多波束测深系统数字海图技术研究.pdf

Il||】I…lI_lI《|1l|||_|I||_|I|《I|：||llY1 436589分类号：U D C：工学硕士学位论文密级编号多波束测深系统数字海图技术研究硕士研究生：王玉鹏指导教师 ：王向红教授学位级别 ：工学硕士学科专业 ：水声工程所在单位 ：水声工程学院论文提交日期：2008年2月论文答辩日期：2008年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学哈尔滨T程大学硕十学位论文摘 要多波束条带测深系统是当代海洋基础勘测中的一项高新技术产品它是一种高测量效率、高测量精度、高分辨率的海底地形测量设备，特别适合大面积的扫海测量作业该系统的最终成果体现就是得到数字地理海图的三维地形图显示，因此拼图技术在整个系统中具有极其重要的地位论文使用我国第一台条带测深仪的测量数据进行数字海图技术的研究，主要研究的内容有：将多波束条带测深仪测得的深度数掘进行预处理；然后进行大地坐标变换及高斯．克吕格投影转换后生成电子地图平面坐标，进而绘制等深线图和三维海底地形图论文利用了多波束数据的空间相关信息，使用基于高斯地形曲面拟合的数据网格化方法，压缩冗余数据量根据不规则格网技术生成标准等深线图，并对其予以平滑处理，同时基于层次细节(LOD)算法，生成三维海底地形图。

最后使用小波变换技术，对三维地形图进行滤波、增强、光照等处理，逼真地反演出水下地形在理论研究的基础上，论文以MATLAB软件为丌发平台，开发出一套适用于多波束测深数据的拼图软件，可用于多波束测深系统数字海图的生成关键词：多波束条带测深；数字海图：LOD；小波增强哈尔滨工程大学硕+学位论文ABSTRACTMulti—beam swath bathymeter is a kind of newly developed and advancedseafloor surveying equipment．It is used especially for mapping the seafloor withlarge area because of its high efficiency,high accuracy and fine terrain resolution．The main purpose of seafloor surveying is to obtain digital charts，Therefore，mosaic technique is importance in surveying process．Applying the data collected by the first set of multi—beam swath bathymeterdeveloped in China，the digital chart technique is studied in this thesis，includingremoving the outliers，producing plane coordination of electronic map bycoordinate transformation and Gauss—Kruger projection．Finally,the contour mapof swath bathymetry and three dimensional seafloor images are developed．The paper analysis the spatial data correlation theory and uses grid datamethod based on Gass topographical surface fitting theory to compress redundantdata．The contour map is drawn by applying irregular grid technique and datasmoothness processing．Based on the LOD algorithm，the three dimensional seafloor images areproduced in the thesis．At the same time，the author also studied the filtering，enhancing and lightning technology to generate three dimensional vision ofsurveyed seafloor．After the theory study,a package of applied software for seafloor mosaic isdeveloped using MATLAB．The software was tested with the field trial data ofmulti—beam swath bathymeter．Key words：multi-beam swath bathymeter；digital chart；LOD；enhancement ofwavelet transform哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。

有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担作者(签字)：日 期：亚熟舷伽孑年6月伽日哈尔滨T程大学硕十学位论文第1章绪论1．1课题的背景与来源海洋是生命的摇篮，也是人类赖以生存的宝贵资源21世纪，人类将会更多地依靠海洋，更多地从海洋中获取食物、能源和矿藏，从海洋中探索地球的奥秘，从海洋的深处探索生物的起源，海洋已成为各个国家的战略重点20世纪70年代初，人们就开始用回声测深仪记录的海底回声信号特征作定性的纹理制图侧扫声纳的出现为海底探测提供了完整的海底声学图像，用于获得海底形态，并对海底物质的纹理特征进行定性的描述：海底的底质类别(如基岩、砾石、砂和泥等)，通常可以从侧扫声纳的声像图上作描述性的区分，但不能精确地予以确定¨120世纪80年代后期并1190年代初期，研究的重点开始转移到了以数字技术分析回声测深仪的回声信号，以定量的方式描述海底表面物质的各种属性和形态多波束测深系统以条带测量的方式，可以对海底进行100％的全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可以达到水深的数倍。

