多波束测深和图像数据处理
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ISBN978-7-307065000Ⅰ.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4451.2.2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………………101.3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…131.3.4图像处理……………………………131.3.5多波束数字信息与侧扫声呐图像信息的融合……………141.4本书的结构体系141.5本章小结15参考文献16第2章多波束系统的工作原理··········………………182.1多波束系统的组成182.2多波束系统的声学原理…202.2.1相长干涉和相消干涉以及换能器的指向性202.2.2换能器基阵的束控…b·●量垂看·杳·有242.2.3波束的形成………252.3波束的发射、接收流程及其工作模式鲁自·t··。命272.4波束的能量衰减及其时间增益补偿……302.5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…312.7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…373.1.1地心坐标系的定义……………………373.1.2地心坐标系的建立383.1.3已有的地心坐标系统及其参数423.2参心坐标系433.2.1参心坐标系的定义433.2.2参心坐标系的建立4432.3我国常用的参心坐标系及其参数……453.3坐标系间的相互转换……………………………………473.3.1大地坐标系与空间大地直角坐标系转换的数学模型473.3.2不同的三维空间直角坐标系转换的数学模型483.3.3不同大地坐标系转换的数学模型…493.4高斯投影·鲁·513.4.1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543.4.3高斯投影的邻带坐标换算553.5UTM(通用横轴墨卡托)投影…鲁由申鲁由563.6独立坐标系583.6.1独立坐标系概述583.6.2独立坐标系的建立583.6.3独立坐标系与其他几种典型坐标系的转换613.7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∴644.1平衡潮理论……644.1.1引潮力(势)644.1.2引潮力势的调和展开………鲁·664.1.3平衡潮及其主要结论68日录4.1.4实际潮汐的潮高……84.2潮汐、潮流分析704.2.1潮汐分析……………………………704.2.2潮流分析…………724.2.3溯汐动力学理论734.3垂直基准764.3.1平均海平面……………………………………………774.3.2国家高程基准794.3.3海图深度基准面…804.4基准传递与推估……854.4.1短期验潮站平均海平面的确定854.4.2深度基准面传递与推估874.4.3平均海平面和深度基准面的综合传递884.5海洋垂直基准统一框架894.5.1平均海平面作为海洋统一垂直参考基准…894.5.2以椭球面作为海洋统一垂直参考基准…894.6本章小结……………………………………………………92参考文献………………………………………92第5章声速及声线跟踪945.1海洋声学…·日945.1.1海洋声速…965.1.2声波在海水中的传播特性………………………………975.1.3声道…1005.1.4海洋噪声…………1015.2海水中声速的确定…………1015.2.1声速剖面的直接测量申鲁·杳·………10252.2声速的间接确定1045.3基于自组织神经网络的声速剖面分类方法1125.3.1SOFM神经网络1125.3.2声速剖面的描述1135.3.3用于划分声速剖面类别的S0FM神经网络的构造和训练…1145.3.4实验和分析1155.4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∴…………………1205.4.2实践及分析…………………………1215.5声线跟踪法1245.5.1 Harmonic平均声速1255.5.2基于层内常声速假设下的声线跟踪算法…1265.5.3基于层内常梯度假设下的声线跟踪算法1275.6等效声速剖面法1285.6.1一个重要事实的证明1285.6.2误差修正法12956.3等效声速剖面法1305.7声线跟踪过程及各方法的比较鲁鲁·着·。鲁非·。