水深測(cè)量及海底地形測(cè)量實(shí)務(wù)(ppt-90頁(yè))課件

1、第七章 水深測(cè)量及海底地形測(cè)量 Sounding & Underwater Topographic Survey本章內(nèi)容概述回聲測(cè)深原理多波束測(cè)深系統(tǒng)高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納基于水下機(jī)器人的水下地形測(cè)量機(jī)載激光測(cè)深（LIDAR）測(cè)線布設(shè)測(cè)深精度水位改正測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量與管理海底地形成圖思考題 海底地形測(cè)量是測(cè)量海底起伏形態(tài)和地物的工作。是陸地地形測(cè)量在海域的延伸。按照測(cè)量區(qū)域可分為海岸帶、大陸架和大洋三種海底地形。特點(diǎn)是測(cè)量?jī)?nèi)容多，精度要求高，顯示內(nèi)容詳細(xì)。 水深測(cè)量經(jīng)歷了如下幾個(gè)發(fā)展階段：測(cè)繩重錘測(cè)量（點(diǎn)測(cè)量）單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）雙頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）多波束測(cè)深（面測(cè)量）機(jī)載激光測(cè)深（面測(cè)量）

2、 水下地形測(cè)量的發(fā)展與其測(cè)深手段的不斷完善是緊密相關(guān)的。 7.1 概 述單頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量）安裝在測(cè)量船下的發(fā)射機(jī)換能器，垂直向水下發(fā)射一定頻率的聲波脈沖，以聲速C在水中傳播到水底，經(jīng)反射或散射返回，被接收機(jī)換能器所接收。設(shè)經(jīng)歷時(shí)間為t，換能器的吃水深度D，則換能器表面至水底的距離(水深)H為： 7.2 回聲測(cè)深原理 回聲測(cè)深儀由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、發(fā)射換能器、接收換能器、顯示設(shè)備和電源部分組成。 回聲測(cè)深儀組成示意圖 千米和萬(wàn)米測(cè)深儀 為了求得實(shí)際正確的水深而對(duì)回聲測(cè)深儀實(shí)測(cè)的深度數(shù)據(jù)施加的改正數(shù)稱為回聲測(cè)深儀總改正數(shù)。 回聲測(cè)深儀總改正數(shù)的求取方法主要有水文資料法和校對(duì)法。前者適用于水深大

3、于20米的水深測(cè)量，后者適用于小于20米的水深測(cè)量。 水文資料法改正包括吃水改正Hb、轉(zhuǎn)速改正Hn及聲速改正Hc。吃水改正：由水面至換能器底面的垂直距離稱為換能器吃水改正數(shù)Hb。若H為水面至水底的深度；HS換能器底面至水底的深度，則Hb為： 轉(zhuǎn)速改正Hb是由于測(cè)深儀的實(shí)際轉(zhuǎn)速ns不等于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n0所造成的。轉(zhuǎn)速改正數(shù)Hn為： 聲速改正Hc是因?yàn)檩斎氲綔y(cè)深儀中的聲速Cm不等于實(shí)際聲速C0造成的測(cè)深誤差。 綜上 ，測(cè)深儀總改正數(shù)H為： 其中，聲速改正數(shù)Hc對(duì)總改正數(shù)H影響最大。 校對(duì)法利用水陀、檢查板、水聽(tīng)器等，實(shí)測(cè)從水面起算的準(zhǔn)確深度，與測(cè)深儀的當(dāng)前深度進(jìn)行比較，進(jìn)而求得回聲測(cè)深儀在該深度上的總

4、改正數(shù)H?；芈暅y(cè)深儀按照頻率分為單頻測(cè)深儀和雙頻測(cè)深儀。 雙頻單波束測(cè)深（點(diǎn)測(cè)量） 換能器垂直向水下發(fā)射高、低頻聲脈沖，由于低頻聲脈沖具有較強(qiáng)的穿透能力，因而可以打到硬質(zhì)層；高頻聲脈沖僅能打到沉積物表層，兩個(gè)脈沖所得深度之差便是淤泥厚度h 。 四波束掃海測(cè)深儀主要由四個(gè)收、發(fā)臺(tái)的換能器，同步控制器和圖示記錄器織成。四個(gè)換能器在船上的安裝方式有舷掛式和懸臂式兩種。 目前，我國(guó)各單位使用的四波束掃海測(cè)深儀，主要有日本產(chǎn)的MS10型、PS20R型及PS600型。 7.3 四波束掃海測(cè)深儀 多波束測(cè)深系統(tǒng)是從單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)，能一次給出與航線相垂直的平面內(nèi)的幾十個(gè)甚至上百個(gè)深度。它能夠精確地、快

5、速地測(cè)定沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀、最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，從而較可靠地描繪出水下地形的精細(xì)特征，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了海底地形的面測(cè)量。 與單波束回聲測(cè)深儀相比，多波束測(cè)深系統(tǒng)具有測(cè)量范圍大、速度快、精度和效率高、記錄數(shù)字化和實(shí)時(shí)自動(dòng)繪圖等優(yōu)點(diǎn)。 7.4 多波束測(cè)深系統(tǒng) 多波束系統(tǒng)是由多個(gè)子系統(tǒng)組成的綜合系統(tǒng)。對(duì)于不同的多波束系統(tǒng)，雖然單元組成不同，但大體上可將系統(tǒng)分為多波束聲學(xué)系統(tǒng)（MBES）、多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（MCS）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和外圍輔助傳感器。 其中，換能器為多波束的聲學(xué)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)波束的發(fā)射和接收；多波束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成波束的形成和將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并反算其測(cè)量距離

