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[硕士论文] 赵春霞
海洋测绘 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:多波束声呐系统是探测海底地形地貌的主要设备之一,不仅能够获得水下地形图,还可同时获取高分辨率声呐图像,为大范围海底底质分类提供一种可行的手段。然而,由于海洋环境及声呐系统本身的复杂性,多波束反向散射数据存在大量误差,势必影响其在海底底质分类中的应用。其中,海底地形起伏及镜面回波带来的误差最为显著,前者会造成波束海底入射角及声照区面积计算不准确;而后者会造成船底正下方出现条带状异常假象,是声呐图像中难以处理的系统误差之一。为此,本文严密推导了海底三维入射角及有效声照射面积的计算公式,然后重点研究了船底正下方条带状异常假象的改正方法,对有效利用多波束反向散射数据进行海底底质分类具有重要意义。主要工作如下:
  (1)在前人研究的基础上,构建了海底三维入射角的计算模型。基于多波束点云归位模型及海底地形模型,本文顾及了换能器三轴安装偏差角、船体姿态、声线弯曲及海底地形等因素,详细推导了海底真实入射角的实用公式,提高了入射角计算的准确度,易于编程实现。
  (2)构建了顾及海底局部倾斜的有效声照射面积计算模型。本文首先分析了影响有效声照射面积的不确定性因素,然后通过分析海底倾角分别对波束脚印面积及声脉冲照射面积的影响,精确推导了顾及海底局部倾斜的有效声照射面积的计算公式,与平坦海底假设结果相比,本文公式计算结果更符合海底实际起伏情况。
  (3)针对声呐图像中船底正下方区域条带状异常假象,提出了一种等均值方差拟合模型的改正方法。本文系统分析了该类假象的影响因素及表现,考虑到海底底质具有区域性平稳变化特征,船底正下方区域的数据变化程度及趋势应与两侧相同,故本文模型利用异常区域两侧一定范围内回波强度的均值和方差,压缩和移动船底正下方区域数据,算法物理意义明确。既有效利用了异常区域的原始采集信息,保留了船底正下方区域相对反向散射强度关系,又能有效去除条带状异常假象。文中用实测数据验证了算法的可行性。
[硕士论文] 马丹
大地测量学与测量工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:多波束测深系统能够在与航线垂直的方向上采集成百上千个数据点,从而准确快速高分辨率地表达出海底地形地貌,从而为海底地形精细表达提供数据基础。海底地形可视化表达技术可利用多波束测深系统获取的全覆盖离散数据生成海底数字高程模型,并通过叠加颜色渲染及光照效果等方法,建立真实感的三维海底场景,能够真实、直观的描述海底地形,是人类了解、认识海底环境的重要手段。因此,海底地形可视化方面的研究在国民经济、国防安全等诸多领域有着重要的应用价值和现实意义。但多波束测深系统高效率作业的同时也决定了多波束测深数据的海量特性与冗余性,直接采用海量的多波束原始数据进行海底地形分析与可视化表达,必然会耗费大量的时间和计算机资源。因此,快速有效的多波束数据简化算法,有利于多波束测深数据的可视化表达。
  首先研究了传统的基于TIN的数据简化方法,针对其在判断某一点是否需要简化时遍历查询次数呈指数性增加的缺点,改进了基于TIN的数据简化方法流程,减少了简化中的查找计算次数;其次,提出了分区多阈值数据简化方法,将测区内多波束数据进行规则格网分区,针对各个分区分别选取最佳简化阈值,避免简化后存在冗余及简化过度导致地形特征点的缺失;最后,提出了多波束测深数据简化质量的评价方法。经过实验证明,改进后的基于TIN的数据简化方法使得数据简化所耗费的时间大为缩短,分区多阈值法简化算法的DEM中误差优于传统单一阈值的简化算法,同时进一步缩短了简化时间。
