实例介绍
【实例简介】
本书详细讲解了多波束测深的原理、侧扫声呐在海底地形绘制、水下目标识别的应用、可以供水声等相关专业科研人员参考
国家“十一五”重点图书 地球空间信息学丛书/李德仁主编 多波束测深 及图像数据处理 ■赵建虎刘经南著 WUHAN UN∨ ERSITY PRESS 武汉大学出版社 图书在版编目(CIP)数据 多波束测深及图像数据处理/赵建虎,刘经南著.一武汉:武汉大学出 版社,2008.9 国家“十一五”重点图书 地球空间信息学丛书/李德仁主编 ISBN978-7-307065000 Ⅰ.多…Ⅱ.①赵…②刘…Ⅲ.海洋测量一测深一卫星图像一图 像处理Ⅳ.P229-39 中国版本图书馆CP数据核字(2008)第129252号 责任编辑:任翔 责任校对:黄添生 版式设计:马佳 出版发行:武汉大学出版社(430072武昌珞珈山) (电子邮件:wdp4@whu.edu.cn网址:ww.wdp.com.cn) 印刷:武汉中远印务有限公司 开本:720×10001/16印张:24.25字数:446千字插页:1 版次:2008年9月第1版 208年9月第1次印刷 ISBN978-7-30706500-0/P·138 定价:45.00元 版权所有,不得翻印;凡购我社的图书,如有缺页、倒页、脱页等质量问题,请与当地图书销售 部门联系调换。 前言 随着陆地资源的还渐匮乏,人类已将资源开发和利用的重点转向了占整个 地球面积71%、蕴藏着丰富自然资源的海洋。我国已于20世纪末制定了21世 纪海洋强国战略,其宗旨是将我国建设成为世界级的海洋强国。在这一世纪性 战略中,海洋测量作为人类一切海洋活动的基础,必将扮演着十分重要的作 用。 随着电子、计算机、信息等相关技术的迅速发展,当今的海洋测量正呈现蓬 勃的立体发展态势。在这一大背景下,基于船载测量设备的海洋调查和勘测技 术、手段及方法在我国也取得了日新月异的成就,尤其是自20世纪90年代引进 的多波束系统,无论是测点的精度、密度和代表性,均是以往传统水下地形测量 方法所不能比拟的,真正地实现了从“点”、“线”水下地形测量到条带式、全覆 盖、“面”测量的变革,给我们真实、详细地呈现出了海底的精细地形和地貌,使 人类能够首次全面地认识“漆黑”的海底世界。然而,由于多波束系统引进的时 间较短,我国对该系统的认知还基本处于初始阶段,许多拥有多波束系统的测量 单位到目前为止还停留在依照系统参考手册和操作规范实施作业的初始应用阶 段,远没有最大限度地发挥该系统的应用潜力。另外,由于对相关知识的了解和 认识不足,系统的应用远没有达到预期的精度。 为了改善多波束系统在我国当前的应用状况,提高系统的应用和开发潜力, 本书围绕多波束系统具有测深和获取声呐图像两大功能,在论述多波束系统的 发展历史和工作原理的基础上,对多波束测量中涉及的平面基准及其相互转换、 潮汐调和分析及海洋垂直基准面、声速及声线跟踪、辅助参数的测定、滤波及补 偿、多波束测深数据滤波、基于已有软件的多波束数据处理过程及分析、声强数 据的处理及声呐图像的形成、声呐图像的处理、多波束声呐图像的应用、多波束 测量信息和侧扫声呐测量信息的融合等主题展开了深人的研究,详细地介绍了 这些研究目前取得的最新进展研究所采用的理论和方法,同时还给出了这些理 论和方法的实际应用效果。这些研究成果对从事多波束研究和实际工程应用具 有一定的借鉴作用。 本书共分12章,第1至2章主要由刘经南院士赵建虎完成,着重介绍了船 多波東测深及图像数据处理 载测深系统的发展历史以及多波束数据处理技术的现状和发展趋势,第3至8 章着重介绍了测深数据的处理方法、理论及实际应用。在这部分中,从第3章到 第7章由赵建虎和刘经南院士完成,第8章由陈义兰、杨琨、吴永亭、周丰年完 成;第9至11章着重介绍了基于多波束回波强度信息所生成的声呐图像的形 成、处理及应用,由赵建虎和刘经南院士完成。第12章在系统分析了多波束和 侧扫声呐测量内容特点的基础上,提出了综合二者测量信息,通过信息的有机融 合处理获取海底高精度声呐图像和高分辨率地形的思想和方法,对二者的信息 融合方法、理论进行了探讨,并对其应用前景进行了展望。 