6、或記錄其往返程時(shí)間；外圍設(shè)備主要包括定位傳感器（如GPS）、姿態(tài)傳感器（如姿態(tài)儀）、聲速剖面儀（CDT）和電羅經(jīng)，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量船瞬時(shí)位置、姿態(tài)、航向的測(cè)定以及海水中聲速傳播特性的測(cè)定；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以工作站為代表，綜合聲波測(cè)量、定位、船姿、聲速剖面和潮位等信息，計(jì)算波束腳印的坐標(biāo)和深度，并繪制海底平面或三維圖，用于海底的勘察和調(diào)查。 741 多波束的系統(tǒng)組成742 多波束系統(tǒng)的聲學(xué)原理相長(zhǎng)干涉和相消干涉以及換能器的指向性相長(zhǎng)干涉和相消干涉 兩個(gè)相鄰的發(fā)射器發(fā)射相同的等方向性的聲信號(hào)，聲波圖將互相重疊和干涉，兩個(gè)波峰或者兩個(gè)波谷之間的疊加會(huì)增強(qiáng)波的能量，波峰與波谷的疊加正好互相抵消，能量為零。 相

7、長(zhǎng)干涉發(fā)生在距離每個(gè)發(fā)射器相等的點(diǎn)或者整波長(zhǎng)處，而相消干涉發(fā)生在相距發(fā)射器半波長(zhǎng)或者整波長(zhǎng)加半波長(zhǎng)處。將水聽(tīng)器放置在相長(zhǎng)干涉處。 相長(zhǎng)和相消干涉 波束指向性圖 不同的角度有不同的能量，這就是波束的指向性（directivity）。如果一個(gè)發(fā)射陣的能量分布在狹窄的角度中，就稱該系統(tǒng)指向性高。 發(fā)射器越多，基陣越長(zhǎng)，則波束角越小，指向性就越高。設(shè)基陣的長(zhǎng)度為D，則波束角為： 可以看出，減小波長(zhǎng)或者增大基陣的長(zhǎng)度都可以提高波束的指向性。但是，基陣的長(zhǎng)度不可能無(wú)限增大，而波長(zhǎng)越小，在水中衰減得越快，所以指向性不可能無(wú)限提高。下面以多波束中的直線陣列換能器為例，說(shuō)明基線陣列的指向性以及聲強(qiáng)特征。定義直線

8、陣列的微分單元輸出響應(yīng)為A/L，A為振幅，則微分單元dx的輸出響應(yīng)dv和相位延遲為： 直線陣列的輸出響應(yīng)和歸一化后的指向性R()為： 式中v=Lsin/，為波長(zhǎng)，c為聲速。曲線陣列的指向性R()的推導(dǎo)與此類(lèi)似。 確定了波束的指向性R()后，便可根據(jù)波束的設(shè)計(jì)寬度，來(lái)確定換能器的尺寸。若波束指向性定義為-30dB，則波束寬度bW為： 若L2， 波束寬度bW和波長(zhǎng)設(shè)定后，換能器的尺寸L為： 換能器基陣的束控 將發(fā)射和接收信號(hào)的能量聚集在主葉瓣，對(duì)側(cè)葉瓣和背葉瓣的信號(hào)進(jìn)行抑制，這便是換能器基陣的束控。 基陣束控通常采用相位加權(quán)和幅度加權(quán)兩種方法，相位加權(quán)是利用基元間距的不同排列來(lái)改變基元相位響應(yīng)，而

9、幅度加權(quán)則通過(guò)控制基陣中各基元的靈敏度響應(yīng)實(shí)現(xiàn)束控。 對(duì)于幅度加權(quán)而言，只要保證基陣靈敏度分布中間大，兩邊逐漸減小，就能使側(cè)葉瓣有不同程度的降低。通常采用的方法是對(duì)幅度進(jìn)行三角加權(quán)、余弦加權(quán)和高斯加權(quán)，其中高斯加權(quán)是比較理想的加權(quán)函數(shù)。 曲面換能器波束束控示意圖 波束的形成 當(dāng)線性陣列的方向在0=0時(shí)，由于各個(gè)方向基元接收到的聲信號(hào)具有相同的相位，因而輸出響應(yīng)最大。但要在其它方向形成波束，則需要引入時(shí)延，確保各基元的輸出仍能滿足同向疊加要求，獲得最大的輸出響應(yīng) 。當(dāng)陣列由N個(gè)基元組成時(shí)，平面波束從方向入射到波陣面時(shí)，聲速為C時(shí)延時(shí)量為： 以第N-1個(gè)基元為參數(shù)基準(zhǔn)，則第i個(gè)基元相對(duì)于第N-1個(gè)

10、基元的聲程為 時(shí)延i為： 為了控制線性基陣在0方向形成波束，需要引入延時(shí)i=ilsin0/C=i，則總延時(shí)i為：當(dāng)=0時(shí)，總延時(shí)量為： 線性陣列的波束輸出響應(yīng)為： 式中i為第i個(gè)基元引入的相位延時(shí)，Vi為第i個(gè)基元的復(fù)電壓。 設(shè)0(k)為第k個(gè)波束的空間方位角，則第k個(gè)波束的輸出響應(yīng)為： 則：那么，上式為基元復(fù)電壓Vi的FFT變化在0(k)方向上形成的第k個(gè)波束。 波束的發(fā)射、接收流程及其工作模式 多波束換能器基元的物理結(jié)構(gòu)是壓電陶瓷，其作用在于實(shí)現(xiàn)聲能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化。換能器也正是利用這點(diǎn)實(shí)現(xiàn)波束的發(fā)射和接收。 多波束發(fā)射的不至一個(gè)波束，而是形成一個(gè)具有一定扇面開(kāi)角的多個(gè)波束，發(fā)射角由發(fā)

