一種單波束測深儀水深粗差檢測修正方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種單波束測深儀水深粗差檢測修正方法，包括輸入原始的水深采集點序列數(shù)據(jù)，利用水深值進(jìn)行閾值判定，將水深采集點序列分割成多個地形鏈；對各地形鏈的權(quán)值進(jìn)行判斷，標(biāo)記為P=0或2，對地形鏈權(quán)值P=0的地形鏈中水深采集點進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)完成后標(biāo)記地形鏈的權(quán)P=1。本發(fā)明針對原始水深值粗差處理問題，創(chuàng)新性地提出地形鏈的概念，設(shè)計了一種新的針對單波束測深儀水深觀測值的粗差檢測與修正方案，針對長江流域的單波束測深數(shù)據(jù)處理表明，對各類粗差有明顯的檢測和修正效果。
【專利說明】一種單波束測深儀水深粗差檢測修正方法及系統(tǒng)
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及水深檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種單波束測深儀水深粗差檢測修正方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0003]水下地形測量需要綜合處理定位、測深、潮汐觀測以及包括延遲改正、吃水改正、姿態(tài)改正等因素在內(nèi)的數(shù)據(jù)。水深數(shù)據(jù)是水下地形測量中最重要的數(shù)據(jù)源之一。測深裝置從原始的測桿、測繩、水壓式測深儀、繩索式測深儀逐步發(fā)展起來。20世紀(jì)20年代出現(xiàn)了單波束回聲測深，單波束回聲測深儀的出現(xiàn)對人類探索水下世界具有劃時代的意義。其原理是通過換能器向水下發(fā)射聲波，再經(jīng)換能器接收回波。根據(jù)聲速及往返的時間計算水深。20世紀(jì)70年代，又在單波束的基礎(chǔ)上研制了多波束測深儀，能一次獲取與航跡垂直平面內(nèi)一條一定寬度的水深條帶，具有測量范圍大、速度快和精度高的特點，將傳統(tǒng)的測深技術(shù)對水下的點、線測量發(fā)展到面測量。相較于單波束測量儀，多波束測量儀價格要昂貴的多，一臺多波束的價格往往可以買幾十臺單波束，使用中還需要高精度的姿態(tài)儀調(diào)配使用，數(shù)據(jù)量及后期處理工作量也相對較大。另外，由于其測量寬度與水深成正比，在內(nèi)河測深中其測量寬度的優(yōu)勢也相對減弱。因此，雖然多波束儀在海洋深水測量中優(yōu)勢巨大，但在內(nèi)河航道測深中，單波束測深儀仍然是最為普及的現(xiàn)代水深測量裝置。
[0004]單波束水下地形測量時，利用RTK (實時動態(tài)差分法)技術(shù)來實現(xiàn)導(dǎo)航定位，測量船依據(jù)預(yù)先設(shè)定好的計劃線航行，單波束測深儀以設(shè)定的頻率不斷地測得原始水深值，并通過潮位改正、吃水位改正、延時改正、姿態(tài)改正等，得到水下點的高程。
[0005]由于單波束測深儀利用聲波進(jìn)行測量，即使在聲速設(shè)定正確的條件下，原始的水深觀測值也常受以下幾個方面的影響而產(chǎn)生粗差:一是發(fā)射脈沖遇到浮游生物、懸浮物和懸空管道等物體時，測深儀的發(fā)射脈沖到不了水底而被這些水中物體發(fā)射回來，造成所測水深的錯誤，水深值表現(xiàn)為突然變淺甚至為零值(吃水深度)；二是由于設(shè)備多次發(fā)射、潛水混響及發(fā)射余振影響，水深值表現(xiàn)為大幅突變加深。此外，由于船的尾流、水中氣泡的影響，大大削弱了回波的強(qiáng)度，增大了額外的干擾，也對觀測值有不同程度的影響。
[0006]原始的水深粗差值往往表現(xiàn)為較大的深度突變，必須進(jìn)行剔除和數(shù)值的恢復(fù)。傳統(tǒng)的解決水深數(shù)據(jù)粗差的方法一般是靠有經(jīng)驗的專業(yè)人員，用手工的方式，通過比較數(shù)值的大小或分析水深的變化趨勢等手段進(jìn)行判別處理，但效率較低。另外，也有一些水深異常的自動處理算法，如中值濾波法、深度門技術(shù)、趨勢面分析法等，但仍各有不足。如趨勢面分析法除涉及多項式階數(shù)選取、門限選擇外，還要求測線布設(shè)較密。中值濾波法等常規(guī)濾波對連續(xù)異常處理能力較差，且正常點易受粗差影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明目的是提供一種單波束測深儀水深粗差檢測修正技術(shù)方案。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一種單波束測深儀水深粗差檢測修正方法，包括以下步驟:
步驟1，輸入原始的水深采集點序列數(shù)據(jù)，設(shè)原始的長度為η的水深采集點序列Z中包含η個水深采集點Z1, Z2,……Zn，序號分別為1，2，…，η，水深采集點Z1, Z2,……Zn的水深值依次記為水深值H1, H2,......Hn ;
步驟2，利用水深值H1, H2,……Hn進(jìn)行閾值判定，將水深采集點序列Z分割成N個地形鏈C1, C2,……CN；
步驟3，對各地形鏈的權(quán)值進(jìn)行判斷，判斷方式為，對于某地形鏈Ck，如果滿足以下三個條件之任一，則地形鏈Ck的地形鏈權(quán)值P=0，否則定權(quán)P=2，
設(shè)Hl代表左側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈左側(cè)的權(quán)值P=2的地形鏈Cx時，令Hl等于Cx最后一個水深采集點的水深值，否則令Hl等于Ck的第一個水深采集點的水深值；Hr代表右側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈右側(cè)的地形鏈Cy，其中Cy的長度L要滿足L>U，L0為預(yù)設(shè)的右鄰長度閾值，取Cy中第一個水深采集點的水深值Hr，否則令Hr為Ck的最后一個水深采集點的水深值；
條件1，地形鏈Ck的長度小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1 ；
條件2，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1時，設(shè)地形鏈Ck起點序號為Sk，終點序號為Ek，其中序號為[(Ek+SK)/2]的水深采集點的水深值為HM，存在IHm-HciIxi^t1為異常跳變點判定閾值，[]表示去尾法取整；
其中，H。為參考水深值，H0=(Hl+Hr)/2 ；
條件3，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于L1時，設(shè)其前L1個水深采集點的水深值的集合為Ha，存在一個水深值H e Hck,滿足IH-2H11 <T0或者| Η-3Η11 <Τ0 ；
步驟4，對地形鏈權(quán)值P=O的地形鏈中水深采集點進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方式為，對于權(quán)值P=O的某地形鏈Ck，設(shè)其起點序號為Sk,令X=Sk，其終點序號為Ek，令Y=Ek ;若能夠?qū)ふ业紺k左側(cè)第一個P幸O的地形鏈Q(jìng)，則令X等于Q的終點序號Ey否則X=Sk不變；若能夠?qū)ふ业紺k右側(cè)第一個PfO的地形鏈CK，則令Y等于Ck的起點序號SK，否則Y=Ek不變；
對于Ck中的任一水深采集點Zi,其與序號為X、Y的相應(yīng)水深采集點Zx和Zy的平面距離 Dix= I G1-GxI I, Diy= I G1-GyI |，其中 I I I I 為 Euclidean 范數(shù)，G1、GX、GY 分別為水深采集點Zi' Zx和Zy的坐標(biāo)向量，則Zi點的水深值為Hi=Hx+ Dix X (Hy-Hx) / (DiX+DiY)，
對于Ck中的所有水深采集點分別修復(fù)完成后，標(biāo)記地形鏈Ck的權(quán)P=I。
[0009]而且，步驟2的實現(xiàn)方式為，水深采集點序列Z中，第一個水深采集點Z1歸屬于地形鏈C1，然后逐個判斷Z1, Z2,……Zn處是否進(jìn)行分割；
對于當(dāng)前地形鏈ck，設(shè)當(dāng)前判斷出水深采集點Zi屬于地形鏈ck，判斷下一個水深采集點zi+1處是否進(jìn)行分割的實現(xiàn)方式為，如果有IHw-HiK T0或I UHi+(H1-HiJ) |〈 T。，T0為預(yù)設(shè)的相應(yīng)閾值，則水深采集點Zi+1屬于當(dāng)前地形鏈Ck，繼續(xù)判斷再下一個水深采集點zi+2處是否進(jìn)行分割，否則當(dāng)前地形鏈Ck終止于Zi且從下一個水深采集點zi+1開始新的地形鏈Ck+1，如果水深采集點序列中所有水深采集點都已判斷完畢，則對水深采集點序列分割完成。
[0010]一種單波束測深儀水深粗差檢測修正系統(tǒng)，包括以下模塊:
輸入模塊，用于輸入原始的水深采集點序列數(shù)據(jù)，設(shè)原始的長度為η的水深采集點序列Z中包含η個水深采集點Z1, Z2,……Ζη，序號分別為1，2，…，η，水深采集點Z1, Z2,……Zn的水深值依次記為水深值H1, H2,……Ηη。
[0011]閾值判定模塊，用于利用水深值H1, H2,……Hn進(jìn)行閾值判定，將水深采集點序列Z分割成N個地形鏈C1, C2,……Cn;
權(quán)值判斷模塊，用于對各地形鏈的權(quán)值進(jìn)行判斷，判斷方式為，對于某地形鏈Ck，如果滿足以下三個條件之任一，則地形鏈Ck的地形鏈權(quán)值P=0，否則定權(quán)P=2，