…1325.7.1声线跟踪法的计算过程1325.7.2误差修正法和等效声速剖面法的计算过程1335.7.3各种方法的比较13458实践及分析……………1355.9声速对多波束测量成果的影响……4··1375.9.1声速剖面测量误差的产生…………………………1375.9.2声速误差的影响1385.10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…………1436.1多波束测量中的定位技术●寺章萨。1436.2局部无缝垂直参考基准面的建立1466.2.1精密局域大地水准面的确定1476.2.2局域海图基准高程模型的建立p●曹D●14862.3建立 Saint John河无缝垂直参考基准的实践和过程分析……1486.3GPS船姿测量…····“··1566.3.1坐标系统的定义及其相互关系1566.3.2船体姿态测量原理…1576.3.3实验及分析1586.4船姿分析及其补偿…l616.4.1船姿受动因素分析1616.4.2船姿对多波束测量的影响……………………162
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基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真
基于GIS模型的林火蔓延计算机仿真 地理信息系统东北林业大学学报第36卷表4地形阻尼系数蔓延算法就显得较粗糙。边界外延算法计算量大,主要体现下山火上山火在排序、査找方面,可以通过减少这方面的计算量而达到提高坡度/(°)阻尼系数K2坡度(°)阻尼系数K2速度的目的。边界外延算法与迷宫算法的结果完全一样,但42~0.0738~421750从编程的角度看,迷宫算法较易实现,而且速度不是很慢,所0.1333~371010以在文中采用迷宫算法。28~30.3223~2722~-180.4618~22NWNNE-17~-130.63火点E0.830.90SESE-2~21.003林火蔓延模拟算法分析与选择图2林火的蔓延方向31边界插值算法4林火蔓延的计算机仿真与实现边界插值算法基于栅格数据,它对于火场边界的计算是林火蔓延的计算机仿真主要分为4个步骤:第一、建立林通过插值的方法来实现,它只计算从初始火点出发的8个方火蔓延的空间背景数据库,其空间背景数据库包括可燃物类向,森林起火后,火源点向8个方向蔓延,分别为正东、正南、型数据、坡度数据、高程数据,并且它们要以栅格数据形式存正西、正北和东南、东北、西南、西北。设火点的位置为行列号储,因为文中研究的林火蔓延仿真基于棚格数据结构;第二、(讠),各方向上只计算从火源点出发的该方向上的栅格,其把王正非的数学林火蔓延模型转换为计算机模型;第三、根据余栅格不计算。当各方向上的计算时间超过给定的林火蔓延输入的起火点的位置坐标,蔓延时间、风速及方向,在背景数时间时,就停止计算,并记录下各方向的栅格行列号,再反映据库之上对火场扩展进行动态模拟显示;第四、计算林火的蔓到具体地形上,则可得到火场状况的直观表示,再依据这8个延面积及火线周长等数据。具体流程如图3所示。终结点进行插值运算,形成封闭的火场边界。空间背景数据库32边界外延算法坡边界外延算法从火蔓延所具备的两个特性(时间和空间)出燃度程发来考虑,在假设没有二次燃烧等情况下,林火表现为从已燃区物向未燃区延烧的性质,它反映为林火在地理位置上的变化和时间的延续上,林火燃烧的路径总是遵循在诸多可到达的路径中选择林火蔓延模型最快到达的那一条,因此,它的路径并不一定是空间上的最短路(王正非林火蔓延模型)径。边界外延算法乜是基于栅格数据的蔓延算法,实施此算法的步骤是:记录每次加入一新的起燃栅格后形成的林火边界,在可像元起火特征计算机与数学知识蔓延边界相邻栅格集合中,搜索其各方向上所需时间最短的栅火点坐标蔓延时间格,并以此栅格作为下一个引燃栅格;对此栅格进行林火边界的风速风句林火蔓延计算机模拟判断,同时对该栅格的加入所导致的原有边界集合的变动作调整,然后再进入下一步循环,直至满足模拟时间为止。火场扩展图统计和计算火场动态模拟33迷宫算法图3火场蔓延的计算机仿真流程迷宫算法以栅格数据为基础,以火点为起点,从正东起沿41试验区空间背景数据库的建立顺时针方向,其八方邻位可表示为:E、 SE S SW、W、N、NNE。每一点向外扩散有8个方向的选择,如图2所示。从正釆用栅格数据进行林火蔓延模拟仿真,即将G丶中所输东开始,沿顺时针方向检测,每探测到某一方向,计算累积时入的矢量的图形数据(地形图、林相图等)转换成栅格数据,间∑t。若∑t小于给定的扩展蔓延时间T,且该方位没有走因此、模拟的过程就是对所有的栅格点处理的过程,每个栅格点所代表的长和宽(分辨率)越小,模拟的精度越高。考虑到过或是原先累积时间大于∑t就沿此方向走一步,并记下所数据的处理及计算机计算的速度,每一图形数据的栅格化都走的路径和方位,存放在堆栈或库中,同时将累积时间修改为∑t累积时间可用二维数组存放,初值置为零。如果探测到釆用30m×30m栅格精度。试验区背景数据库的建立主要某一方位四周的∑t值均大于或等于T,则退回一步重新检测需要3种专题数据分别为高程数据、坡度数据、可燃物类型数据。