由于本书涉及的内容比较多,许多领域是目前国内外研究的热点问题,加之 作者水平有限,书中有不妥之处,敬请各位专家与读者批评指正。 编者 2007年8月 目录 第1章绪论… 1.1引言 甲鲁··· 船载测深系统的发展历史 1.2.1原始测深方法 看·曲单非·鲁非看P即 ·鲁。看 445 1.2.2常规测深系统…… 1.2.3多波束测深系统 1.2.4多波束测深系统的最新进展 1.2.5我国的多波束测深系统……………… 10 1.3多波束数据处理技术的现状和发展趋势…… 1.3.1声速及其声线跟踪 1.3.2多波束辅助参数的测定和滤波 1.3.3深度数据滤波… 13 1.3.4图像处理…… ………………………13 1.3.5多波束数字信息与侧扫声呐图像信息的融合……………14 1.4本书的结构体系 14 1.5本章小结 15 参考文献 16 第2章多波束系统的工作原理 ·········· ………………18 2.1多波束系统的组成 18 2.2多波束系统的声学原理… 20 2.2.1相长干涉和相消干涉以及换能器的指向性 20 2.2.2换能器基阵的束控… b·●量垂看·杳·有 24 2.2.3波束的形成… ……25 2.3波束的发射、接收流程及其工作模式 鲁自·t··。命 27 2.4波束的能量衰减及其时间增益补偿…… 30 2.5底部检测及系统探测能力的估算…… 30 多波束测深及图像数据处理 2.6波束脚印的归位问题… 31 2.7本章小结 34 参考文献 中自●非·幽 35 第3章平面基准及其相互转换 3.1地心坐标系… 37 3.1.1地心坐标系的定义 ……………………37 3.1.2地心坐标系的建立 38 3.1.3已有的地心坐标系统及其参数 42 3.2参心坐标系 43 3.2.1参心坐标系的定义 43 3.2.2参心坐标系的建立 44 32.3我国常用的参心坐标系及其参数…… 45 3.3坐标系间的相互转换… …………………………………47 3.3.1大地坐标系与空间大地直角坐标系转换的数学模型 47 3.3.2不同的三维空间直角坐标系转换的数学模型 48 3.3.3不同大地坐标系转换的数学模型… 49 3.4高斯投影 ·鲁· 51 3.4.1高斯投影概述 3.4.2椭球面元素到高斯投影面的转换 曾·q。鲁普鲁看曹鲁·鲁 54 3.4.3高斯投影的邻带坐标换算 55 3.5UTM(通用横轴墨卡托)投影… 鲁由申鲁由 56 3.6独立坐标系 58 3.6.1独立坐标系概述 58 3.6.2独立坐标系的建立 58 3.6.3独立坐标系与其他几种典型坐标系的转换 61 3.7本章小节 …63 参考文献 …………63 第4章潮汐调和分析及海洋垂直基准面 ∴64 4.1平衡潮理论…… 64 4.1.1引潮力(势) 64 4.1.2引潮力势的调和展开……… 鲁· 66 4.1.3平衡潮及其主要结论 68 日录 4.1.4实际潮汐的潮高…… 8 4.2潮汐、潮流分析 70 4.2.1潮汐分析… …………………………70 4.2.2潮流分析 …………72 4.2.3溯汐动力学理论 73 4.3垂直基准 76 4.3.1平均海平面……………………………………………77 4.3.2国家高程基准 79 4.3.3海图深度基准面… 80 4.4基准传递与推估… …85 4.4.1短期验潮站平均海平面的确定 85 4.4.2深度基准面传递与推估 87 4.4.3平均海平面和深度基准面的综合传递 88 4.5海洋垂直基准统一框架 89 4.5.1平均海平面作为海洋统一垂直参考基准… 89 4.5.2以椭球面作为海洋统一垂直参考基准… 89 4.6本章小结……………………………………………………92 参考文献 ………………………………………92 第5章声速及声线跟踪 94 5.1海洋声学… ·日 94 5.1.1海洋声速… 96 5.1.2声波在海水中的传播特性………………………………97 5.1.3声道 …100 5.1.4海洋噪声 …………101 5.2海水中声速的确定 …………101 5.2.1声速剖面的直接测量 申鲁·杳· ………102 52.2声速的间接确定 104 5.3基于自组织神经网络的声速剖面分类方法 112 5.3.1SOFM神经网络 112 