設(shè)Hl代表左側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈左側(cè)的權(quán)值P=2的地形鏈Cx時，令Hl等于Cx最后一個水深采集點的水深值，否則令Hl等于Ck的第一個水深采集點的水深值；Hr代表右側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈右側(cè)的地形鏈Cy，其中Cy的長度L要滿足L>U，L0為預(yù)設(shè)的右鄰長度閾值，取Cy中第一個水深采集點的水深值Hr，否則令Hr為Ck的最后一個水深采集點的水深值；
條件1，地形鏈Ck的長度小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1 ；
條件2，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1時，設(shè)地形鏈Ck起點序號為Sk，終點序號為Ek，其中序號為[(Ek+SK)/2]的水深采集點的水深值為HM，存在IHm-HciIxi^t1為異常跳變點判定閾值，[]表示去尾法取整；
其中，H。為參考水深值，H0=(Hl+Hr)/2 ；
條件3，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于L1時，設(shè)其前L1個水深采集點的水深值的集合為Ha，存在一個水深值H e Hck,滿足IH-2H11 <T0或者| Η-3Η11 <Τ0 ；
修復(fù)模塊，用于對地形鏈權(quán)值P=O的地形鏈中水深采集點進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方式為，對于權(quán)值P=O的某地形鏈Ck，設(shè)其起點序號為Sk，令X=Sk，其終點序號為Ek，令Y=Ek ;若能夠?qū)ふ业紺k左側(cè)第一個P古O的地形鏈Q(jìng)，則令X等于Q的終點序號Ey否則X=Sk不變；若能夠?qū)ふ业紺k右側(cè)第一個P Φ O的地形鏈CK，則令Y等于Ck的起點序號SK，否則Y=Ek不變；對于Ck中的任一水深采集點Zi,其與序號為X、Y的相應(yīng)水深采集點Zx和Zy的平面距離 Dix= I G1-GxI I, Diy= I G1-GyI |，其中 I I I I 為 Euclidean 范數(shù)，G1、GX、GY 分別為水深采集點Zi' Zx和Zy的坐標(biāo)向量，則Zi點的水深值為Hi=Hx+ Dix X (Hy-Hx) / (DiX+DiY)，
對于Ck中的所有水深采集點分別修復(fù)完成后，標(biāo)記地形鏈Ck的權(quán)P=I。
[0012]而且，閾值判定模塊中，進(jìn)行閾值判定的實現(xiàn)方式為，水深采集點序列Z中，第一個水深采集點Z1歸屬于地形鏈C1，然后逐個判斷Z1, Z2,……Zn處是否進(jìn)行分割；
對于當(dāng)前地形鏈ck，設(shè)當(dāng)前判斷出水深采集點Zi屬于地形鏈ck，判斷下一個水深采集點zi+1處是否進(jìn)行分割的實現(xiàn)方式為，如果有IHw-HiK T0或I UHi+(H1-HiJ) |〈 T。，T0為預(yù)設(shè)的相應(yīng)閾值，則水深采集點Zi+1屬于當(dāng)前地形鏈Ck，繼續(xù)判斷再下一個水深采集點zi+2處是否進(jìn)行分割，否則當(dāng)前地形鏈Ck終止于Zi且從下一個水深采集點zi+1開始新的地形鏈Ck+1，如果水深采集點序列中所有水深采集點都已判斷完畢，則對水深采集點序列分割完成。
[0013]本發(fā)明基于地形連續(xù)性的特點提出一種以所謂地形鏈為基本處理單元的新技術(shù)方案，成功檢測到多種水深異常值，并進(jìn)行了線性插值修復(fù)。實現(xiàn)過程簡單、粗差檢測效果明顯。本方法基于水深測量中異常水深造成的原因和異常特點，創(chuàng)新提出了地形鏈的概念，較好地適應(yīng)了這類特殊數(shù)據(jù)的粗差檢測，在檢測異常粗差水深方面效果明顯。除能有效處理多倍水深、零水深等突然跳變外，對于粗差值連續(xù)出現(xiàn)多個時的抵制效果明顯優(yōu)于其他方法，另外本方法對于判定為正確的點不予修改，區(qū)別于常規(guī)濾波法，本方法最大的特點在于能使異常水深附近的正常值避免受錯誤值的影響。針對長江流域的單波束測深數(shù)據(jù)處理實驗結(jié)果表明，本發(fā)明技術(shù)方案對各類粗差有明顯的檢測和修正效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明實施例的流程框圖；
圖2是原始水深序列一示意圖；
圖3是原始水深序列一的中值濾波法處理序列圖；
圖4是原始水深序列一的加權(quán)平均濾波法處理序列圖；
圖5是原始水深序列一的本發(fā)明方法處理序列圖；