11、射模式參數(shù)決定。 多波束的波束發(fā)射原理圖多波束的波束接收原理圖 No StabilisationRoll StabilisationRoll and Pitch StabilisationCourtesy of JHC OMG/UNBStabilization for pitching is obtained by steering the transmit beam electronically forward or aft at the time of transmission, based upon input from the motion sensor.Pitch effectNo

12、pitch stabilizationPitch stabilization onCourtesy of QPSRoll, Pitch and Yaw Stabilisation743 多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理?yè)Q能器xi發(fā)射波束TrizixiRi接收波束中央波束 波束腳印多波束波束的幾何構(gòu)成 首先，將波束腳印的船體坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到地理坐標(biāo)系（或當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系）和某一深度基準(zhǔn)面下的平面坐標(biāo)和水深。即波束腳印的歸位。 船體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于換能器中心，x 軸指向航向，z 軸垂直向下，y 軸指向側(cè)向，與x、z 軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。 波束在海底投射點(diǎn)位置的計(jì)算需要船位、潮位、船姿、聲速剖面、波束到達(dá)角和往返程時(shí)間等參數(shù)

13、。計(jì)算過(guò)程包括如下四個(gè)步驟：姿態(tài)改正。船體坐標(biāo)系下波束投射點(diǎn)位置的計(jì)算。 波束投射點(diǎn)地理坐標(biāo)的計(jì)算。波束投射點(diǎn)高程的計(jì)算。 為便于波束投射點(diǎn)船體坐標(biāo)的計(jì)算，現(xiàn)作如下假設(shè)：換能器處于一個(gè)平均深度，靜、動(dòng)吃水僅對(duì)深度有影響，而對(duì)平面坐標(biāo)沒(méi)有影響。波束的往、返程聲線重合。對(duì)于高頻發(fā)射系統(tǒng)，換能器航向變化影響可以忽略。 波束腳印船體坐標(biāo)的計(jì)算需要用到三個(gè)參量，即垂直參考面下的波束到達(dá)角、傳播時(shí)間和聲速剖面。 為了得到波束腳印的真實(shí)位置，就必須沿著波束的實(shí)際傳播路線跟蹤波束，該過(guò)程即為聲線跟蹤。通過(guò)聲線跟蹤得到波束投射點(diǎn)在船體坐標(biāo)下坐標(biāo)的計(jì)算過(guò)程稱為聲線彎曲改正。 Snell法則： 式中，Ci和i分別為

14、層i內(nèi)聲速和入射角。設(shè)多波束換能器在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x0 , y0 , z0)，波束腳印的船體坐標(biāo)(x，y，z)為： 式中，i為波束在層i表層處的入射角，Ci和ti為波束在層i內(nèi)的聲速和傳播時(shí)間。上式的一級(jí)近似式為： 式中Tp為波束往返程時(shí)間，0為波束初始入射角，C0為表層聲速。轉(zhuǎn)化為地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：式中，下腳LLS、G、VFS分別代表波束腳印的地理坐標(biāo)(或地方坐標(biāo))、GPS確定的船體坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)（也為地理坐標(biāo)系下坐標(biāo)，是船體坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系間的平移參量）和波束腳印在船體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；R(h,r,p)為船體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)關(guān)系，航向h、橫搖r和縱搖p是三個(gè)歐拉角。延遲

15、A延遲B加法器ABAAOBBBB+O/P入射角為的平面波 波束的實(shí)際指向角或物理指向角是換能器表面的實(shí)際聲速或真實(shí)聲速和測(cè)量聲速的函數(shù)。波速生成器根據(jù)測(cè)量的聲速值確定換能器陣列中每個(gè)波束的相位延遲，以控制對(duì)應(yīng)的波束指向。顯然，表面受風(fēng)、日等因素使溫度和鹽度有較大的變化，對(duì)波束指向的影響較為嚴(yán)重。 聲速對(duì)多波束聲納系統(tǒng)的影響表層聲速誤差引起的指向角誤差表層聲速誤差影響不同聲速不同指向角下的指向角誤差曲線 曲面換能器波束束控示意圖 直線陣與曲線陣的波束傳播區(qū)別 對(duì)于直線換能器基陣，存在波束束控。如果表層聲速有誤差，則初始的波束出射角存在誤差，但仍然滿足Snell法則。 如果底層聲速測(cè)量正確的話（這

16、是比較容易做到的），則在最后一層的波束角與正確的波束角一致，即計(jì)算的聲線與正確的聲線平行，故波束點(diǎn)的水平位置和水深誤差保持為常量，與水深變化無(wú)關(guān)。當(dāng)水深增加時(shí)，深度誤差百分比越來(lái)越小，能容易滿足IHO的規(guī)范要求。而對(duì)于曲面換能器基陣，雖然波束未進(jìn)行電子束控，最初波束角沒(méi)有誤差，但Snell常量發(fā)生了變化，使得聲線傳播時(shí)與正確的聲線不再平行，故在深水中深度誤差百分比隨深度的增加而增大，所以說(shuō)，波束最初出射角沒(méi)有誤差，并不一定是好事。 折射誤差的表現(xiàn) 根據(jù)Snell法則，入射角為0，即換能器最底點(diǎn)的聲線沒(méi)有折射，波束歸位誤差僅表現(xiàn)在水深上，而且水深誤差也很小，離最底點(diǎn)越遠(yuǎn)，入射角越大，聲線受折射的

17、影響越大，使得波束歸位誤差越大，此時(shí)誤差包括平面位置和水深的綜合影響。對(duì)于平坦海底，假設(shè)換能器為平面陣列，水平安置，則折射的假象與垂直軸對(duì)稱分布，并相上或向下彎曲，就像微笑和皺眉 。 高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納簡(jiǎn)稱為HRBSSS聲納(High Resolution Bathymetric Sidescan Sonar)。HRBSSS聲納分辨率高、體積小、重量輕、功耗低以及聲納陣沿載體的長(zhǎng)軸安裝，特別適用于AUV、HUV、ROV、拖體和船上，在離海底比較近的高度上航行，獲得高分辨率的地形地貌圖。 聲納陣包括左舷和右舷兩個(gè)聲納陣，自主開(kāi)發(fā)的聲納軟件包括水上數(shù)字信號(hào)處理軟件、水上服務(wù)器軟件、聲納驅(qū)動(dòng)軟件和