其中:前两种专题数据是利用现有的帽儿山数字等高线下一个方位,当初始火点四周的8个方位都已检测完毕,则蔓数据,通过 a rcv iew的3扩展模块生成;可燃物类型数据通延过程结束。最终二维数组中所存放的累积时间∑t均小于过帽儿山数字林相图进行再分类获得,并将可燃物类型数据转化是满足条件的像元集合,它们所形成的集合反映在图像当中为(RD栅格形式存储。文中所应用到的数据如表5所示。就是模拟的火场表5栅格数据34算法的选择名称数据格式数据类型描述边界插值算法不考虑蔓延过程中每个起燃栅格向8个邻 V ege tation ESR IGR D NTEGER可燃物类型数据格蔓延的可能,因而计算较简单,但是此算法人为地简化了林ElevationESR IGR DNTEGER高程数据火蔓延的复杂性,对于大范围的地形变化较复杂的地区,林火ShESR I GRⅢN TEGER坡度数据C1994-2011ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net第9期毛学刚等:基于G模型的林火蔓延计算机仿真4142林火蔓延速度的计算难,因为不管用何种方法,都回避不了对可燃物、气象和地形在进行蔓延计算前,需婁先形成速度图文件,在林火蔓延的等因素的考虑,因而,火场蔓延模型的建立非常重要。文中结计算机仿真中最基夲的是林火的蔓延速度,通过速度图文件,可合帽儿山的实际情况建立了火行为的蔓延模型,并以Ⅴ isual以直观地得到可燃物蔓延速度的情况。形成速度图,具体来说,C++60为主要可视化开发厂具,采用先进的COM技术,成是对通过GS获得的各种薮据(可燃物类型数据、髙程数据和坡功地实现了基于G丶模型的林火蔓延计算机仿真度数椐)逐点进行处理,通过栅格的行列号得到栅格图像上与行目前的林火蔓延模型都是针对林火的始发阶段,今后对列号相对应的点的属性值,如可燃物类型、高程、坡度等信息,然森林大火和特大火的模型硏究将成为重点。林火蔓延模拟的后根据所选王正非蔓延模型并考虑实时参数,如发生火灾时的风研究也将向三维、立体的方向发展。随着对林火研究的深入,向、风速等信息计算出该点的林火蔓延速度,并将此速度值赋给也出现了一些新的林火研究方法,如突变理论、元胞自动该点这样形成的点集合在蔓延模拟中用作中间调用数据,称为机模拟林火蔓延、统计物理学方面的渗透理论、分形理速度图。速度图的生成由Ⅴ ialc++60编程实现。论2等,它们与计算机技术的结合必将对林火蔓延的研究做43林火蔓延动态显示出贡献。林火蔓延的动态显示是林火蔓延仿真中最关键的一步,参考文献主要利用Ⅴ isual c++60编程实现,其主要过程为:第一、从背景数据库中读入可燃物类型和高程数据;第二、根据输入的「1]黄作维.基于G和RS的林火行为预测研究[J西北林学院学报,20621(3):94-97风向、风速参数,利用王正非林火蔓延模型计算岀林火的蔓延「2」朱煌武,朱霁平,谢庆胜,等.基于地理信息系统的森林火灾救速度;第三、将计算结果在空间背景薮据库上输出。动态模拟辅助决策系统的研究[J.自然灾害学报,19998(1):60-70不同风向、风速的结果,如图4所示。[3 PerryG M, Sparrow A D, Ow ens I F AGs- supported modelbr the simu lation of the spatial stru cture of w iH land fire Cass barsin New Zealnd[ J]. Jou n al of a pp lied E coby, 1999 36(4)50-5184] Weber rα唐世敏.野火蔓延的数学模型[J力学与实践,199214(2):1-12I5 Rothemelr c. a m athem atical m odel for p red ct ng fire spreadw iH land fuels[R]. USDA: Forest Service R esearch Paper 1972113-115[6]毛贤敏.风和地形对林火蔓延速度的作用[小应用气象学报,1993,4(1):100-1047]温广玉,刘勇.林火蔓延模型的数学应用[J东北林业大学学报,19422(2):31-368]郑焕能,胡海清.东北东部山地可燃物类型的研究[J.森林防火,1990(4):10-13「9]钟茂华,范维澄,王清安.林火蔓延突变形态的模拟实验研究[J.自然科展,200010(4):330-353图4不同风速和风向的林火蔓延10]邬伦.地理信息系统一原理、方法和应用[M]北京:科学出版社,2000241-2465结论与展望「1]姚树人,火灾模型和辅助决策系统的现代发展[J.森林防火,1994(12):59-62从林火蔓延的硏究看,目前要做到精确的预测还比较困12]薄颖生,韩恩贤,韩刚,等.