  然后进行了多波束测深数据可视化表达研究。首先,分析了海底数字高程模型的类型及其优缺点;第二,提出了基于RGB与HSL颜色模型进行海底地形颜色渐变渲染的算法,以及针对海底DEM颜色渲染的配色方法;第三,分析了影响海底地形光照效果的相关因素,阐述了基于OpenGL的Phone光照模型与Gouraud明暗模型的原理,并基于OpenGL实现了海底地形光照效果的设置;最后,实现了基于OpenGL三维图形库的海底地形可视化表达,与常用的海底地形绘图软件对比,本文的可视化表达效果比较平滑,颜色丰富,地形层次变化明显,结合光照效果,增加了地形图的立体性。
[硕士论文] 彭聪
测绘工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:海洋工程建设、海洋资源开发、海洋科学实验及海洋权益的维护等一系列海洋活动促使着海底地形的探测成果向着大尺度、高精度、高分辨率、高效率的方向发展。本文基于海洋重力异常数据与海底地形在一定波段内存在相关性,对将卫星测高技术所提供大范围、高精度、长时间序列的海洋重力场资料转化成海底地形进行了相应研究。主要工作及创新点如下:
  1、梳理了基于测高重力异常反演海底地形的基本方法,通过起始数据、所需参数、适用范围、滤波器使用、反演精度等方面比较了各反演方法的优缺点;介绍了海洋重力异常数据的获取与卫星测高反演海洋重力异常的理论,给出了重力异常归算的流程与算例分析。
  2、以南中国海作为试验区域,分别采用重力地质法(GGM,Gravity-geologic method)和Smith&Sandwell法(SAS)得到试验区域反演海底地形模型,引入ETOPO1模型并选取部分船测水深点作为检核点对反演海底地形模型进行精度评定,得出该海域GGM水深模型相较SAS水深模型更优。
  3、针对GGM法反演海底地形模型的关键在于密度差异常数△ρ的确定这一难题,采用基于船测控制点的迭代计算方法和基于重力异常的向下延拓算法分别得到密度差异常数1.4g·cm?3和2.15g·cm?3,由此得到对应GGM海深模型并作出统计比较,确定2.15g·cm?3为南中国海域最优密度差异常数△ρ,有效提高海底地形反演效果。
  4、以南极罗斯湾海域为改进试验海域,对GGM反演海底地形理论依次进行测高数据的波形重定和顾及局部地形改正处理获得GGM2、GGM3海深模型,通过与GEBCO-2014海深模型的对比确定两模型精度相较GGM1海深模型分别有4.79%和9.88%的提高,验证了改进算法的有效性。
[硕士论文] 杨应召
测绘工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,大数据、云计算等新兴技术快速发展,在电子商务、教育、医疗、交通等领域已经得到广泛的应用。云计算能够给用户提供可靠的、自定义的、最大化资源利用的服务,具有安全的数据存储、方便快捷的互联网服务和强大的计算能力等特点。目前,中国正在大力发展海洋事业,随着海洋探测技术的不断完善和优化,海洋数据表现出了海量化、复杂性、多样化等特征,给数据管理、利用和海洋知识挖掘等带来巨大的挑战。本论文研究了基于Hadoop和Spark的云计算技术,设计了一种针对物理海洋数据的云存储和处理方案,并将这一方案应用在数据的统计分析中。