18、水下主控軟件，以及用于調(diào)試測(cè)試的終端調(diào)試測(cè)試軟件、終端調(diào)試測(cè)試軟件和聲納仿真軟件。 7.5 高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納軟件功能介紹：水上數(shù)字信號(hào)處理軟件的主要功能是完成對(duì)聲納A/D采樣數(shù)據(jù)的處理。聲納驅(qū)動(dòng)軟件的主要功能是提供與水上服務(wù)器軟件、水上終端調(diào)試和測(cè)試軟件的接口，提供與水下主控程序的接口，發(fā)送控制命令并接收水下控制計(jì)算機(jī)上傳的數(shù)據(jù)，提供與水上數(shù)字信號(hào)處理程序的接口，控制數(shù)字信號(hào)處理軟件的工作。 水上服務(wù)器軟件的主要功能是提供聲納驅(qū)動(dòng)軟件與圖形用戶接口軟件的接口，將用戶請(qǐng)求操作轉(zhuǎn)換為聲納工作命令與工作參數(shù)，并向聲納驅(qū)動(dòng)軟件發(fā)送，接收數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)并向圖形用戶接口軟件發(fā)送。用戶圖形接口軟

19、件的主要功能是對(duì)數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正并成圖；提供與水上服務(wù)器的接口，發(fā)送聲納操作指令，接收水上數(shù)字信號(hào)處理軟件處理的結(jié)果數(shù)據(jù)，提供與輸入輸出設(shè)備、傳感器設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備連接的接口。后處理軟件的主要功能是對(duì)一次調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)的后處理，進(jìn)行拼圖,得到最終的等深線圖和地貌圖。水下主控軟件的主要功能是控制水下電子分機(jī)的工作。水上終端調(diào)試與測(cè)試軟件的主要功能是完成對(duì)聲納的調(diào)試與測(cè)試。聲納仿真軟件的主要功能是在不連接聲納硬件設(shè)備的條件下，完成聲納對(duì)外接口的仿真。 高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲納因具有較高的分辨率和測(cè)深精度，可以用于水下目標(biāo)的探測(cè)。 利用HRBSSS測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算波束在海底投射點(diǎn)地理坐標(biāo)的

20、過(guò)程與多波束的數(shù)據(jù)處理過(guò)程近似。通過(guò)該處理，可以獲得密集的海底點(diǎn)的三維坐標(biāo)。利用這些點(diǎn)的坐標(biāo)，可以繪制海底等深線圖或構(gòu)造海底DEM。 HRBSSS實(shí)測(cè)得到的三維等深線圖 目前有利用水下載人潛水器、水下自治機(jī)器人(AUV：Autonomous Underwater Vehicle)或遙控水下機(jī)器人(ROV：Remotely Operated Vehicle)，集成多波束系統(tǒng)、側(cè)掃聲納系統(tǒng)等船載測(cè)深設(shè)備，結(jié)合水下DGPS技術(shù)、水下聲學(xué)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下地形測(cè)量的思想和方法。 水下機(jī)器人因可以接近目標(biāo)，利用其荷載的測(cè)量設(shè)備，可以獲得高質(zhì)量的水下圖形和圖像數(shù)據(jù)。目前使用的潛水器以自動(dòng)式探測(cè)器最先進(jìn)，探測(cè)

21、器內(nèi)裝有水聲定位系統(tǒng)。 7.6 基于水下機(jī)器人的水下地形測(cè)量早期的載人潛器和法國(guó)的Nautile 載人潛器 一般講，采用水下潛水器進(jìn)行水下地形測(cè)量工作同用水面船只測(cè)量的手段和方法大致一樣。只是在水下測(cè)量時(shí)，需要測(cè)定潛水器本身的下沉深度。因此，一般需要使用液體靜力深度計(jì)和向上方向的回聲測(cè)深儀。 一些技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家在潛水器上安裝了水下立體攝影機(jī)。這種隨潛水器運(yùn)動(dòng)的水下立體攝影測(cè)量，在某種程度上同航空攝影地形測(cè)量工作原理一樣。 由機(jī)器人深潛水下，在接近水底時(shí)用水下攝影的方式獲得水下目標(biāo)的圖像。 由于受水的透明度和照明情況，儀器離海底的高度等因素的局限，水下立體攝影測(cè)量方法效率低和困難較大。 水下

22、攝影測(cè)量 進(jìn)行海底地形測(cè)量，最有前途的方法還是利用具有高分辨率的聲學(xué)系統(tǒng)。聲學(xué)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射器、水聲接收機(jī)和電視顯示器所組成。 將多波束、高精度測(cè)深側(cè)掃聲納等聲吶掃測(cè)設(shè)備安裝在潛航器上，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底的高精度測(cè)量，如我國(guó)大洋一號(hào)上的6000米水下自治機(jī)器人AUV系統(tǒng)安裝了測(cè)深側(cè)掃聲納、淺地層剖面儀等設(shè)備，用于大洋的海底地形地貌調(diào)查。 水下電視攝像系統(tǒng)、水下數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)是目前獲取在水下環(huán)境清晰圖像的主要方法，掃海測(cè)量中，配置水下數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)有助于障礙物性質(zhì)的判斷，提高掃測(cè)能力。 機(jī)載激光雷達(dá)(LIDAR)是一個(gè)集現(xiàn)代三種尖端技術(shù)于一身的空間測(cè)量系統(tǒng)，它又分為用于獲得地面數(shù)字高程模型(DEM)