圖6是原始水深序列二示意圖；
圖7是原始水深序列二的中值濾波法處理序列圖；
圖8是原始水深序列二的加權(quán)平均濾波法處理序列圖；
圖9是原始水深序列二的本發(fā)明方法處理序列圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0016]單波束測深儀是現(xiàn)代海洋測量尤其是內(nèi)河水下地形測量中的主要測量儀器。即使在聲速設(shè)定正確的前提下，單波束測深儀的觀測值仍然會有各類型的粗差。本發(fā)明針對其原始水深值粗差處理問題，基于地形連續(xù)性的特點提出地形鏈的概念，通過給地形鏈配置一個權(quán)重值屬性，用它來標(biāo)定該地形鏈為真實地形或假水深。
[0017]地形鏈的定義:連續(xù)的水深觀測值的集合C稱之為一條地形鏈，其中任意點與相鄰兩點的水深值H差異都沒有超過一個限值或者滿足其他用戶定義的限制規(guī)則。
[0018]地形鏈的屬性:設(shè)地形鏈的起始水深點序號S，地形鏈的終止水深點序號E，地形鏈的權(quán)值P，地形鏈的長度L，其中L=E-S+1，一般來說，地形鏈的長度L越長，該地形鏈的可靠性也就越大，其為真實地形的可能性也就越大。
[0019]地形鏈的權(quán)值確定原則:當(dāng)?shù)匦捂溨泻挟惓Ｋ钪等缌阒禃r，地形鏈權(quán)值P=O ；地形鏈中的點確定都為真實水深點時，定權(quán)P=2 ;權(quán)值為零的地形鏈經(jīng)過插值修正，地形鏈權(quán)值設(shè)為P=I。
[0020]本發(fā)明實施例流程框架如圖1所示，具體實施時本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用計算機(jī)軟件技術(shù)實現(xiàn)流程的自動運行。實施例提供具體的方法步驟如下:
步驟1，輸入原始的水深采集點序列數(shù)據(jù)，設(shè)有原始的長度為η的水深采集點序列Z= [I1, Z2,……ZJ，其中包含η個水深采集點Z1, Z2,……Zn,序號分別為I, 2，…，η。對于每一個水深采集點，包含水深值H、坐標(biāo)向量G Cr，_f)等信息。水深采集點Z1, Z2,……Zn的水深值依次記為水深值H1, H2,……Ηη。
[0021]步驟2，水深采集點序列的地形鏈分解:即利用水深采集點的水深值H進(jìn)行分析、通過閾值判定等原則分割為N個地形鏈C1, C2,……Cn，構(gòu)成集合C=IC1, C2,……CN}。具體來說，從水深采集點序列的起始水深點開始，逐個判斷是否進(jìn)行分割，分割得到的地形鏈依次為C1, C2,……Cn。
[0022]具體來說，作為起始條件，水深采集點序列Z中第一個水深采集點Z1歸屬于地形鏈C1，然后逐個判斷Z1, Z2,……Zn處是否進(jìn)行分割。對于當(dāng)前地形鏈ck，設(shè)當(dāng)前判斷出水深采集點Zi屬于地形鏈Ck，設(shè)Zi水深值Hi為當(dāng)前水深值，接著判斷下一個水深采集點Zi+1處是否進(jìn)行分割。如果下一個水深采集點Zi+1的水深值Hi+1與當(dāng)前水深值Hi之差的絕對值小于閾值Ttl或者當(dāng)?shù)匦捂淐k當(dāng)前長度大于等于2時，下一個序列點Zi+1的水深值Hi+1與在考慮地形一階變化趨勢的預(yù)測值之差的絕對值小于閾值Ttl，(如取Ttl=0.3)S卩IHw-Hi I〈 T0或I Hi+1- (Hi+ (H1-HH)) I < T0,則下一個水深采集點Zi+1屬于當(dāng)前地形鏈Ck，繼續(xù)按同樣方式判斷再下一個水深采集點zi+2處是否進(jìn)行分割，否則當(dāng)前地形鏈Ck終止于Zi且從下一個水深采集點Zi+1開始新的地形鏈ck+1，如果水深采集點序列中所有水深采集點都已判斷完畢，則水深采集點序列的地形鏈分解過程結(jié)束，此時分割得到的地形鏈總數(shù)即N。具體實施時，本領(lǐng)域技術(shù)人員可自行根據(jù)情況預(yù)先設(shè)置閾值Ttl的取值。
[0023]步驟3，地形鏈權(quán)值判斷:利用地形鏈的長度L、地形鏈中的水深值及其與相鄰地形鏈中水深值的關(guān)系等判定地形鏈的權(quán)值。具體來說，對于某地形鏈Ck，如果滿足以下三個條件之任一，則地形鏈權(quán)值P=O，否則定權(quán)p=2。
[0024]設(shè)Hl代表左側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈左側(cè)的權(quán)值P=2的地形鏈Cx時，令Hl等于Cx最后一個水深采集點的水深值，否則令Hl等于Ck的第一個水深采集點的水深值。設(shè)Hr代表右側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈右側(cè)的地形鏈Cy，其中Cy的長度L要滿足L>U，取其第一個水深采集點的水深值Hr，否則令Hr為Ck的最后一個水深采集點的水深值。Ltl為預(yù)設(shè)的右鄰長度閾值。
