多波束测量数据预处理研究

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多波束测量数据预处理研究
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Multibeam bathymetric system, also named swath sounding system, is a largescale combination equipment which is used for under-water terrain mapping. It’s a complex system with various kinds of high techniques, and it needs to gather correlative information data. There are many kinds of errors and environment interferes while collecting the data. In multibeam bathymetry data processing, it is the main task to choose suitable methods, in order to eliminate errors，get an exact measuring result, and enhance the quality of the digital chart. In this paper some key technology of multibeam bathymetric data processing are studied. Firstly, various formats of raw multibeam data are analyzed, and the method about raw multibeam data extraction is given. Next, swath aided parameter pre-treatment is studied based on the analyzing of the main sources error of the system, including sound velocity profile correcting technique, tide correcting technique, positioning data error determination and fitting, and attitude data processing. Then, the sources and types of effect factors for depth are analized. And from the characteristic of multibeam bathymetric data, the trend-surface filter and the iterative weighted filter based on M robust estimate are used to detect and eliminate gross errors of multibeam data. Finally, the interpolation and smooth methods are applied to process multibeam data, and the multibeam data is merged to obtain the (x, y, z) information of the geodetic coordinates. Based on the theoretical research above, the multibeam bathymetric data pretreatment software is designed and completed using Microsoft Visual C++6.0. The main function of the software is to eliminate gross and random errors, to compensate system errors caused by attitude data and positioning data, to merge location and depth information to obtain the geodetic coordinates, and to generate high-precision 3D seafloor sampling data. The software provides a basis for building digital terrain model in the future. Keywords: Multibeam, Data Processing, Error Analysis, Data Editing, Filtering
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南京航空航天大学硕士学位论文
图表目录
图 1.1 多波束测深系统示意图.............................................................................. 1 图 2.1 多波束系统基本组成................................................................................... 5 图 2.2 多波束船参考坐标系.................................................................................. 6 图 2.3 船参考坐标系与本地坐标关系.................................................................. 7 图 2.4 多波束深度水平解算关系图...................................................................... 8 图 2.5 多波束测深数据处理组成框图.................................................................. 9 图 2.6 多波束数据预处理流程图.........................................................................11 图 2.7 程序提取的 SEABEAM 2100 原始多波束数据的一些重要记录 .......... 15 图 3.1 声波在不不同介质中的传播.................................................................... 22 图 3.2 两站水位曲线示意图................................................................................ 23 图 3.3 航向角引起的姿态变化图........................................................................ 27 图 3.4 横摇示意图................................................................................................ 28 图 3.5 纵摇示意图 ................................................................................................ 28 图 4.1 最大最小深度门限滤波示意图................................................................ 31 图 4.2 正投影投影图............................................................................................ 32 图 4.3 侧投影图.................................................................................................... 33 图 4.4 垂直投影图................................................................................................ 33 图 4.5 模拟海底地形............................................................................................ 35 图 4.6 窗口 3×3 中值滤波..……………………………………………………..36 图 4.7 窗口 5×5 中值滤波.................................................................................. 35 图 4.8 平坦地形原图............................................................................................ 35 图 4.9 滤波后的平坦地..………………………………………………………37 图 4.10 复杂地形原图.......................................................................................... 36 图 4.11 滤波后复杂地形………………………………………………………37 图 4.12 无粗差的平坦地形数据........................................................................... 39 图 4.13 加入粗差的平坦地形数………………………………………………40 图 4.14 无粗差的复杂地形数据.......................................................................... 40 图 4.15 1/4 的复杂地形数据……………………………………………………...41 图 4.16 原始 EM 300 数据地形.......................................................................... 42 图 4.17 滤波后的 EM 300 数据地形………………………………………….43
南京航空航天大学 硕士学位论文 多波束测量数据预处理研究 姓名：宋玲玲 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：邵杰 20071201
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摘 要
多波束测深系统（The Multibeam Bathymetric System）又称条带测深系 统，是一种用来进行水下地形地貌测量的大型组合设备，它利用同时发射和 同时接收多个波束对水底进行条带式全覆盖测量。在数据的采集过程中，存 在各种误差和环境干扰，这些干扰会给深度数据的质量带来影响，因此选用 合理的方法消除各类误差得到准确的测量结果，提高数字成果图的成图质 量，是多波束测深系统数据处理的核心任务。 本文对多波束测深数据处理的主要技术进行了研究。首先，分析了多波 束系统的原始数据格式，并提出了原始多波束数据的提取方法。其次，在分 析系统主要误差来源的基础上，对条带辅助参数进行预处理研究，研究的主 要内容包括：声线修正，重新对海底地形采样点数据解算；潮汐修正，得到 瞬时海面的深度数据；定位数据误差判定和拟合；姿态数据处理，对横摇、 纵摇、航向角、升沉数据剔除误差、补偿等。接着，本文对深度数据的误差 来源和类型进行了分析，并从多波束测深数据的特点出发，提出了益于粗差 检测和剔除的适用方法——趋势面滤波和基于抗差M估计的移动加权迭代滤 波。最后，对各类剔除粗差值后的数据进行插值与平滑，并对多波束数据进 行合并处理，得到大地坐标下的（x，y，z）信息。 在理论研究的基础上，本文利用Visual C++6.0编程环境编写了适用于多 波束测深数据的预处理软件，主要实现对采集的各种原始多波束数据的异常 值剔除、插值、平滑等处理，目的是消除各种粗大误差和随机误差；并对定 位及姿态数据造成的系统误差进行补偿，最终将位置信息和深度信息合并， 转换到大地坐标下，生成高精度的三维海底采样数据，为以后建立数字地理 模型打下了基础。 关键词: 多波束，数据处理，误差分析，数据编辑，滤波