[01607100]高精度高分辨率海底地形地貌信息获取理论方法及应用

1.任务来源 （1）国家863：地形地貌与地磁水下组合导航定位关键技术研究（2009AA12Z311）。（2）国家自然科学基金：基于信号合成的近岸多波束换能器瞬时高程精确确定（40776048）。（3）国家自然科学基金：近岸多波束和侧扫声纳测量信息的融合方法研究（40976061）。（4）国土资源部海洋127项目：天然气水合物海底浅表层声学探测数据处理技术研究（GZH201100307010201）。 2.技术原理及技术指标 （1）精密测深及数据处理 提出了一种基于GNSS、独立于潮位的、全新测深作业模式和数据处理理论与方法,提高了测深效率和地形成果精度。根据声速场变化的正交性,提出了基于经验正交函数系数的声速空间场建模理论;根据简单、复杂声速剖面（SVP）声线跟踪深度差与SVP面积差的相关性,提出了等效声速剖面法。提出借助GNSS技术的潮位测量及自适应提取方法,无缝深度基准面的物理构建法,解决了GNSS高精度测深和验潮成果转换及应用的难题。根据诸因素的影响机理,提出了基于地形频谱特征的残余误差综合影响削弱方法,提高了测深成果精度。 （2）高质量地貌图像处理 根据侧扫声呐的成像机理以及图像处理理论,给出了海底地貌图像的最优消噪方法;根据复杂海洋环境下水柱区图像的峰谷变化特点提出了海底线最后峰值检测法,根据双换能器成像机理和地形变化机制,提出了阈值法、最后峰值法、对中原则和地形连续变化原则相结合的海底线自动化综合探测法;根据声呐条带图像共视目标,借助SURF算法,提出来了基于共视目标的分块匹配算法以及弹性匹配算法,实现了条带图像的准确配置,消除了拖曳定位不准给海底地貌特征位置和形状带来的影响。 （3）基于2D声呐图像的3D海底地形恢复 根据声波在海底传播的过程及声强变化,给出海底反射模型;借助光照理论,给出基于高分辨率声呐图像的海底形状最优反演算法;通过实际地形与反演地形间的相关性,提出基于外部水深约束的相对地形向绝对地形的反演算法,实现了高精度高分辨海底地形的获取。 精度指标：测深方面：30m以浅,优于10cm;30m以深,优于0.5水深‰。声呐图像处理：海底线提取精度0.2m,图像拼接精度1m,将传统配准精度提高了8倍。地形反演：与实测地形精度相当,分辨率提高20倍。 3.创新性与先进性 1)在高精度测深方面 首次提出了基于往返地形一致性的时延探测方法,实现了0.01s的时延探测精度,将传统方法探测精度提高了1个数量级; 提出的声速空间场分层建模理论和方法将传统内插法精度提高了3倍以上;提出的等效声速剖面法,不失精度,将传统深度计算效率提高了10倍以上;首次提出的基于地形频谱特征的残余误差系统性综合影响削弱方法,取得了优于0.5‰水深的成果精度,精度远高于IHO-44标准（0.25m+7.5‰水深）。浅水区,提出的基于多传感器融合的换能器瞬时高程确定方法,将传统测深精度提高了2倍以上; 提出GNSS走航/锚定潮位测量方法,作用距离可达到100km;远距离验潮精度优于8cm;研制的基于多传感器集成的浮球漂流水位测量系统,首次解决了大流速、高落差水域水位测量问题,精度优于5cm;首次提出的基于GNSS锚定潮位的深度基准面确定方法,100km范围内实现了优于6.5cm的确定精度。 给出的大区域似大地水准面建模方法300km河段内实现了优于2cm建模精度,与水准测量精度相对;提出的无缝深度基准面无论建模法实现了4.6cm的建模精度;提出的海洋无缝垂直基准面转换模型构建方法分别实现了3.0cm的似大地水准面建模精度、4.5cm的无缝深度基准面建模精度及5.4cm的综合转换精度,而国内尚未达到该应用精度。 2)高质量声呐图像处理方面 首次完整地给出了适合多态海洋环境下的声呐图像处理理论方法,目前在国内尚无相关文献发表;提出了最后峰值检测法,以及由阈值法、最后峰值法、对中原则和地形连续变化原则相结合的综合探测法,实现了海底线的自动跟踪。提出了基于共视目标的分块匹配算法以及弹性匹配算法,实现了条带图像的准确配置,消除了拖曳定位不准给海底地貌特征位置和形状带来的影响,为国内外首创。给出理论方法处理所得海底地貌图像的质量远高于SonarWeb和Discover国际通用软件的处理效果。 3)2D声呐图像反演3D海底绝对地形方面,国内外尚未见到相关文献。与测深同等级精度下,分辨率高于测深50倍的海底地形。 4)首次在国内形成了高精度高分辨率海底地形地貌信息数据处理软件体系,填补了我国在该领域的空白。 4.成熟程度及适用范围、安全性。相对成熟,适用于海洋科学研究及海洋勘查、海洋资源调查、海事、航道码头建设等海洋工程领域。 5.应用情况：成果先后在近10余家单位200多个项目中得到了应用,应用效果较好。