  相比传统的文件服务器处理模式在配置成本高、处理效率较低、编程模型复杂等方面的不足,基于Hadoop和Spark的云计算技术在分布式数据存储和并行计算方面有明显的优势。针对海洋大数据的分布式存储,本论文采用HDFS作为底层存储框架,并对HDFS的整体架构以及数据如何写入、分块、备份和恢复进行了深入研究,并与本地文件系统做了对比;针对海洋大数据的分析处理,本论文采用Spark和Yarn相结合的方式进行并行框架设计,并基于RDD构建NetCDF分布式数据集,通过重写数据读取接口对大范围的物理海洋数据进行并行处理。本论文研究设计了Yarn集群模式下的系统性能调优方案,对HDFS数据块大小、Spark应用程序提交参数和Yarn资源分配参数进行了调优设置。最后,本论文总结了Hadoop集群和Spark集群的环境搭建步骤,并对渤黄东海区域40年的海浪数据做了查询统计效率对比试验,试验证明相较于单机模式,云计算模式在大量数据处理方面具有较高的效率。
  本论文将基于Hadoop和Spark的云计算技术应用于有效波高-跨零周期散布图统计分析中。散布图统计利用传统定义实现了有效波高-跨零周期联合分布统计,并分析了有效波高在季节和地理位置方面的变化规律;其次分别利用极值I型分布函数(参数方法是耿贝尔法)和Ochi提出的波高周期联合分布函数相关理论进行了不同重现期下有效波高极值和周期期望值的推算。
[硕士论文] 卫国兵
交通运输工程 大连海事大学 2017(学位年度)
摘要:天津海事测绘中心根据交通部海事局“数字海事”的发展目标实施海事测绘信息化工作,构建以海洋空间地理信息为基础的海事测绘产品与服务框架。中心准备建设外业测量水深、碍航物、航标、ENC产品、纸海图产品等各种专题数据库,提高CARIS HPD等数据的利用率,提高海图产品生产的效率和质量,并通过海事测绘服务平台对中心内外提供数据查询服务,以解决制约海事测绘发展的瓶颈问题。基于以上现状,本文主要完成了以下几个方面的工作:
  (1)S-57及S-52标准分析。分析了S-57理论数据模型和主要数据结构,以及S-52标准的显示控制、符号化实现等。
  (2)CARIS HPD数据存储方式分析研究。主要进行了HPD源数据、ENC产品数据、纸海图产品数据的存储结构分析。通过分析研究HPD数据存储结构,理解了这三种主要数据的组织方式、表结构以及表之间的逻辑关系。
  (3)设计新的字串式S-57数据存储方式,并以此为基础设计了HPD源数据、ENC产品数据、纸海图产品三个专题数据库。三个专题库分别保存从HPD数据库中提取的三种主要数据。
  (4)设计HPD数据解析引擎,并以此引擎为基础,设计了HPD功能模块,实现了HPD专题数据库的维护功能。HPD各功能模块以开源Java GIS软件Open JUMP插件形式开发,实现了HPD数据的导出、HPD专题数据库的导入功能。同时,在S-52动态符号化技术基础上基本实现了数据的S-52标准显示。
[硕士论文] 孙月文
海洋测绘 山东科技大学 2017(学位年度)
摘要:在中小型水深测量项目中,水深测量成果需要经过一系列的改正与归算,而水位与动态吃水改正是两项不可忽视的环节。水位改正普遍采用一点带面,根据验潮站数据,利用数学模型推算测区某点水位;而动态吃水则利用经验公式用船舶的动态吃水代替换能器处的动态吃水,从而实现改正;这对海道测量和船舶通航安全具有积极作用。但它们仍存在以下问题:水位和动态吃水与测深点不同步,存在模型误差;后者改正精度低、操作复杂、成本高,前者在地形复杂、远离陆地、大流速大落差区域也存在类似问题。
  本文探讨了基于随船GNSS大地高的动态吃水与水位改正方法,首先将GNSS天线大地高转换至换能器中心,而后通过小波分析滤除波浪引起的高度变化,并进行傅里叶拟合及平移计算得到大地高水位,分离波浪与水位的影响后即为动态吃水;接着将大地高水位与附近验潮站水位进行最小二乘拟合,得到测区相对某一基准(平均海平面、1985国家高程基准或深度基准面)的水位。该方法在实施水深测量过程中与常规基本无异,仅需少量几处短时间的漂泊测量。实验表明,采用随船测量的GNSS大地高计算动态吃水与水位精度可达厘米级,满足IHO规范要求,显著提高了水深测量的精度。另外,计算得到的动态吃水和水位值与测深点一一对应,且该方法显著的扩展了单验潮站水位的控制距离,实现了小区域的潮高基准面传递。