5.3.2声速剖面的描述 113 5.3.3用于划分声速剖面类别的S0FM神经网络的构造和训练…114 5.3.4实验和分析 115 5.4局域空间声速模型的建立 120 多波東测深及图像数据处理 5.4.1局域空间声速模型的建立 ∴…………………120 5.4.2实践及分析…… ……………………121 5.5声线跟踪法 124 5.5.1 Harmonic平均声速 125 5.5.2基于层内常声速假设下的声线跟踪算法… 126 5.5.3基于层内常梯度假设下的声线跟踪算法 127 5.6等效声速剖面法 128 5.6.1一个重要事实的证明 128 5.6.2误差修正法 129 56.3等效声速剖面法 130 5.7声线跟踪过程及各方法的比较 鲁鲁·着·。鲁非·。 …132 5.7.1声线跟踪法的计算过程 132 5.7.2误差修正法和等效声速剖面法的计算过程 133 5.7.3各种方法的比较 134 58实践及分析……… ……135 5.9声速对多波束测量成果的影响…… 4·· 137 5.9.1声速剖面测量误差的产生 …………………………137 5.9.2声速误差的影响 138 5.10本章小结………… …………141 参考文献 141 第6章辅助参数的测定、滤波及补偿 …………143 6.1多波束测量中的定位技术 ●寺章萨。 143 6.2局部无缝垂直参考基准面的建立 146 6.2.1精密局域大地水准面的确定 147 6.2.2局域海图基准高程模型的建立 p●曹D● 148 62.3建立 Saint John河无缝垂直参考基准的实践和过程分析……148 6.3GPS船姿测量… ····“·· 156 6.3.1坐标系统的定义及其相互关系 156 6.3.2船体姿态测量原理… 157 6.3.3实验及分析 158 6.4船姿分析及其补偿… l61 6.4.1船姿受动因素分析 161 6.4.2船姿对多波束测量的影响 ……………………162 【实例截图】
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本书详细讲解了多波束测深的原理、侧扫声呐在海底地形绘制、水下目标识别的应用、可以供水声等相关专业科研人员参考
国家“十一五”重点图书 地球空间信息学丛书/李德仁主编 多波束测深 及图像数据处理 ■赵建虎刘经南著 WUHAN UN∨ ERSITY PRESS 武汉大学出版社 图书在版编目(CIP)数据 多波束测深及图像数据处理/赵建虎,刘经南著.一武汉:武汉大学出 版社,2008.9 国家“十一五”重点图书 地球空间信息学丛书/李德仁主编 ISBN978-7-307065000 Ⅰ.多…Ⅱ.①赵…②刘…Ⅲ.海洋测量一测深一卫星图像一图 像处理Ⅳ.P229-39 中国版本图书馆CP数据核字(2008)第129252号 责任编辑:任翔 责任校对:黄添生 版式设计:马佳 出版发行:武汉大学出版社(430072武昌珞珈山) (电子邮件:wdp4@whu.edu.cn网址:ww.wdp.com.cn) 印刷:武汉中远印务有限公司 开本:720×10001/16印张:24.25字数:446千字插页:1 版次:2008年9月第1版 208年9月第1次印刷 ISBN978-7-30706500-0/P·138 定价:45.00元 版权所有,不得翻印;凡购我社的图书,如有缺页、倒页、脱页等质量问题,请与当地图书销售 部门联系调换。 前言 随着陆地资源的还渐匮乏,人类已将资源开发和利用的重点转向了占整个 地球面积71%、蕴藏着丰富自然资源的海洋。我国已于20世纪末制定了21世 纪海洋强国战略,其宗旨是将我国建设成为世界级的海洋强国。在这一世纪性 战略中,海洋测量作为人类一切海洋活动的基础,必将扮演着十分重要的作 用。 随着电子、计算机、信息等相关技术的迅速发展,当今的海洋测量正呈现蓬 勃的立体发展态势。在这一大背景下,基于船载测量设备的海洋调查和勘测技 术、手段及方法在我国也取得了日新月异的成就,尤其是自20世纪90年代引进 的多波束系统,无论是测点的精度、密度和代表性,均是以往传统水下地形测量 方法所不能比拟的,真正地实现了从“点”、“线”水下地形测量到条带式、全覆 盖、“面”测量的变革,给我们真实、详细地呈现出了海底的精细地形和地貌,使 人类能够首次全面地认识“漆黑”的海底世界。