[0025]條件I):當(dāng)?shù)匦捂湹拈L度小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1時，可以認(rèn)為此鏈的長度過短，可靠性較低，定地形鏈權(quán)值P=O。
[0026]條件2):當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1時，設(shè)其起點序號為Sk，終點序號為Ek，其中序號為[(Ek+SK)/2]([]表示去尾法取整)的水深采集點的水深值為HM，若存在I Hm-H0 I >1\，T1為預(yù)設(shè)的異常跳變點判定閾值，則定地形鏈權(quán)值P=0。
[0027]其中，H。為參考水深值，H。= (HI+Hr)/2。
[0028]條件3):當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1時，設(shè)其前L1個水深采集點的水深值的集合為Ha，若存在一個水深值H e Hck,滿足IH-2H11 <T0或者| Η-3Η11 <Τ0,則地形鏈定權(quán)值P=O。
[0029]具體實施時，本領(lǐng)域技術(shù)人員可自行根據(jù)情況設(shè)置閾值LpLc^T1的取值。建議預(yù)設(shè)的閾值L1=SAci滿足U>3，如Ltl=1即可，過長的地形鏈雖然更可靠，但卻容易丟掉距離近的地形鏈。T1相對前文Ttl 一般較大，如1\=3。
[0030]步驟4，對地形鏈權(quán)值P=O的地形鏈中水深采集點的修復(fù):利用兩側(cè)權(quán)值不為零的地形鏈中的水深點的坐標(biāo)G和水深H信息，利用距離加權(quán)進(jìn)行線性插值，得到權(quán)值為零點的地形鏈中各點水深值。
[0031]具體來說，對于權(quán)值P=O的某地形鏈Ck，其起點序號為Sk，令X=Sk，其終點序號為Ek,令Y=Ek ;若能夠?qū)ふ业紺k左側(cè)第一個P古O的地形鏈Q(jìng)，則令X等于Q的終點序號Ey即X=&，否則X=Sk不變；若能夠?qū)ふ业紺k右側(cè)第一個P Φ O的地形鏈CK，則令Y等于Ck的起點序號SK，即Y=SK，否則Y=Ek不變；
對于Ck中的每個水深采集點分別修復(fù)，對Ck中的任一水深采集點Zi,其與序號為X、Y的相應(yīng)水深采集點ZdP Zy的平面距離Dix=I G1-Gx I，DiY=| G1-Gy |，其中| | | |為Euclidean范數(shù)，G1、GX、GY分別為水深采集點ZpZx和Zy的坐標(biāo)向量，則Zi點的水深值為Hi=Hx+ Dix X (Hy-Hx)/(DiX+DiY)。對于Ck中的所有水深采集點分別修復(fù)完成后，標(biāo)記地形鏈Ck的權(quán)P=I。
[0032]類似于其他各類算法，如中值濾波要設(shè)置窗口大小值，加權(quán)平均要設(shè)置權(quán)值，本文方法實現(xiàn)時也不可避免的涉及到地形鏈判定閾值等閾值的設(shè)定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可依經(jīng)驗設(shè)定。這類閾值往往依測量區(qū)域和水深采樣參數(shù)的確定而具有一定的穩(wěn)定性，選定后無須頻繁更改。
[0033]為檢測本發(fā)明技術(shù)方案的效果，本文利用長江流域紅花磧河段水下地形測量中利用HY-1600進(jìn)行1:500水下地形圖測量時，水深采樣頻率為5Hz，換能器吃水深度0.45m,以采集的水深數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)，分別用中海達(dá)水深測量數(shù)據(jù)處理商業(yè)軟件中的兩種濾波算法以及本文方法進(jìn)行效果對比分析。
[0034]中海達(dá)商業(yè)軟件中的兩種算法為中值濾波法和加權(quán)平均法。
[0035]中值濾波法Ai=HiecHHj, j E [i_M，i+M] Π [I, N]}, Hj為序號為j的水深點的水深值，i e [1，扣，其中21+1為中值濾波的窗口大小』為水深序列長度，1116(1{}為序列取中值操作。h為濾波后序號為i的水深點的水深值。
[0036]加權(quán)平均法所得濾波后的水深值:hfEAp A2,…，A2M+1][氏_?，-,Hi,…，HiJT，i e [1，N]，H為水深值，Hg，-,Hi,…，Hi+M為序號為1-Μ,…，i，…，i+M的水深點的水深值，對于不在觀察序列中的點，水深值補(bǔ)為零值，且其中2M+1為中值濾波的窗口大小，A =[A1；A2,…，A2M+1]為水深值對應(yīng)的權(quán)值向量，且A中各元素和為I。N為水深序列長度，[]τ為轉(zhuǎn)置運算。Iii為濾波后序號為i的水深點的水深值。