[硕士论文] 闫循鹏
大地测量学与测量工程 山东科技大学 2017(学位年度)
摘要:我国拥有辽阔的海域面积,纵贯南北的漫长海岸线以及丰富的海洋资源。现代海洋高新技术的发展,高科技海洋仪器设备的开发运用,虽为开发海洋资源提供了前提与保障,但目前我国对海洋资源的开发利用仍着重于沿海开发,且我国海洋科学创新能力和支撑能力不足,不利于开展大规模的海洋资源开发。
  多波束测深技术是目前进行水下地形地貌测量的主要技术手段,水体中声波传播速度的变化将会引起其传播方向的变化,导致声线弯曲,是影响多波束测深精度的重要误差来源。海洋内波是一种广泛存在于我国沿海,发生在海水内部稳定层结处的重力波,其振幅可达数米到数十米,常见波长为几十米至几十千米,频率介于浮性频率和惯性频率之间。海洋内波发生时,其携带的巨大能量会导致海水较高的流速,不仅会对海洋石油钻井平台和水下潜艇会造成严重威胁,且变化剧烈的等密度面会对经过的声线传播方向和声速大小发生改变。因此,研究分析海洋内波对多波束测深精度影响机理,探索误差改正方法,对于提高多波束测深精度和效率,反演海洋内波波长、传播方向等基本特征是迫切且必要的。
  本文用数值仿真的方法,模拟了在海洋内波经过测区时造成声速跃层发生垂直位移和倾斜情况,进而分析了内波对多波束声线传播路径的影响机理,并在此基础上,构建了测区的海底DEM,通过分析DEM特征与海底地形起伏规律,提出并验证了从海底DEM反演海洋内波的传播方向、波长和振幅等其近似值信息的方法,并跟据反演得到的海洋内波近似参数构建了内波函数,对声线重新进行三维声线跟踪,获取更精确的海底 DEM以用于反演精确的海洋内波参数,通过如此若干次迭代计算,既反演了海洋内波参数也削弱了海洋内波对多波束测深的影响。
[硕士论文] 宋艳朋
大地测量学与测量工程 山东科技大学 2017(学位年度)
摘要:海洋潮汐是沿海地区广泛存在的自然现象,经过人们对长期潮汐资料以及卫星高度计数据的研究,产生了多种分析方法。垂直基准是保证测绘工作开展的基础,海洋垂直基准的建立依赖于潮位资料的处理与分析,因此海洋潮汐分析与垂直基准研究是海洋测绘的重要内容。
  本文简要给出潮汐理论,主要介绍了潮汐的概念、类型,静力学理论,调和分析理论与最小二乘解算方法,潮汐预报,然后列出几种常用的全球海潮模型与适合中国近海的局部海潮模型的相关资料。平均海面与海图深度基准面是两种主要的海洋垂直基准,列出了模型建立的方法。
  实现具有良好交互界面的应用程序将给潮汐分析与基准面计算带来极大便捷,本文基于混编技术,设计开发了既有良好的程序界面,又有快速计算特点的应用软件,其主要功能包括:潮位数据的调和分析与潮位预报,基于NAO.99b、DTU10、CSR4.0、NAO.99Jb四种海潮模型的潮位预报;理论深度基准面的单点与批量计算,开发了上述四种海潮模型的理论深度基准面的计算;基于DTU15模型的平均海面高计算;为方便交互操作,设计GMap.NET地图底图开发,总体达到了设计目标。
  对南海周边18个潮位站多年份的潮位数据,进行潮汐调和分析计算,潮汐类型的判断,然后着重分析不同潮汐类型下验潮零点漂移对调和分析结果的影响,取四种类型站点为分析对象,得到30cm零点漂移内四主要分潮综合误差为0.16-0.69cm,表明对结果产生的影响可不予考虑。采用滑动平均计算方法分析不同观测时长资料对调和分析的影响,当时长少于6个月时,四分潮综合误差在1cm左右,表明少于6个月的观测资料分析结果不稳定。分析四种海潮模型计算理论深度基准面在南海海域适用性,得出利用NAO.99b构建精度较高。通过对构建的模型进行订正得到了南海海域理论深度基准面模型,并均匀选取南海周边的站点验证,偏差均小于10cm,表明模型是可靠的。构建了DTU15平均海面高模型与南海理论深度基准面的偏差模型,为垂直基准转换提供数据源。