森林火灾自相似性质及其在林火管理中的应用研究初探[小森林防火,1997(3):20)-22perenne la l( Rannunau hus repe").I:wha"为adma[21李根前,黄宝龙,唐德瑞,等毛乌素沙地中国沙棘无性系生长(上接32页)10 Lovett Dous tL Popu at in dynam cs and spec ia ization格局与生物量分配[J西北农林科技大学学报:自然科学版m e2001,29(2):51-55con trast ing hab ita ts[J. Joumal ofe cology,1981.69743-7552李根前,赵粉侠,李秀寨,等.毛乌素沙地中国沙棘种群数量动11 Lovett Dous tL Popu ht on dynam is and chn al specialization in a态研究[J.林业科学,2004,40(1):180-184canal perens ial( Ranuna hus repens).l: responses to light and[23]贺斌,李根前,高海银,等.不同土壤水分条件下中国沙棘克险nu trient supply[ J]. Joumal of e co logy, 1987, 75 555-568生长的对比研究[J.云南大学学报:自然科学版,200729[12]王昱生,盖晓春.羊草无性系植物种群觅养生长格局与资源分(1):101-107配的研究[J植物生态学报,1995194:293-30124]贺斌,李根前,李周岐,等.木本克隆植物中国沙棘种群数量与13] Luo XG, DongM. A rch itec tu re p last city in response to soil mo is结构对土壤水分的响应[小西北农林科技大学学报:自然科hu re n the s tlon ife rou s herb Duchesnea ind iaa[ J. A cta Botan ica学版,2007,35(3):183-187Sinica200244(1):97-10025]赵成义,宋郁东,王玉潮,等.几种荒漠植物地上生物量估算的[14]刘庆,钟章成无性系植物种群生态学研究进展及有关概念初步研究[J应用生态学报,200415(1):49-52生态学杂志,19514(3):40-4「26刘佩勇,张庆灵,杨允菲松嫩平原朝鲜碱茅无性系种群构件生物5]刘庆,钟章成斑苦竹无性奈生长与水分供应及其适应对策的量结构及相关模型分析[小应用生态学报,20415(4):543-548研究[J.植物生态学报,199620(3):245-254I 27] A lpert P. N itrogen sharing am ong ram ets ncreases clonal grow th i[16]岳春雷,汪奎宏,何奇江,等.不同氮素条件下雷竹克隆生长的Frag aria chiloe sis[ J. Ecog y, 1991 72: 69-80比较研究[J.竹子研究汇刊,200221(1:38-40I 28 Evans JP. The effect of bcal resou Ice a vailab ility and clonal inte-[17]杨在娟,岳春雷,汪奎宏.光照强度对竹无性系生长的影响gration on ram et fun ct ina I m orphobgy in H ydroco le bonarien sisJ.0 eco log ia199289265-276I18」陈玉福,董鸣.毛乌素沙地根茎灌木羊柴的基株特征和不同生境中29董鸣.异质性生境屮的植物克隆生长:风险分摊[J植物生态的分株种群特征[J植物生态学报,2024(1):40-45学报,199620(6):543-54819]李根前,黄宝龙,唐德瑞,等.毛乌素沙地中国沙棘无性系生长[30] Pan JJ Price Js Fimess and evoht in n canal plan ts the mpact调节[J.应用生态学报,200,12(5):682-686of canal grow th[ J]. E volt inary Ecobgy 2002 15 583-600[》0]李根前,黄宝龙,唐德瑞,等.毛乌素沙地中国沙棘无性系种群311 Schm i b same ecological and ev oht in ary consequen ces ofm od年龄结构动态与遗传后果研究[J.应用生态学报,2001,12u ar org an iat in and chn al grow th in plants[ J]. Evoh tionaryC153432613chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAimnrigntsreservedhttp://www.cnki.net
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