然而,由于多波束系统引进的时 间较短,我国对该系统的认知还基本处于初始阶段,许多拥有多波束系统的测量 单位到目前为止还停留在依照系统参考手册和操作规范实施作业的初始应用阶 段,远没有最大限度地发挥该系统的应用潜力。另外,由于对相关知识的了解和 认识不足,系统的应用远没有达到预期的精度。 为了改善多波束系统在我国当前的应用状况,提高系统的应用和开发潜力, 本书围绕多波束系统具有测深和获取声呐图像两大功能,在论述多波束系统的 发展历史和工作原理的基础上,对多波束测量中涉及的平面基准及其相互转换、 潮汐调和分析及海洋垂直基准面、声速及声线跟踪、辅助参数的测定、滤波及补 偿、多波束测深数据滤波、基于已有软件的多波束数据处理过程及分析、声强数 据的处理及声呐图像的形成、声呐图像的处理、多波束声呐图像的应用、多波束 测量信息和侧扫声呐测量信息的融合等主题展开了深人的研究,详细地介绍了 这些研究目前取得的最新进展研究所采用的理论和方法,同时还给出了这些理 论和方法的实际应用效果。这些研究成果对从事多波束研究和实际工程应用具 有一定的借鉴作用。 本书共分12章,第1至2章主要由刘经南院士赵建虎完成,着重介绍了船 多波東测深及图像数据处理 载测深系统的发展历史以及多波束数据处理技术的现状和发展趋势,第3至8 章着重介绍了测深数据的处理方法、理论及实际应用。在这部分中,从第3章到 第7章由赵建虎和刘经南院士完成,第8章由陈义兰、杨琨、吴永亭、周丰年完 成;第9至11章着重介绍了基于多波束回波强度信息所生成的声呐图像的形 成、处理及应用,由赵建虎和刘经南院士完成。第12章在系统分析了多波束和 侧扫声呐测量内容特点的基础上,提出了综合二者测量信息,通过信息的有机融 合处理获取海底高精度声呐图像和高分辨率地形的思想和方法,对二者的信息 融合方法、理论进行了探讨,并对其应用前景进行了展望。 由于本书涉及的内容比较多,许多领域是目前国内外研究的热点问题,加之 作者水平有限,书中有不妥之处,敬请各位专家与读者批评指正。 编者 2007年8月 目录 第1章绪论… 1.1引言 甲鲁··· 船载测深系统的发展历史 1.2.1原始测深方法 看·曲单非·鲁非看P即 ·鲁。看 445 1.2.2常规测深系统…… 1.2.3多波束测深系统 1.2.4多波束测深系统的最新进展 1.2.5我国的多波束测深系统……………… 10 1.3多波束数据处理技术的现状和发展趋势…… 1.3.1声速及其声线跟踪 1.3.2多波束辅助参数的测定和滤波 1.3.3深度数据滤波… 13 1.3.4图像处理…… ………………………13 1.3.5多波束数字信息与侧扫声呐图像信息的融合……………14 1.4本书的结构体系 14 1.5本章小结 15 参考文献 16 第2章多波束系统的工作原理 ·········· ………………18 2.1多波束系统的组成 18 2.2多波束系统的声学原理… 20 2.2.1相长干涉和相消干涉以及换能器的指向性 20 2.2.2换能器基阵的束控… b·●量垂看·杳·有 24 2.2.3波束的形成… ……25 2.3波束的发射、接收流程及其工作模式 鲁自·t··。命 27 2.4波束的能量衰减及其时间增益补偿…… 30 2.5底部检测及系统探测能力的估算…… 30 多波束测深及图像数据处理 2.6波束脚印的归位问题… 31 2.7本章小结 34 参考文献 中自●非·幽 35 第3章平面基准及其相互转换 3.1地心坐标系… 37 3.1.1地心坐标系的定义 ……………………37 3.1.2地心坐标系的建立 38 3.1.3已有的地心坐标系统及其参数 42 3.2参心坐标系 43 3.2.1参心坐标系的定义 43 3.2.2参心坐标系的建立 44 32.3我国常用的参心坐标系及其参数…… 45 3.3坐标系间的相互转换… …………………………………47 3.3.1大地坐标系与空间大地直角坐标系转换的数学模型 47 3.3.2不同的三维空间直角坐标系转换的数学模型 48 3.3.3不同大地坐标系转换的数学模型… 49 3.4高斯投影 ·鲁· 51 3.4.1高斯投影概述 3.4.2椭球面元素到高斯投影面的转换 曾·q。