[硕士论文] 卜宪海
海洋测绘 山东科技大学 2017(学位年度)
摘要:船载多传感器水上水下一体化测量系统集成激光扫描、多波束测深和组合导航技术,可同步获取海岛礁、海岸带、港口和堤坝等区域水上水下地形数据,与传统靠单波束测深仪和人工手持RTK测量方式相比具有高效率、高精度、一体化等明显优势。要实现水岸线附近水上水下无缝的测量数据,不仅需要获取在水陆交界处地形的完整数据、统一水上水下点云的地理框架,还需要准确跟踪和定位水上水下的点云坐标。为此,本文针对一体化测量数据处理中几个关键技术进行了深入研究,对于解决多波束低掠射角条件下的声线准确跟踪具有重要意义,研究成果如下:
  (1)对多波束水下点云精确位置归算进行了研究。分析了声线弯曲对多波束测深水下点云的影响,介绍了波束脚印首先归算至换能器坐标系、再变换到地理坐标系下模式的不足;提出了同时顾及波束发射角、安装角和姿态角的精确波束归位改进模型,由此计算波束三维入射向量,然后根据声速剖面进行三维声线跟踪,最后通过坐标转换计算测深点在地理坐标系下的坐标;通过对上述两归位模型进行实验分析,验证了改进模型的准确性,为提高一体化测量中水下点云的精度,缩小水陆交界处激光点云与测深点云之间的缝隙提供基础。
  (2)对多波束低掠射波束几何改正进行了研究。分析了水上水下一体化测量时水陆交界处激光点云与多波束点云拼接存在误差的原因,指出多波束入射角60°以上的低掠射波束的声线跟踪结果可靠性较低;针对这一问题,本文首先根据测区内的若干声速剖面和沿航迹线附近的表层声速,利用经验正交函数和线性加权内插法构建修正后的三维声速场,完成初始声速改正;然后,提取水上激光扫描和水下多波束测量的水陆交界处同名特征点,以精度更高的激光扫描特征点为最外侧声波束边界,计算入射角60°以上各波束旋转角和比例系数,实现声波束几何改正和水上水下点云无缝拼接。实测结果表明,在距岸约20 m,水深约20 m的情况下,改正后低掠射角波束平面精度约2.5cm,高程精度1.3cm,符合IHO规定的精度要求,并实现了水上水下点云的无缝拼接。
[硕士论文] 丁超
海洋测绘 山东科技大学 2017(学位年度)
摘要:本文以中国沿海GNSS业务化观测系统2009-2016年的观测数据为基础,在总结国内外有关数据质量分析的基础上,较深入地分析了中国沿海GNSS观测站数据质量变化趋势,探讨了数据质量指标的相关性,分析了数据质量的影响因素以及数据质量对解算结果的影响,并提出了提高数据解算结果精度的方法,为该系统后续的运行维护提供行之有效的参考。本文的主要工作有如下几个方面:
  1、对中国沿海GNSS观测站数据质量进行了较为系统的统计分析。按纬度分三区域对连续观测数据的数据质量进行检核和分析,探讨地域差异对数据质量的影响;研究了数据质量指标的相关性;对比分析部分GNSS观测站GPS、BDS、GLONASS多系统的数据质量情况,为后续数据解算系统定权提供参考;
  2、对数据质量影响因素从高空电离层环境、地面观测环境、硬件设备等三个方面进行了较为系统的分析,发现观测环境对数据质量有影响但影响不大,硬件设备老化是造成数据质量逐年变差的主要原因。分析了极端天气发生时GNSS观测站数据质量的响应情况,结果表明灾害发生前后电离层延迟的变化往往会引起数据质量小幅波动,数据质量的准实时监测和系统的日常维护应引起重视;
  3、对部分沿海GNSS观测站与周边 IGS跟踪站的数据质量进行了对比分析,结果表明IGS跟踪站数据质量逐年变差的现象并不明显,跟踪站的日常维护更为科学得当,接收机处于恒温恒湿的环境可有效延缓观测硬件设备的老化,这为中国沿海GNSS业务化系统的运行维护提供行之有效的参考和建议;