23、的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的海道測(cè)量LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點(diǎn)都是利用激光進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量，即Light Detection And Ranging - LIDAR。 LIDAR是一種集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。機(jī)載激光雷達(dá)是一種低成本高效率獲取空間數(shù)據(jù)的方法。它的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)大范圍、沿岸島礁海區(qū)、不可進(jìn)入地區(qū)、植被下層、地面與非地面數(shù)據(jù)的快速獲取。缺陷在于對(duì)水質(zhì)要求較高。 7.7 機(jī)載激光測(cè)深（LIDAR） 激光測(cè)深的原理與雙頻回聲測(cè)深原理相似，從飛機(jī)上向海面發(fā)射兩種波段的激光，

24、一種為紅光，波長(zhǎng)為1064nm，另一種為綠光，波長(zhǎng)為523nm。紅光被海水反射，綠光則透射到海水里，到達(dá)海底后被反射回來(lái)。這樣，兩束光被接收的時(shí)間差等于激光從海面到海底傳播時(shí)間的兩倍，由此可算得海面到海底的深度。激光測(cè)深的公式為： 式中：G為光速；n為海水折射率； 為所接收紅外光與綠光的時(shí)間差。LIADR測(cè)量原理 不同的機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)所發(fā)射的紅外激光和綠光的波長(zhǎng)稍不相同。機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)的最大探測(cè)深度，理論上可以表達(dá)為： 式中：P是一個(gè)系統(tǒng)參量，定義為PPLAEH2。 PB為背景噪聲功率(W)； 為海水有效衰減系數(shù)。 機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)目前測(cè)深能力一般都在50米左右，其測(cè)深精度在0.3米左右。

25、激光測(cè)深系統(tǒng)的組成一般有六大部分：測(cè)深系統(tǒng)(DSSS)、導(dǎo)航系統(tǒng)(NSS) 、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)(DPSS)、控制監(jiān)視系統(tǒng)(CNSS) 、地面處理系統(tǒng)(GPSS) 、飛機(jī)與維修設(shè)備。 應(yīng)用： 機(jī)載激光測(cè)深具有速度快、覆蓋率高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作常規(guī)海道測(cè)量之用。機(jī)載激光測(cè)深具有快速實(shí)施大面積測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，被海洋大國(guó)廣泛應(yīng)用于沿岸大陸架海底地形測(cè)量之中。除了常規(guī)的海底地形測(cè)量之外，機(jī)載激光測(cè)深的覆蓋率高決定了它還能提高探測(cè)航行障礙物的探測(cè)率。 同時(shí)，機(jī)載激光測(cè)深還能提高發(fā)現(xiàn)水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(如潛艇)的發(fā)現(xiàn)概率。對(duì)無(wú)深度信息的登陸場(chǎng)，機(jī)載激光測(cè)深可迅速、安全地獲取信息，從而提高快速反應(yīng)部隊(duì)的作戰(zhàn)能力。機(jī)

26、載激光還可用來(lái)測(cè)量海區(qū)的混濁度，測(cè)定溫度、鹽度。在海洋工程中，機(jī)載激光測(cè)深可以測(cè)定港口的淤積等。 為能夠采集到海區(qū)內(nèi)足夠的海底地形測(cè)量數(shù)據(jù)，以能夠反映海底地形地貌起伏狀況，提高發(fā)現(xiàn)海底特殊目標(biāo)的能力以及考慮到測(cè)量?jī)x器載體的機(jī)動(dòng)性和測(cè)量的效率、費(fèi)用、安全等因素，在海底地形測(cè)量之前需要設(shè)計(jì)和布設(shè)測(cè)線。 測(cè)線是測(cè)量?jī)x器及其載體的探測(cè)路線，分為計(jì)劃測(cè)線和實(shí)際測(cè)線。海底地形測(cè)量測(cè)線一般布設(shè)為直線。海上測(cè)線又稱測(cè)深線。測(cè)深線分為主測(cè)深線和檢查線兩大類(lèi)。 確定測(cè)線布設(shè)的主要考慮因素是測(cè)線間隔和測(cè)線方向。 7.8 測(cè)線布設(shè)測(cè)深線的間隔 測(cè)深線的間隔是主要根據(jù)對(duì)所測(cè)海區(qū)的需求、海區(qū)的水深、底質(zhì)、地貌起伏的狀況，

27、以及測(cè)深儀器的覆蓋范圍而定的?？傊?，以滿足需要又經(jīng)濟(jì)為原則。 國(guó)內(nèi)外具體處理方法一般有兩種，一種是規(guī)定圖上主測(cè)深線的間隔為10毫米的情況下，根據(jù)上述原則確定海區(qū)的測(cè)圖比例尺：另一種是根據(jù)上述原則先確定實(shí)地上主測(cè)深線的間隔，再取其圖上相應(yīng)的間隔，如6、8、10毫米，最后確定測(cè)圖比例尺。我國(guó)采用前者。測(cè)深線方向 測(cè)深線方向是測(cè)深線布設(shè)所要考慮的另一個(gè)重要因素，測(cè)線方向選取的優(yōu)劣會(huì)直接影響測(cè)量?jī)x器的探測(cè)質(zhì)量。選擇測(cè)深線布設(shè)方向的基本原則如下：有利于完善地顯示海底地貌。有利于發(fā)現(xiàn)航行障礙物。 有利于工作。 以上測(cè)線布設(shè)方向的基本原則大都是針對(duì)單波束測(cè)深而言的，對(duì)多波束測(cè)深、側(cè)掃聲納、激光測(cè)深和其他掃海