应用这种高新技术，不仅可以获得高精度的水深地形数据，还可以同时获得类似侧扫声纳测量的海底声像图，为人们提供了直观的海底形态B1高精度多波束测深系统具有“水下摄影机"、“水下CT”之称，它的诞生及应用，弥补了单波束回声测深仪测深的片面性，弥补了四波束测深的低效率，也弥补了侧扫声纳、软硬式拖底扫海的深度值的不准确性，极大地提高了测量效率，真正实现了全覆盖、无遗漏精密扫测的要求，使人们第一次清晰全面地了解水下微地形地貌多波束测深系统是现今国际海道测量组织推荐使用的新型海洋测绘设备，可以解决传统测量方式的不足，满足精密水下测量的要求，全面、准确、动态地掌握水底细微变化，实现更大的社会效益和经济效益p1GPS是多波束测深系统中重要的组成部分，主要功能是导航及测点定位，若没有GPS的高精度定位支持，多波束系统很难发挥其真『F的作用最近十几年来，详细的海底地形测量发展迅速海底地形图可以为海洋地理研究、海洋开发和海洋工程提供丰富的信息，为大陆架边界确定和专属经济区的划界提供充分的依据哈尔滨丁程大学硕十学位论文1．2多波束测深技术多波束测深是水声学的多波束形成技术在勘测海底地形领域的一项重要应用多波束测深技术的诞生，突破了传统水声学的单波束测深技术的局限，形成了新的海底地形探测技术框架，并在系统构成、波束发射接收方式、海底信号探测技术、射线几何学、勘测方法和数据处理成图等方面形成了鲜明的特点川。

多波束测深仪是声纳的一种最新形式之一早期使用的测深仪都是单波束声纳，单波束测量是-jf中tlE全覆盖测量方法，它存在着自身无法克服的缺陷p1：一是无法探测到尺寸小于测线间距的微地形，二是通过网格化内插不仅会产生假地形，而且也会使测线上已经探测到的小尺度微地形通过内插平滑而受到歪曲、夸大或抑制如果要提高精度唯一的方法是加密测线密度，但这又会使勘测成本成倍增长，因此在近代声纳中广泛应用了预形成波束的多波束方法也正因为这样，多波束形成在声纳信号处理中占十分重要的地位海底勘测最终的任务¨1就是测量海水深度，测绘海底地形图(水深图)，包括定位和其他海上作业由于换能器声基阵在测量过程中是随船运动的，因此如何根据声波的到达角、传播时间和介质的不均一性以及定位、运动传感器所反映的位置和船姿情况反演出真实感海底地貌，是多波束系统最终的目标，也是该系统预处理的核心条带测深仪是利用安装于船底或拖体上的声基阵向与航向垂直的海底发射超宽声波束，接收海底反向散射信号，经过模拟／数字信号处理，形成多个波束．同时获得海底条带上几十个甚至上百个采样点的水深数据，其测量条带覆盖范围为水深的2．8倍，与现场采集的导航定位及姿态数据相结合，绘制出高精度、高分辨率的数字成果图。

与单波束回声测深仪相比，条带测深仪具有测量范围大、测量速度快、精度高和效率高的优点，它把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，特别适合大面积的海底地形探测测深过程中系统不断通过接口采集差分GPS、罗经与涌浪等导航与定位数据，并将它们与深度数据一起存储在硬盘罩，数据文件通过软磁盘、光盘等介质或联网可传送到工作站进行预处理与拼图、最终生成各种哈尔滨fT程大学硕十学位论文数字成果图条带测深仪使海底探测经历了一个革命性的变化，深刻地改变了海洋学领域的调查研究方式及最终成果的质量嘲1．3国内外主要数字海图技术发展现状首先是美国通用仪器公司，该公司自1959年以来，便一直从事声学、声信号处理、多波束形成技术及其声学换能器领域的专业工作它在1961年就开始开发第一代声纳阵测深系统，并于1978年将该系统应用于商业，定名为SeaBearn多波束测深系统，这就是世界上第一台多波束测深仪1991年3月该公司推出第三代多波束技术产品SeaBeam2100系列，与第二代SeaBeam2000相比在硬件和软件上都有了很大的提高，技术性能也有了显著的改进其硬件采用了最新、速度最快的集成电路模块，大大提高了产品集成化。

数据采集系统由三个大机柜变成一个机柜，减少了对操作空间的需要：在软件方面，SeaBeam2100的数据处理子系统由三个软件组成，分别是：数据采集软件、后处理软件和网格化成图软件数据采集软件提供导航和多波束测深数据采集双重功能：预处理编辑软件用于在不同的导航和调查条件下，把各种多波束系统在海上采集的数据通过编辑和预处理转换成高质量的测深数据集；而网格化成图软件则是对全测区的多波束测深产生等间距网格化测深数据集，形成最终的全覆盖测深图件，所以说SeaBeam多波束系统的软件功能是比较完备的另外，德国的ATLAS公司也是世界上少数几家能从换能器制造到软件编程完全能自主开发制造的高技术公司之一该公司研制的ATLASFansweep20系统为便携式浅水多波束扫描测深系统每次扫测可获得1440个深度值和4096个侧扫测量值，测量速率达每秒8次；信号以相位检测为主；除扫幅测深外，系统还可用作非常成功的侧扫记录，并以彩色条带、灰阶或等值线图等方式显示出来该系统的处理软件包括实时处理软件包和预处理软件包实时数据处理软件模块由数据采集模块导航设计和控制模块、电子海图模块组成p儿…其它，还有挪威的Simrad公司的EMl00系统；STN ATLASELE。