  4、分析了数据质量对数据解算结果的影响,提出了利用剔星滤波的方式提高数据解算结果精度。
[硕士论文] 王林振
海洋科学 上海海洋大学 2017(学位年度)
摘要:为了克服常规海洋遥感水深反演技术精度不高,时效性不强的缺点以及单波束、多波束测深技术对浅海、岛礁、暗礁及非安全水域船只无法到达的缺陷,文章引入机载激光测深系统,用于快速获取高精度水上下地形地貌特征点云,既可用于水深测量及地形图一体化绘制,也可用于探测水下目标、油污监测和海浪特征测量等领域。此外考虑到国国情,我国沿海海域水深在五十米以下范围内的面积大约有50万平方千米,尤其在南海具有战略意义的岛礁等区域,水深在二至五十米范围内的面积十三万平方千米,机载激光测深系统由于其快速、覆盖面广、测深精度高等优点,可以为海岸防护、围海造田、港口建设、国防等提供更加精确的基础数据支撑,应用前景广阔。由于目前针对激光点云的滤波算法主要用于陆地点云,用于水下点云的方法较少。三维Alpha shapes基于地物几何形状提取地物边界,本文将其用于提取水下地形特征点及其他地物的特征点,可以实现快速处理包含水上水下点云的机载激光测深数据。
  文章在阐述了机载激光测深系统组成和原理的基础上,分析了其误差来源、最后成果点云数据结构的组成及其特点。目视法、随机抽样法和交叉表法是对激光点云分类方法结果的主要精度评估方法,基于科学性和严谨性本文选用交叉表发对三维Alpha shapes点云数据分类后的精度进行评估。文章阐述了主流点云滤波算法,三维Alpha shapes算法原理及其在陆地点云分类中的应用和精度评估。文章目的主要论述机载激光测深系统,因此对于其在海洋测绘中的应用,通过实测点云数据与海图数据对比,分析其精度和适用性。此外通过运用自主开发的集成了二维和三维Alpha shapes算法的软件AlphashapesEditor对国产设备生成的水上下点云数据进行处理,处理结果可输出为文本文件或其他格式方便进一步处理。三维Alpha shapes算法的处理结果和国外设备生成的点云数据用商业软件进行处理,之后运用交叉表法分析了三维Alpha shapes在水下地形提取和其他地物的提取精度。
  文章系统研究和对比了机载激光测深系统,验证了其在浅海海域、滩涂、海岛礁等实施常规测量方法较困难地区进行快速高精度水上下一体化测量的可行性。文章分析了水上点云和水下点云在点云密度、反射强度方面的不同。通过国内设备采集数据与国外设备采集数据的对比,发现国内研究型硬件设备已经比较成熟,但与国外设备还有差距,主要体现在后处理数据的质量较差,数据可读性差等方面。文章基于二维Alpha shapes算法在构建平面地物边界及提取地面点的算法,结合现有对三维Alpha shapes算法的研究,编译出了三维Alpha shapes算法,由于其基于地物的几何形状进行滤波,在陆地上点云分类中表现出良好的效果。文章将Alpha shape算法首次用于水下点云滤波。机载激光测深系统获取的水下点云数据通过三维Alpha shapes算法操作及后处理,可快速获取剔除奇异点的点云数据,对导出后的点云按照ASPRS推荐的精度评估方法进行评估,结果显示算法精度较高,处理速度快。文章在C++基础上编写了基于windows系统的程序Alphashapeseditor软件。该程序具有点云读取、点云基本信息显示、三维/二维alpha shpes算法、二维/三维窗口显示点云、alpha shapes算法运行结果导出等功能,具有一定的可视性和实用性。
[硕士论文] 魏巧云
应用数学 河南大学 2017(学位年度)