[0037]本發(fā)明選用幾處典型的粗差異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了效果分析:
圖2表示原始水深序列一，水深序列中有明顯的起伏的異常水深，其中兩處向下的跳變?yōu)榈湫偷膬杀端町惓?，而兩處向上跳?其中一處持續(xù)較長)為典型的零水深異常(水深值僅為吃水深度值)。幾種算法中，如圖3的中值濾波法處理序列圖，窗口大小9，可見中值濾波法有一定的處理效果，對兩處跳變進(jìn)行了較為成功的判斷和僅為合理的濾波，但由于其中一處異常持續(xù)時間長，中值濾波法受窗口大小的固有限制無法很好的處理，效果一般。如圖4的加權(quán)平均濾波處理序列圖，權(quán)值比為1:1:2:1:1，可見加權(quán)平均法具有抵制異常點的功能，但一方面會對臨近異常點的正常水深產(chǎn)生影響，另一方面對于持續(xù)較長的連續(xù)異常抵制能力也較差。而本發(fā)明方法成功地檢測到了這幾種異常水深值并進(jìn)行了合理的修正，參見圖5。
[0038]圖6表示原始水深序列二，水深序列中有明顯的起伏的異常水深，其中兩處向下的跳變?yōu)榈湫偷膬杀端町惓?，而兩處向上跳變極有可能為懸浮物或氣泡等產(chǎn)生的假水深。幾種算法中，如圖7的中值濾波法處理序列圖，窗口大小9，可見中值濾波法有一定的處理效果，對兩處跳變進(jìn)行了較為成功的判斷和僅為合理的濾波。如圖8的加權(quán)平均濾波處理序列圖，權(quán)值比為1:1:2:1:1，可見加權(quán)平均法具有抵制異常點的功能，但臨近異常點的正常水深值會受到影響。而本發(fā)明方法成功地檢測到了這幾種異常水深值并進(jìn)行了合理的修正，參見圖9。
[0039]本發(fā)明實施例還提供了相應(yīng)系統(tǒng)實現(xiàn)方案，一種單波束測深儀水深粗差檢測修正系統(tǒng)，包括以下模塊:
輸入模塊，用于輸入原始的水深采集點序列數(shù)據(jù)，設(shè)原始的長度為η的水深采集點序列Z中包含η個水深采集點Z1, Z2,……Ζη，序號分別為1，2，…，η，水深采集點Z1, Z2,……Zn的水深值依次記為水深值H1, H2,……Hn ；
閾值判定模塊，用于利用水深值H1, H2,……Hn進(jìn)行閾值判定，將水深采集點序列Z分割成N個地形鏈C1, C2,……Cn;
權(quán)值判斷模塊，用于對各地形鏈的權(quán)值進(jìn)行判斷，判斷方式為，對于某地形鏈Ck，如果滿足以下三個條件之任一，則地形鏈Ck的地形鏈權(quán)值P=0，否則定權(quán)P=2，
設(shè)Hl代表左側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈左側(cè)的權(quán)值P=2的地形鏈Cx時，令Hl等于Cx最后一個水深采集點的水深值，否則令Hl等于Ck的第一個水深采集點的水深值；Hr代表右側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈右側(cè)的地形鏈Cy，其中Cy的長度L要滿足L>U，L0為預(yù)設(shè)的右鄰長度閾值，取Cy中第一個水深采集點的水深值Hr，否則令Hr為Ck的最后一個水深采集點的水深值；
條件1，地形鏈Ck的長度小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1 ；
條件2，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1時，設(shè)地形鏈Ck起點序號為Sk，終點序號為Ek，其中序號為[(Ek+SK)/2]的水深采集點的水深值為HM，存在IHm-HciIxi^t1為異常跳變點判定閾值，[]表示去尾法取整；
其中，H。為參考水深值，H0=(Hl+Hr)/2 ；
條件3，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于L1時，設(shè)其前L1個水深采集點的水深值的集合為Ha，存在一個水深值H e Hck,滿足IH-2H11 <T0或者| Η-3Η11 <Τ0 ；
修復(fù)模塊，用于對地形鏈權(quán)值P=O的地形鏈中水深采集點進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方式為，對于權(quán)值P=O的某地形鏈Ck，設(shè)其起點序號為Sk，令X=Sk，其終點序號為Ek，令Y=Ek ;若能夠?qū)ふ业紺k左側(cè)第一個P古O的地形鏈Q(jìng)，則令X等于Q的終點序號Ey否則X=Sk不變；若能夠?qū)ふ业紺k右側(cè)第一個P Φ O的地形鏈CK，則令Y等于Ck的起點序號SK，否則Y=Ek不變；對于Ck中的任一水深采集點Zi,其與序號為X、Y的相應(yīng)水深采集點Zx和Zy的平面距離 Dix= I G1-GxI I, Diy= I G1-GyI |，其中 I I I I 為 Euclidean 范數(shù)，G1、GX、GY 分別為水深采集點Zi' Zx和Zy的坐標(biāo)向量，則Zi點的水深值為Hi=Hx+ Dix X (Hy-Hx) / (DiX+DiY)，