28、系統(tǒng)還要考慮測(cè)量載體的機(jī)動(dòng)性、安全性、最小的測(cè)量時(shí)間等問(wèn)題，同時(shí)參照上述原則，選擇最佳的測(cè)線方向。依據(jù)探測(cè)海區(qū)的精度要求、海底覆蓋率不同劃分、定義了四種測(cè)量等級(jí)。一級(jí)測(cè)量：只適用于海道測(cè)量部門(mén)明確規(guī)定的重要海區(qū)；要求必須把所有誤差源降到最小限度，測(cè)線間距要小，并要求使用側(cè)掃聲納、換能器陣列組成高分辨率多波束回聲測(cè)深儀達(dá)到100的海底覆蓋率。二級(jí)測(cè)量：適用于其他港口、入口航道、一般的沿岸和內(nèi)陸航道，限于水深小于l00米的海區(qū)使用。 三級(jí)測(cè)量：適用于水深淺于200米且不被一、二級(jí)測(cè)量覆蓋的海區(qū)。四級(jí)測(cè)量：四級(jí)海道測(cè)量適用于水深超過(guò)200米且不被一、二、三級(jí)海道測(cè)量所覆蓋的其它所有海區(qū)。 7.9 測(cè)

29、深精度 水深精度應(yīng)理解為改正后水深的精度。水深精度主要取決于對(duì)影響水深值的系統(tǒng)誤差和可能的隨機(jī)誤差的估計(jì)精度?？倐鞑フ`差由所有對(duì)測(cè)深有影響的因素所造成的測(cè)深誤差組成，其中包括： 與聲信號(hào)傳播路徑(包括聲速剖面)有關(guān)的聲速誤差； 測(cè)深與定位儀器自身的系統(tǒng)誤差； 潮汐測(cè)量和模型誤差； 船只航向與船搖誤差； 由于換能器安裝不正確引起的定位誤差； 船只運(yùn)動(dòng)傳感器的精度引起的誤差，如縱橫搖的精度、動(dòng)態(tài)吃水誤差； 數(shù)據(jù)處理誤差等等。誤差估計(jì)形式 ：上述給出的是根據(jù)多波束系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)誤差源及其估計(jì)公式，對(duì)單波束測(cè)深一般情況下可以不考慮r、p、g等誤差的影響，但對(duì)于傾斜的海底必須進(jìn)行海底傾斜改正。 總之，提

30、高海洋測(cè)深精度的方法，一方面是盡可能利用高精度儀器監(jiān)測(cè)并減弱測(cè)量中的各種誤差，另一方面就是利用上述誤差模型進(jìn)行誤差估計(jì)。 水深探測(cè)所要估計(jì)的最大影響因素就是海洋潮汐的影響。消除原始測(cè)深數(shù)據(jù)中的潮汐因素的方法就是在一定基準(zhǔn)控制下對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)逐時(shí)逐點(diǎn)進(jìn)行水位改正。 水位改正是將測(cè)得的瞬時(shí)深度轉(zhuǎn)化為一定基準(zhǔn)上的較為穩(wěn)定數(shù)據(jù)的過(guò)程，其目的是盡可能消除測(cè)深數(shù)據(jù)中的海洋潮汐影響，將測(cè)深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以當(dāng)?shù)厣疃然鶞?zhǔn)面為基準(zhǔn)的水深數(shù)據(jù)。 水位觀測(cè)過(guò)程中采用以“點(diǎn)”帶“面”的水位改正方法，水位改正方法主要有單站水位改正法、線性內(nèi)插法、水位分帶法、時(shí)差法和參數(shù)法等。 7.10 水位改正單站水位改正法 為求得不同時(shí)刻的水

31、位改正數(shù)，一般采用圖解法和解析法。 圖解法就是繪制水位曲線圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示水位改正數(shù)。 解析法就是利用計(jì)算機(jī)以觀測(cè)數(shù)據(jù)為采樣點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式內(nèi)插來(lái)求得測(cè)量時(shí)間段內(nèi)任意時(shí)刻的水位改正數(shù)的方法。 線性內(nèi)插法 線性內(nèi)插法的假設(shè)前提是兩站之間的瞬時(shí)海面為直線形態(tài)。此法也同樣適應(yīng)三站的情況，其基本數(shù)學(xué)模型為：（ 兩站水位改正數(shù)模 ）（三站水位改正數(shù)模 ）水位分帶改正法(分帶法) 水位分帶改正法分為兩站水位分帶改正、三站水位分帶改正(又稱三角分帶)。以兩站水位分帶改正法為例來(lái)介紹。 水位分帶的實(shí)質(zhì)就是利用內(nèi)插法求得C、D區(qū)的水位改正數(shù)，與線性內(nèi)插法不同，分帶所依據(jù)的假設(shè)條件是兩站之間潮波傳播均勻

32、，潮高和潮時(shí)的變化與其距離成比例。分帶條件： 當(dāng)測(cè)區(qū)有圖時(shí)，可以判斷主要分潮的潮波傳播是否均勻，來(lái)確定分帶與否。 若測(cè)區(qū)無(wú)潮波圖時(shí)，可根據(jù)海區(qū)自然地理(海底地貌、海岸形狀等)條件，以及潮流等因素加以分析。分帶的基本原則：分帶的界線方向與潮波傳播方向垂直。分帶原理：具體分為幾帶是由具體情況決定。兩驗(yàn)潮站之間的水位分帶數(shù)由下式確定：式中：K為分帶數(shù)；z為測(cè)深精度；為兩驗(yàn)潮站深度基準(zhǔn)面重疊時(shí)，同一時(shí)刻兩驗(yàn)潮站間的最大水位差。 三站水位帶改正法(又稱三角分帶法)分帶原則、條件、假設(shè)與兩站水位分帶改正法基本相同，其主要是為了加強(qiáng)潮波傳播垂直方向的控制，需采用三站水位分帶改正法。時(shí)差法 時(shí)差法水位改正是水

