为了实现预定的研究目标 ,本项目首先制定如
收稿日期 : 2006205229 基金项目 : 国防科研基金项目 (200316601) 。 作者简介 : 陆秀平 (19732) ,男 ,江苏兴化人 ,硕士 ,工程师 ,主要从事海洋测量数据处理与成图研究 。
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海 洋 测 绘
第 26卷
下总体研究思路 :以底层自主开发为基础 ,综合应用 多波束测深技术 、现代数据处理技术 、计算机可视化 技术以及数据库技术 ,在微机 W indow s 2000 或 NT 操作平台上实现海量多波束海底地形数据及各种空 间和属性数据的输入 、处理 、管理和可视化输出 ;充 分吸收和借鉴国内外最先进的软件设计思想和开发 技术 ,将面向对象的类库设计思想 、BDE 与 ODBC 数据库接口技术 、Active X与 VCL 控件以及 OpenGL 三维图形标准融为一体 ,最终实现系统开发效率和 运行稳定性的双赢目标 。
(3)数据编辑及预处理 :包括声剖数据编辑 、潮 汐数据编辑 、多波束测深数据归算 、传感器安装误差 改正 、声 线 弯 曲 改 正 、潮 汐 改 正 以 及 异 常 数 据 清 理等 ;
(4)数据精细处理 :包括粗差定位 、条带测深数 据拼接和系统误差补偿等 ;
(5)数据质量评估 : 包括内部精度评估和外部 精度检核等 ;
多波束测深数据处理及管理系统 (MB&BES)主 要由以下 3个子系统组成 :
(1)多波束测深数据处理子系统 (MB &B EPro) ; (2)海 底 地 形 地 貌 可 视 化 应 用 子 系 统
(MB &B EV is) ; (3)多 波 束 数 据 库 管 理 子 系 统
(MB &B EM anag) 。 整个系统以提供海洋环境可视化产品为最终目
4 本研究取得的主要技术创新
411 在理论研究方面取得的主要技术创新 本项目在理论研究方面取得的主要技术创新
包括 : ( 1 )对多波束测深最重要的理论基础即声线跟
踪理论进行了深入研究 ,根据声速在海水中的传播 特性 ,全面推导了三种声线跟踪方法的计算模型 ,并 通过理论分析和数值计算 ,证明常梯度声线跟踪模 型是目前最优的声线改正模型 。在此基础上 ,进一 步探讨了海洋声场时空结构对多波束测深精度的影摘要 : 在简要介绍多波束测深技术发展概况基础上 ,详细论述了我部自主研发的多波束测深数据处理及管理 应用系统的组成及功能 ,系统功能测试情况以及系统开发过程中取得的主要技术创新点 ,对该系统投入应用前的 优化和完善工作提出了建议 。
关键词 : 多波束测深 ;数据处理 ;可视化 ;功能测试 中图分类号 : P22911 文献标识码 : A 文章编号 : 167123044 (2006) 0620001205
第 26卷第 6期 2006年 11月
海 洋 测 绘 HYDROGRAPH IC SURVEYING AND CHARTING
Vol126, No16 Nov. , 2006
多波束测深数据处理及管理系统设计与开发
陆秀平 ,黄谟涛 ,翟国君 ,欧阳永忠 ,徐广袖 ,王克平
(海军海洋测绘研究所 ,天津 300061 )
数据后处理技术是各类测深系统的重要组成部 分 ,对于单波束回声测深成果 ,我国经过多年的努 力 ,已经研究和开发出一整套比较完善的数据处理 和成图软件系统 ;对于多波束测深技术 ,我国多年停 留在跟踪研究的初级阶段 ,有关多波束测深数据的 后处理技术研究才刚刚起步 。目前 ,我国在多波束 测深数据的加工 、集中管理和综合应用方面 ,还没有 一套现成的具有商品化水平的多波束数据后处理成 图软件和数据管理软件 ,可以为国内用户提供满意 的解决问题方案 。
基于上述考虑 ,本项目立足于我国海洋测量作 业单位的生产实际 ,在充分吸收和消化相关进口软 件功能的基础上 ,瞄准国际先进水平 ,自主研制开发 出一套适合我国国情的多波束测深数据处理及管理 应用系统 。初步试用结果表明 ,该系统的各项技术 指标均满足项目任务书要求 ,达到了预期的目的 。
2 系统组成及功能
( 3 )在全面分析和总结多波束测深主要误差源 基础上 ,基于现代抗差估计理论 ,提出两种具有抗差 能力的探测多波束测深异常数据的处理方法 ,一种 是基于样本分位数的统计检验法 ,另一种是基于抗 差 M 估计的选权迭代插值比较法 ,详细讨论并解决 了采用以上两种方法实现异常数据定位过程中的一 些关键性技术问题 。与传统的处理方法相比较 ,两 种新方法均具有较强的异常值定位能力 。将现代抗 差估计理论引入到多波束测深数据处理领域 ,是海 洋测量成果质量控制和可靠性研究工作的一项突破 性进展 。
多波束测深数据处理及管理系统软件功能主要 包括以下 13个方面 :
(1)系统环境设置 : 包括原始多波束数据控制 参数设置 ,测量船配置文件设置 、地形数据成图所需 的坐标系 、投影 、图幅大小和比例尺设置 ,系统库文 件设置 ,用户界面设置等 ;
(2)数据格式与读取 : 包括多源原始多波束数 据格式解包 、读取 、列表显示和统计分析等 ;