對于Ck中的所有水深采集點分別修復(fù)完成后，標(biāo)記地形鏈Ck的權(quán)P=I。
[0040]各模塊具體實現(xiàn)與方法步驟相應(yīng)，本發(fā)明不予贅述。
[0041]以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種單波束測深儀水深粗差檢測修正方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，輸入原始的水深采集點序列數(shù)據(jù)，設(shè)原始的長度為η的水深采集點序列Z中包含η個水深采集點Z1, Z2,……Zn，序號分別為1，2，…，η，水深采集點Z1, Z2,……Zn的水深值依次記為水深值H1, H2,......Hn ; 步驟2，利用水深值H1, H2,……Hn進(jìn)行閾值判定，將水深采集點序列Z分割成N個地形鏈C1, C2,……CN； 步驟3，對各地形鏈的權(quán)值進(jìn)行判斷，判斷方式為，對于某地形鏈Ck，如果滿足以下三個條件之任一，則地形鏈Ck的地形鏈權(quán)值P=0，否則定權(quán)P=2， 設(shè)Hl代表左側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈左側(cè)的權(quán)值P=2的地形鏈Cx時，令Hl等于Cx最后一個水深采集點的水深值，否則令Hl等于Ck的第一個水深采集點的水深值；Hr代表右側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈右側(cè)的地形鏈Cy，其中Cy的長度L要滿足L>U，L0為預(yù)設(shè)的右鄰長度閾值，取Cy中第一個水深采集點的水深值為Hr，否則令Hr為Ck的最后一個水深采集點的水深值； 條件1，地形鏈Ck的長度小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1 ； 條件2，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1時，設(shè)地形鏈Ck起點序號為Sk，終點序號為Ek，其中序號為[(Ek+SK)/2]的水深采集點的水深值為HM，存在IHm-HciIxi^t1為異常跳變點判定閾值，[]表示去尾法取整； 其中，H。為參考水深值，H0=(Hl+Hr)/2 ； 條件3，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于L1時，設(shè)其前L1個水深采集點的水深值的集合為Ha，存在一個水深值H e Hck,滿足IH-2H11 <T0或者| Η-3Η11 <Τ0 ； 步驟4，對地形鏈權(quán)值P=O的地形鏈中水深采集點進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方式為，對于權(quán)值P=O的某地形鏈Ck，設(shè)其起點序號為Sk,令X=Sk，其終點序號為Ek，令Y=Ek ;若能夠?qū)ふ业紺k左側(cè)第一個P幸O的地形鏈Q(jìng)，則令X等于Q的終點序號Ey否則X=Sk不變；若能夠?qū)ふ业紺k右側(cè)第一個PfO的地形鏈CK，則令Y等于Ck的起點序號SK，否則Y=Ek不變； 對于Ck中的任一水深采集點Zi,其與序號為X、Y的相應(yīng)水深采集點Zx和Zy的平面距離 Dix= I G1-GxI I, Diy= I G1-GyI |，其中 I I I I 為 Euclidean 范數(shù)，G1、GX、GY 分別為水深采集點Zi' Zx和Zy的坐標(biāo)向量，則Zi點的水深值為Hi=Hx+ Dix X (Hy-Hx) / (DiX+DiY)， 對于Ck中的所有水深采集點分別修復(fù)完成后，標(biāo)記地形鏈Ck的權(quán)P=I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述單波束測深儀水深粗差檢測修正方法，其特征在于:步驟2的實現(xiàn)方式為，水深采集點序列Z中，第一個水深采集點Z1歸屬于地形鏈C1，然后逐個判斷Z1, Z2,……Zn處是否進(jìn)行分割； 對于當(dāng)前地形鏈Ck，設(shè)當(dāng)前判斷出水深采集點Zi屬于地形鏈Ck，判斷下一個水深采集點Zi+1處是否進(jìn)行分割的實現(xiàn)方式為，如果有IHw-HiK T0或I Hw-Oli+(H1-HiJ) |〈 T。，T0為預(yù)設(shè)的相應(yīng)閾值，則水深采集點Zi+1屬于當(dāng)前地形鏈Ck，繼續(xù)判斷再下一個水深采集點zi+2處是否進(jìn)行分割，否則當(dāng)前地形鏈Ck終止于Zi且從下一個水深采集點zi+1開始新的地形鏈Ck+1，如果水深采集點序列中所有水深采集點都已判斷完畢，則對水深采集點序列分割完成。