33、位分帶改正法的合理改進(jìn)和補(bǔ)充。其所依賴的假設(shè)條件是兩驗(yàn)潮站之間的潮波傳播均勻，潮高和潮時(shí)的變化與其距離成比例。 時(shí)差法是運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中互相關(guān)函數(shù)的變化特性，將兩個(gè)驗(yàn)潮站A、B的水位視作信號(hào)，這樣研究A、B站的水位曲線問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為研究?jī)尚盘?hào)的波形問(wèn)題，通過(guò)對(duì)兩信號(hào)波形的研究求得兩信號(hào)之間的時(shí)差，進(jìn)而求得兩個(gè)驗(yàn)潮站的潮時(shí)差，以及待求點(diǎn)相對(duì)于驗(yàn)潮站的時(shí)差，并通過(guò)時(shí)間歸化，最后求出待求點(diǎn)的水位改正值。 參數(shù)法 參數(shù)法直接從潮汐水位曲線的整體變化入手，采用最小二乘擬合逼近技術(shù)，不僅求出兩驗(yàn)潮站的潮時(shí)差，還求出了兩驗(yàn)潮站的潮差比和基準(zhǔn)面偏差?；驹恚毫钏、B兩站的水位觀測(cè)值為整點(diǎn)觀測(cè)值hA(

34、i)、hB(i)，則同步觀測(cè)N天，便有24 N個(gè)觀測(cè)值。兩組觀測(cè)值可畫(huà)成兩條水位曲線(圖7-37)，將兩曲線移動(dòng)，并適當(dāng)放大或縮小，使兩個(gè)水位曲線吻合。則建立如下數(shù)學(xué)模型：其中，x為垂直比例系數(shù)，表示兩站間的潮差比(潮高比)；y為水平延遲系數(shù)，表示兩站間的潮時(shí)差；z為基準(zhǔn)面偏差。兩曲線比較示意圖將上式改為計(jì)算的離散化格式：根據(jù)最小二乘原理： 其中：F為設(shè)計(jì)矩陣，第i行元素為 L為閉合差矩陣，第i行元素為：解出x、y、z后，可得關(guān)系值：為保證能達(dá)到要求的測(cè)量成果精度，必須對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行檢查和監(jiān)督，以下給出一些建立質(zhì)量管理的準(zhǔn)則。定位方面。如果定位系統(tǒng)沒(méi)有提供多余的或其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的方法，則需要

35、進(jìn)行嚴(yán)格的、經(jīng)常性的校準(zhǔn)。測(cè)深方面。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量管理程序應(yīng)通過(guò)進(jìn)行多余的水深測(cè)量來(lái)檢查測(cè)深的有效性。7.11 測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量與管理數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一化及標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)包括如下內(nèi)容： 記錄數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化。 記錄數(shù)據(jù)類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)化。 記錄數(shù)據(jù)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)化。 數(shù)據(jù)采樣密度標(biāo)準(zhǔn)化。 數(shù)據(jù)單位標(biāo)準(zhǔn)化。 當(dāng)前，海道測(cè)量數(shù)據(jù)文件統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化尚無(wú)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，是急需解決的問(wèn)題。海道測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理軟件多種多樣，缺乏統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)存取標(biāo)準(zhǔn)。 7121 繪制海底地形圖 海底地形圖的表現(xiàn)形式一般可分為二維等深線圖和三維海底地形立體圖。自動(dòng)繪制等深圖常用方法主要有兩種，一是三角形法，二是網(wǎng)格法。 網(wǎng)格法繪制等深線分為在網(wǎng)格邊上求

36、出等值點(diǎn)，追蹤等值點(diǎn)和連接并光滑等值點(diǎn)連線。7132自動(dòng)繪制海底地形立體圖 海底地形立體圖是指海底地形立體透視圖。繪制海底地形立體圖，通常采用透視變換原理的連續(xù)斷面法來(lái)繪制。7.12 海底地形成圖 其基本思想是進(jìn)行坐標(biāo)的透視變換，即完成三維空間坐標(biāo)到二維平面坐標(biāo)系統(tǒng)的線性變換。其次是消去隱藏線，即處理由于前面物體遮擋而無(wú)需畫(huà)出的圖形。透視變換原理 ：在三維空間內(nèi)，用一個(gè)行向量(x,y,z)表示空間點(diǎn)的坐標(biāo)。這些向量集合組成如下的n3矩陣的形式： 變換過(guò)程可表示為：式中： 為物體旋轉(zhuǎn)z角的旋轉(zhuǎn)矩陣： 為物體旋轉(zhuǎn)x角的旋轉(zhuǎn)矩陣； 為透視投影變換矩陣。 隱藏線的處理 繪制立體圖時(shí)，如果前面的透視剖面

37、線的高程z坐標(biāo)值大于其后面出現(xiàn)的剖面線某些部分的z坐標(biāo)值，后面的剖面線上的那些部分就要被遮蓋，這就是隱藏線。 將相鄰的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)連接成四邊形，結(jié)果就形成一個(gè)曲面，對(duì)這個(gè)曲面實(shí)現(xiàn)平面立體的消影算法,即能得到消除了隱藏線的網(wǎng)狀曲面立體圖。 海底立體地形圖 1、只要有堅(jiān)強(qiáng)的意志力，就自然而然地會(huì)有能耐、機(jī)靈和知識(shí)。2、你們應(yīng)該培養(yǎng)對(duì)自己，對(duì)自己的力量的信心，百這種信心是靠克服障礙，培養(yǎng)意志和鍛煉意志而獲得的。3、堅(jiān)強(qiáng)的信念能贏得強(qiáng)者的心，并使他們變得更堅(jiān)強(qiáng)。4、天行健，君子以自強(qiáng)不息。5、有百折不撓的信念的所支持的人的意志，比那些似乎是無(wú)敵的物質(zhì)力量有更強(qiáng)大的威力。6、永遠(yuǎn)沒(méi)有人力可以擊退一個(gè)堅(jiān)決強(qiáng)