摘要:本研究基于HY-2和Jason-2卫星高度计观测数据,采用改进的纬度做差法求出交叉点的位置,并对相关数据进行了数据处理。基于纬度做差法来研究卫星地面轨迹交叉点的精确位置,针对其中出现的虚拟交叉点问题,提出改进的纬度做差法。将改进的纬度做差法与二次项拟合法以及人工分段拟合法进行对比分析,并从HY-2和Jason-2卫星地面轨迹自、互交叉点三方面对该方法进行通用性验证,结果表明改进的玮度做差法具有准确性、可靠性、通用性以及自动化程度高的特点。在利用改进的纬度做差法分别求出两颗卫星自、互交叉点后,采用反距离加权法求出交叉点处的部分数据参量。在时空匹配的基础上对这些数据进行分析,说明这两颗卫星高度计的观测数据具有一致性。对海表面高度进行验后平差校正,并针对平差过程中误差模型的不完善性,改进了验后平差方法中的误差模型。计算结果表明,验后平差精度远优于条件平差(线性模型),且与传统秩亏网平差方法旗鼓相当,但该方法不存在矩阵秩亏问题,且计算过程简单,提高了结果的稳定性.所以,验后平差更加适合处理全球交叉点数据。
[硕士论文] 王昕阳
水声工程 哈尔滨工程大学 2017(学位年度)
摘要:多波束测深技术是一种快速发展的全新的海底地形精密探测技术,具有测量覆盖范围大、精度和效率高、记录数字化与成图自动化程度高等优点,适用于海底地形测量和海上工程、航道、港湾、锚地、航行障碍物的精密探测。随着高精度定位系统和姿态传感器、高性能计算机、高分辨率显示系统以及数字化采集技术、现代信号处理技术的广泛推广和应用,多波束测深技术取得了突破性的进展,本文根据新一代国产多波束测深系统的显控需求,开发了一款交互式且功能齐备的多波束测深系统实时三维可视化软件。
  为了完成多波束测深系统的数据采集与显控,根据连接状态、网络数据传输、工作模式、测量数据的显示与存储等功能需求,本文在Visual studio2010环境下,基于MFC多文档应用程序结构,采用单个文档多视图关联技术,完成多波束测深系统实时三维可视化软件的设计与实现。
  论文针对多波束探测系统基本工作原理、组成部分以及解算多波束流程等进行详细描述。本文重点介绍了studioVisual开发环境、实时数据采集的串口通信、网口通信、OpenGL技术、数据库开发技术以及多波束各种采集信息的同步等相关技术,主要实现了声纳及辅助设备的数据实时存储、实时更新的系统参数与辅助设备信息的显示、波束剖面的深度与回波强度的显示、实时三维地形的可视化、数据回放等功能。
  根据与相关系统硬件模块进行联调验证了本显控软件的数据采集和存储、显示与控制功能。在对多次湖试、海试以及对采集数据回放过程中所出现的问题不断进行修改和完善,本软件设计已达到预期目的并且能够正确稳定的完成实时显示和控制任务。
[硕士论文] 孙维康
海洋测绘 山东科技大学 2016(学位年度)
摘要:潮汐现象和人类的生存环境密切相关,是最常见的海洋现象之一。因此人类一直在试图了解潮汐的变化规律、解释潮汐现象及预报潮位变化。人类对潮汐的研究区域也从近岸扩展至远海。过去二十年来,卫星测高技术日益发展并日趋成熟,使我们对海洋潮汐有了更深的认识,它改变了传统常规潮汐观测方式,使得开阔海域的水位观测数据得到了极大的丰富。
  本文首先介绍了潮汐发展的基本理论并给出了海洋潮汐研究的工程意义和科学意义。潮汐模型、潮汐时空特征分析以及深度基准面模型都是基于潮位观测资料来确定的,因此潮位资料的不准确或者缺失都将直接影响潮汐模型、潮汐时空特征分析和深度基准面的确定精度和可靠性。本文针对验潮站潮位数据缺失的时段和时长不同,分别选用三种不同的数据补齐方法,并比较其适用性和优缺点。
  潮汐模型的建立是在T/P和Jason-1卫星测高数据基础上进行的。分别利用调和分析和响应分析方法处理T/P和Jason-1变轨前后的时间观测序列,建立了山东沿海13个主要分潮的6'×6'的潮汐模型,同时给出了K1、O1、M2和S2四个主要分潮的潮波图。并与长期验潮站潮汐调和分析结果作对比,计算结果表明,8个主要分潮的RSS为18cm,具有较高的精度。