3.一種單波束測深儀水深粗差檢測修正系統(tǒng)，其特征在于，包括以下模塊: 輸入模塊，用于輸入原始的水深采集點序列數(shù)據(jù)，設(shè)原始的長度為η的水深采集點序列Z中包含η個水深采集點Z1, Z2,……Ζη，序號分別為1，2，…，η，水深采集點Z1, Z2,……Zn的水深值依次記為水深值H1, H2,……Hn ； 閾值判定模塊，用于利用水深值H1, H2,……Hn進(jìn)行閾值判定，將水深采集點序列Z分割成N個地形鏈C1, C2,……Cn; 權(quán)值判斷模塊，用于對各地形鏈的權(quán)值進(jìn)行判斷，判斷方式為，對于某地形鏈Ck，如果滿足以下三個條件之任一，則地形鏈Ck的地形鏈權(quán)值P=0，否則定權(quán)P=2， 設(shè)Hl代表左側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈左側(cè)的權(quán)值P=2的地形鏈Cx時，令Hl等于Cx最后一個水深采集點的水深值，否則令Hl等于Ck的第一個水深采集點的水深值；Hr代表右側(cè)參考水深值，當(dāng)找到該地形鏈右側(cè)的地形鏈Cy，其中Cy的長度L要滿足L>U，L0為預(yù)設(shè)的右鄰長度閾值，取Cy中第一個水深采集點的水深值為Hr，否則令Hr為Ck的最后一個水深采集點的水深值； 條件1，地形鏈Ck的長度小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1 ； 條件2，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于預(yù)設(shè)的長度閾值L1時，設(shè)地形鏈Ck起點序號為Sk，終點序號為Ek，其中序號為[(Ek+SK)/2]的水深采集點的水深值為HM，存在IHm-HciIxi^t1為異常跳變點判定閾值，[]表示去尾法取整； 其中，H。為參考水深值，H0=(Hl+Hr)/2 ； 條件3，當(dāng)?shù)匦捂淐k長度不小于L1時，設(shè)其前L1個水深采集點的水深值的集合為Ha，存在一個水深值H e Hck,滿足IH-2H11 <T0或者| Η-3Η11 <Τ0 ； 修復(fù)模塊，用于對地形鏈權(quán)值P=O的地形鏈中水深采集點進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方式為，對于權(quán)值P=O的某地形鏈Ck，設(shè)其起點序號為Sk，令X=Sk，其終點序號為Ek，令Y=Ek ;若能夠?qū)ふ业紺k左側(cè)第一個P古O的地形鏈Q(jìng)，則令X等于Q的終點序號Ey否則X=Sk不變；若能夠?qū)ふ业紺k右側(cè)第一個P Φ O的地形鏈CK，則令Y等于Ck的起點序號SK，否則Y=Ek不變；對于Ck中的任一水深采集點Zi,其與序號為X、Y的相應(yīng)水深采集點Zx和Zy的平面距離 Dix= I G1-GxI I, Diy= I G1-GyI |，其中 I I I I 為 Euclidean 范數(shù)，G1、GX、GY 分別為水深采集點Zi' Zx和Zy的坐標(biāo)向量，則Zi點的水深值為Hi=Hx+ Dix X (Hy-Hx) / (DiX+DiY)， 對于Ck中的所有水深采集點分別修復(fù)完成后，標(biāo)記地形鏈Ck的權(quán)P=I。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述單波束測深儀水深粗差檢測修正系統(tǒng)，其特征在于:閾值判定模塊中，進(jìn)行閾值判定的實現(xiàn)方式為，水深采集點序列Z中，第一個水深采集點Z1歸屬于地形鏈C1，然后逐個判斷Z1, Z2,……Zn處是否進(jìn)行分割； 對于當(dāng)前地形鏈Ck，設(shè)當(dāng)前判斷出水深采集點Zi屬于地形鏈Ck，判斷下一個水深采集點Zi+1處是否進(jìn)行分割的實現(xiàn)方式為，如果有IHw-HiK T0或I Hw-Oli+(H1-HiJ) |〈 T。，T0為預(yù)設(shè)的相應(yīng)閾值，則水深采集點Zi+1屬于當(dāng)前地形鏈Ck，繼續(xù)判斷再下一個水深采集點zi+2處是否進(jìn)行分割，否則當(dāng)前地形鏈Ck終止于Zi且從下一個水深采集點zi+1開始新的地形鏈Ck+1，如果水深采集點序列中所有水深采集點都已判斷完畢，則對水深采集點序列分割完成。
【文檔編號】G01F23/296GK104180873SQ201410441855
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】劉力, 簡波, 孫再剛, 張建春, 沈繼青 申請人:長江航道測量中心