38、毅的希望。7、意大利有一句諺語(yǔ)：對(duì)一個(gè)歌手的要求，首先是嗓子、嗓子和嗓子我現(xiàn)在按照這一公式拙劣地摹仿為：對(duì)一個(gè)要成為不負(fù)于高爾基所聲稱的那種“人”的要求，首先是意志、意志和意志。8、執(zhí)著追求并從中得到最大快樂(lè)的人，才是成功者。9、三軍可奪帥也，匹夫不可奪志也。10、發(fā)現(xiàn)者，尤其是一個(gè)初出茅廬的年輕發(fā)現(xiàn)者，需要勇氣才能無(wú)視他人的冷漠和懷疑，才能堅(jiān)持自己發(fā)現(xiàn)的意志，并把研究繼續(xù)下去。11、我的本質(zhì)不是我的意志的結(jié)果，相反，我的意志是我的本質(zhì)的結(jié)果，因?yàn)槲蚁扔写嬖冢笥幸庵?，存在可以沒(méi)有意志，但是沒(méi)有存在就沒(méi)有意志。12、公共的利益，人類(lèi)的福利，可以使可憎的工作變?yōu)榭少F，只有開(kāi)明人士才能知道克服困難

39、所需要的熱忱。13、立志用功如種樹(shù)然，方其根芽，猶未有干；及其有干，尚未有枝；枝而后葉，葉而后花。14、意志的出現(xiàn)不是對(duì)愿望的否定，而是把愿望合并和提升到一個(gè)更高的意識(shí)水平上。15、無(wú)論是美女的歌聲，還是鬢狗的狂吠，無(wú)論是鱷魚(yú)的眼淚，還是惡狼的嚎叫，都不會(huì)使我動(dòng)搖。16、即使遇到了不幸的災(zāi)難，已經(jīng)開(kāi)始了的事情決不放棄。17、最可怕的敵人，就是沒(méi)有堅(jiān)強(qiáng)的信念。18、既然我已經(jīng)踏上這條道路，那么，任何東西都不應(yīng)妨礙我沿著這條路走下去。19、意志若是屈從，不論程度如何，它都幫助了暴力。20、有了堅(jiān)定的意志，就等于給雙腳添了一對(duì)翅膀。21、意志堅(jiān)強(qiáng)，就會(huì)戰(zhàn)勝惡運(yùn)。22、只有剛強(qiáng)的人，才有神圣的意志，凡

40、是戰(zhàn)斗的人，才能取得勝利。23、卓越的人的一大優(yōu)點(diǎn)是：在不利和艱難的遭遇里百折不撓。24、疼痛的強(qiáng)度，同自然賦于人類(lèi)的意志和剛度成正比。25、能夠巋然不動(dòng)，堅(jiān)持正見(jiàn)，度過(guò)難關(guān)的人是不多的。26、鋼是在烈火和急劇冷卻里鍛煉出來(lái)的，所以才能堅(jiān)硬和什么也不怕。我們的一代也是這樣的在斗爭(zhēng)中和可怕的考驗(yàn)中鍛煉出來(lái)的，學(xué)習(xí)了不在生活面前屈服。27、只要持續(xù)地努力，不懈地奮斗，就沒(méi)有征服不了的東西。28、立志不堅(jiān)，終不濟(jì)事。29、功崇惟志，業(yè)廣惟勤。30、一個(gè)崇高的目標(biāo)，只要不渝地追求，就會(huì)居為壯舉；在它純潔的目光里，一切美德必將勝利。31、書(shū)不記，熟讀可記；義不精，細(xì)思可精；惟有志不立，直是無(wú)著力處。32

41、、您得相信，有志者事竟成。古人告誡說(shuō)：“天國(guó)是努力進(jìn)入的”。只有當(dāng)勉為其難地一步步向它走去的時(shí)候，才必須勉為其難地一步步走下去，才必須勉為其難地去達(dá)到它。33、告訴你使我達(dá)到目標(biāo)的奧秘吧，我唯一的力量就是我的堅(jiān)持精神。34、成大事不在于力量的大小，而在于能堅(jiān)持多久。35、一個(gè)人所能做的就是做出好榜樣，要有勇氣在風(fēng)言風(fēng)語(yǔ)的社會(huì)中堅(jiān)定地高舉倫理的信念。36、即使在把眼睛盯著大地的時(shí)候，那超群的目光仍然保持著凝視太陽(yáng)的能力。37、你既然期望輝煌偉大的一生，那么就應(yīng)該從今天起，以毫不動(dòng)搖的決心和堅(jiān)定不移的信念，憑自己的智慧和毅力，去創(chuàng)造你和人類(lèi)的快樂(lè)。38、一個(gè)有決心的人，將會(huì)找到他的道路。39、在希望與失望的決斗中，如果你用勇氣與堅(jiān)決的雙手緊握著，勝利必屬于希望。40、富貴不能淫，貧賤不能移，威武不能屈。41、生活的道路一旦選定，就要勇敢地走到底，決不回頭。42、生命里最重要的事情是要有個(gè)遠(yuǎn)大的目標(biāo)，并借助才能與堅(jiān)持來(lái)完成它。43、事業(yè)常成于堅(jiān)忍，毀于急躁。我在沙漠中曾親眼看見(jiàn)，匆忙的旅人落在從容的后邊；疾馳的駿馬落在后頭，緩步的駱駝繼續(xù)向前