：以步骤S102获得的目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量为输入，使用GMT软件“grdfft”命令计算目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度，然后分别比较扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度差异，功率谱密度越大即蕴含的海底地形信息频谱越丰富。

进一步地，所述步骤S101包括：

选择海面研究点，采用严格棱柱体积分方法，不断增大积分半径，直到正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量处于收敛状态，以此时积分半径作为有效积分半径：

采用严格棱柱体积分公式正演扰动位一阶张量可描述为

其中

式中，

采用严格棱柱体积分公式正演扰动位二阶张量可描述为

式中，

进一步地，所述步骤S102包括：使用(1)式和(3)式正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量。

进一步地，所述步骤S103中，功率谱密度的计算方法可描述为

PSD＝10·log

其中，PSD为功率谱密度；P代表不同波长的能量。

具体地，以西太平洋6°×6°(158°E～164°E，19°N～25°N)作为目标海域，使用S&SV19.1作为海底地形输入数据，采用严格棱柱体积分方法正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量，并比较结果蕴含的海底地形信息频谱丰富度。

步骤一：选择试验海区海面(21°59′30″N，160°59′30″E)处作为典型研究示例点，以西太平洋S&S V19.1海底地形为输入(图2)，分别正演示例点处不同积分半径环境下扰动位分量结果。示例点处扰动位分量正演结果随地形积分半径变化情况如图3。具体地，兼顾扰动场元正演结果有效性和正演结果数据丰富性，设置有效积分半径为120.60km。

步骤二：将有效积分半径120.60km作为窗口半径，共计得到51076个滑动窗口，使用(1)式和(3)式分别计算目标海域内各窗口内扰动位一阶张量和扰动位二阶张量。

步骤三：使用GMT软件“grdfft”命令处理步骤二获得的扰动位一阶张量和扰动位二阶张量结果，使用(4)式计算得到目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度，分别绘制扰动位一阶张量和二阶张量功率谱曲线如图4。

图4中(a)显示，Tz中蕴含的中长波地形“成分”明显高于Tx和Ty。分析图3中(b)可知，扰动重力梯度各量功率谱曲线走势基本一致，其中Tzz包含的中长波地形信息明显多于其余各量。因此，建议可着重考虑扰动位一阶张量Tz和扰动位二阶张量Tzz参与海底地形建模。

在上述实施例的基础上，如图5所示，本发明还提出一种扰动场元反演海底地形模型优势评价系统，包括：

有效积分半径得出模块201，用于确定海深正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量的有效积分半径；

正演扰动场元模块202，用于以有效积分半径得出模块确定的有效积分半径作为积分窗口半径，分别以目标海域格网海深为数据输入，正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量；

功率谱密度计算模块203，用于以正演扰动模块获得的目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量为输入，使用GMT软件“grdfft”命令计算目标海域扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度，然后分别比较扰动位一阶张量和扰动位二阶张量功率谱密度差异，功率谱密度越大即蕴含的海底地形信息频谱越丰富。

进一步地，所述有效积分半径得出模块201具体用于：

选择海面研究点，采用严格棱柱体积分方法，不断增大积分半径，直到正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量处于收敛状态，以此时积分半径作为有效积分半径：

采用严格棱柱体积分公式正演扰动位一阶张量可描述为

其中

式中，

采用严格棱柱体积分公式正演扰动位二阶张量可描述为

式中，

进一步地，所述正演扰动模块具体还用于：使用(1)式和(3)式正演扰动位一阶张量和扰动位二阶张量。

进一步地，所述功率谱密度计算模块中，功率谱密度的计算方法可描述为

PSD＝10·log

其中，PSD为功率谱密度；P代表不同波长的能量。

本发明以海底地形数据正演恢复扰动位一阶张量和扰动位二阶张量为依据，从功率谱密度角度分析扰动位一阶张量和扰动位二阶张量蕴含的海底地形信息频谱丰富度，评价扰动场元反演海底地形模型优势，进一步揭示了海底地形与海面扰动场元间频谱特征联系，对于拓宽凭据海面重力数据构建海底地形数据元选择范围具有重要参考价值。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。