鲁普鲁看曹鲁·鲁 54 3.4.3高斯投影的邻带坐标换算 55 3.5UTM(通用横轴墨卡托)投影… 鲁由申鲁由 56 3.6独立坐标系 58 3.6.1独立坐标系概述 58 3.6.2独立坐标系的建立 58 3.6.3独立坐标系与其他几种典型坐标系的转换 61 3.7本章小节 …63 参考文献 …………63 第4章潮汐调和分析及海洋垂直基准面 ∴64 4.1平衡潮理论…… 64 4.1.1引潮力(势) 64 4.1.2引潮力势的调和展开……… 鲁· 66 4.1.3平衡潮及其主要结论 68 日录 4.1.4实际潮汐的潮高…… 8 4.2潮汐、潮流分析 70 4.2.1潮汐分析… …………………………70 4.2.2潮流分析 …………72 4.2.3溯汐动力学理论 73 4.3垂直基准 76 4.3.1平均海平面……………………………………………77 4.3.2国家高程基准 79 4.3.3海图深度基准面… 80 4.4基准传递与推估… …85 4.4.1短期验潮站平均海平面的确定 85 4.4.2深度基准面传递与推估 87 4.4.3平均海平面和深度基准面的综合传递 88 4.5海洋垂直基准统一框架 89 4.5.1平均海平面作为海洋统一垂直参考基准… 89 4.5.2以椭球面作为海洋统一垂直参考基准… 89 4.6本章小结……………………………………………………92 参考文献 ………………………………………92 第5章声速及声线跟踪 94 5.1海洋声学… ·日 94 5.1.1海洋声速… 96 5.1.2声波在海水中的传播特性………………………………97 5.1.3声道 …100 5.1.4海洋噪声 …………101 5.2海水中声速的确定 …………101 5.2.1声速剖面的直接测量 申鲁·杳· ………102 52.2声速的间接确定 104 5.3基于自组织神经网络的声速剖面分类方法 112 5.3.1SOFM神经网络 112 5.3.2声速剖面的描述 113 5.3.3用于划分声速剖面类别的S0FM神经网络的构造和训练…114 5.3.4实验和分析 115 5.4局域空间声速模型的建立 120 多波東测深及图像数据处理 5.4.1局域空间声速模型的建立 ∴…………………120 5.4.2实践及分析…… ……………………121 5.5声线跟踪法 124 5.5.1 Harmonic平均声速 125 5.5.2基于层内常声速假设下的声线跟踪算法… 126 5.5.3基于层内常梯度假设下的声线跟踪算法 127 5.6等效声速剖面法 128 5.6.1一个重要事实的证明 128 5.6.2误差修正法 129 56.3等效声速剖面法 130 5.7声线跟踪过程及各方法的比较 鲁鲁·着·。鲁非·。 …132 5.7.1声线跟踪法的计算过程 132 5.7.2误差修正法和等效声速剖面法的计算过程 133 5.7.3各种方法的比较 134 58实践及分析……… ……135 5.9声速对多波束测量成果的影响…… 4·· 137 5.9.1声速剖面测量误差的产生 …………………………137 5.9.2声速误差的影响 138 5.10本章小结………… …………141 参考文献 141 第6章辅助参数的测定、滤波及补偿 …………143 6.1多波束测量中的定位技术 ●寺章萨。 143 6.2局部无缝垂直参考基准面的建立 146 6.2.1精密局域大地水准面的确定 147 6.2.2局域海图基准高程模型的建立 p●曹D● 148 62.3建立 Saint John河无缝垂直参考基准的实践和过程分析……148 6.3GPS船姿测量… ····“·· 156 6.3.1坐标系统的定义及其相互关系 156 6.3.2船体姿态测量原理… 157 6.3.3实验及分析 158 6.4船姿分析及其补偿… l61 6.4.1船姿受动因素分析 161 6.4.2船姿对多波束测量的影响 ……………………162 【实例截图】
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