随着多波束测深技术的普及应用及其观测数据 的急剧膨胀 ,多波束测深海量数据的处理和管理自 然成为当前特别值得重视和急待研究解决的热点问 题 。在数据处理方面 ,由于仪器白噪声和海况因素 的影响以及系统参数设置上的不合理性 ,都将可能 导致测深数据中出现假信号 ,形成虚假地形 。为了
提高多波束测深成果的可靠性 ,必须首先设法消除 这些假信号 ,因此应不失时机地开展多波束测深数 据质量控制技术研究 。在数据管理方面 ,由于目前 各种原始多波束数据的存储格式极不统一 ,与各种 多波束系统相配套的后处理软件也自成体系 、互不 相干 ,已经给多波束数据的统一管理和综合处理造 成极大的困难 。因此 ,设计一种能接纳各种多波束 原始数据的通用数据格式 ,并在此基础上开发出规 范化的多波束数据后处理软件 ,已经成为多波束技 术产业发展的必然 。
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第 26卷
的指导意见 。 (2)根据多波束测深基本原理 ,基于现代大地
测量理论 ,系统地建立起了多波束测深的空间结构 , 通过引入载体坐标系和当地水平坐标系来描述载体 姿态 ,利用旋转矩阵全面推导了多波束测深的基础 方程及其严密的精度估算公式 ,在推演过程中 ,充分 顾及了海洋测量的动态效应即载体姿态的影响 ,为 现代高精度的多波束海洋测深提供了数据处理的理 论基础 。
总 比 对 点 数 : 323 14 个 ; 差 值 算 术 平 均 : 01044 7m; 中 误 差 m = 01131 7m , 标 准 差 δ = 01127 8m;绝对值 > 2100m , 268 个 ;绝对值 > 1100m 且 ≤2100m , 450 个 ; 绝对 值 > 0150m 且 ≤1100m , 889个 ;绝对值 > 0140m 且 ≤0150m , 424个 ;绝对值 > 0130m 且 ≤0140m , 975 个 ; 绝 对 值 > 0120m 且 ≤0130m , 322 5个 ; 绝 对 值 > 0110m 且 ≤ 0120m , 937 0个 ;绝对值 ≤0110m , 167 13个 。
(13)数据查询 、检索和统计输出 : 包括统计数 据报表 、测区概况信息报表 、各种自定义报表和图形
第 6期
陆秀平 ,等 多波束测深数据处理及管理系统设计与开发
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打印输出等 。
3 系统软件主要功能界面及功能测试
311 系统软件主要功能界面 本系统软件主要功能界面如图 2～5所示 。
图 6～7分别为某测区 (一小部分 )本系统处理结果 和 CAR IS H IPS系统处理结果的三维立体图 。
(6)海底地形数字模型生成 : 包括规则网格和
不规则三角形数字模型生成等 ; (7)条带测深数据可视化 : 包括单 p ing、测带 、
子区和区域数据显示等 ; (8)海底地形等深线图绘制 : 包括等深线自动
跟踪 、等深线线划图 、等深线分层填色图绘制等 ; (9)海底地形二维和三维图形显示输出 : 包括
1 引 言
海洋测绘是一切海洋开发活动的基础 ,海底地 形测量是海洋测绘最重要的基础性任务之一 。在现 代科学技术的介入和支撑下 ,海底地形测量技术获 得了迅速发展 ,现已成为世界各海洋国家在海洋测 绘方面的一个重要研究领域 ,相继出现了许多前所 未有的高新技术测量手段 。多波束测深便是当今世 界上进行海底地形测量最先进技术手段的杰出代 表 。最近 20多年 ,伴随高性能计算机技术 、高分辨 率显示技术 、高精度定位技术和各种数字化传感器 以及其他相关高新技术的迅速发展 ,代表海洋地形 地貌勘测最新研究成就的多波束测深技术不断变 革 ,获得了极大的发展 。随着这种测深技术的应用 范围不断深入和扩展 ,其独特的高效率测量方式已 经越来越被更多的使用者所认识 ,人们对这种测深 技术的要求也越来越高 。为了满足这种需求 ,多波 束测深系统力争在仪器结构和性能两个方面求得突 破和发展 。在仪器结构方面 ,正在向更小的体积和 重量 、更高的集成度以及更具灵活性的安装和维修 方向发展 ;在仪器性能方面 ,正在向更完备的功能 、 更高的 测 量 精 度 以 及 更 简 便 的 操 作 和 使 用 方 向 发展 。
图 5 数据库管理子系统数据查询界面
312 系统功能测试 为了考核本项目研制的软件系统对多波束数据
处理结果的正确性和可靠性 ,针对不同的多波束数据 格式 ,收集样本数据 ,采用本系统与 CAR IS H IPS软件 系统同步比对处理 ,检查两个系统各步处理结果之间 的差异 。尤其针对作业单位使用比较多的 Seabat 8xxx系列 XTF数据文件进行了大量比对测试 。测 试结果显示 ,本系统处理结果与 CAR IS H IPS软件 系统处理结果基本一致 ,差异大小在允许范围之内 。
(4)根据多波束海洋测深技术特点和模式 ,基 于现代自检校补偿和验后补偿理论 ,首次提出通过 相邻条带测深数据融合处理进行多波束测深系统偏 差补偿方法 ,并提出以单波束测深数据作为控制 ,进 一步提高多波束测深整体测量精度的数据处理方 案 ;详细讨论了数据融合处理中的数值解算可行性 和稳定性问题 ,相应提出了所谓的两步平差方法 。 将现代误差补偿理论引入到多波束测深数据处理领 域 ,是海洋测量成果质量控制和可靠性研究工作的 又一项突破性进展 。