  基于长期验潮站实测潮位数据的调和分析结果,计算潮汐非调和常数,对山东沿海潮汐的时空特征进行分析。山东沿海潮汐类型以不规则半日潮和规则半日潮为主。黄河口半日潮无潮点附近海域具有规则日潮和不规则日潮的性质。平均潮差在0.3-4.0m范围内。在黄河口及莱州湾附近海域呈现出明显的潮高日不等现象。平均高潮间隙在1.7-11.7h之间变化。
  计算了长期验潮站的深度基准面L值,并传递至周围短期验潮站。基于山东沿海的潮汐模型,构建山东沿海深度基准面模型,并由周围验潮站L值对基于潮汐模型构建的L值模型进行订正。
[硕士论文] 柳义成
海洋测绘 山东科技大学 2016(学位年度)
摘要:20世纪初,水声的辐射和接收成为一门新的科学,声呐设备作为海军作战和海洋开发不可或缺的装置,其技术突飞猛进,广受重视。发展至今,海洋测量声呐已成为海洋开发、海洋科学研究的急先锋,因此对海洋测量声呐的性能进行检测是必不可少的,它关系到声呐测量数据的准确与否。单波束测深仪、多波束声呐、侧扫声呐及浅地层剖面仪等测量声呐在海洋活动中广泛使用,本文在扼要阐述国内外测量声呐检测技术发展的基础上,重点从检测平台建设、检测方法上对这四种常用海洋测量声呐设备的声学指标检测进行了研究。主要研究内容如下:
  (1)依据水声计量测试的原理和方法,结合四种常用海洋测量声呐设备的技术特性,设计了一套符合国家标准的海洋测量声呐设备检测平台,主要包括精密回转/升降装置和测试记录设备等内容。该检测平台以通用计算机为基础,依托大比尺消声水池及其电动行车,设计了精密回转/升降装置的控制系统,系统采用松下伺服驱动电机和绝对编码器,旋转误差小于±0.01°。此外,平台添加了Agilent公司的DAQ2531多功能数据采集模块,采样频率可达2M/s,实现了在自由场中对海洋测量声呐设备的状态控制、信号采集与分析、可视化等功能。
  (2)在水声学中,声源级、指向性因数、工作频率是经典声呐方程的基础参量,与声呐设备的反向散射强度、分辨力、声照范围以及测深精度等性能参数紧密相关,很多组合声呐参数亦是由它们推导而来的,因此对该三项声学指标进行计量检测具有一定的代表性和实际意义。基于检测场平台,结合通用的水声测试技术与规范,本文利用二级校准法中的比较校准法对四种常用海洋测量声呐设备的声源级、波束角、工作频率进行了检测。实验表明,该检测平台运行正常稳定,测量步骤与程序简单,误差来源少,测试数据准确可靠,可完成以上声学指标的检测工作。
  (3)在分析测试误差来源的前提下,基于MATLAB平台对测试数据进行了处理分析。主要包括脉冲信号的滤波、频率的分析和指向性图的绘制等。以 HD-310单波束测深仪为例,实际测得其声源级为211.545dB(理论标称值212dB),下降3dB的波束角宽度为6.12°(理论标称值6°),工作频率为200.0025kHz(理论标称值200kHz)。此外本检测平台还对多波束声呐、侧扫声呐及浅地层剖面仪进行了声学指标检测,通过检测值与理论值的比对,验证了本平台的合理性与可行性。经过不确定度评定,测试结果达到了GB/T3223-1994《声学水声换能器自由场校准方法》和BG/T7965-2002《声学水声换能器测量》的要求。
[硕士论文] 李济然
工程力学 湖南大学 2016(学位年度)
摘要:近岸海域是人类活动重要区域。在这里,人类进行着各式各样的活动,例如捕鱼、开发海洋资源、旅游、军事活动等等。海底地形结构是近岸海域信息的重要组成部分,对于该信息的准确掌握有助于在近岸区域的军事登陆行动、钻井平台的安置和渔业的发展。然后,由于一些限航区域,例如敏感区域的近岸海域、暗礁较多的浅海,船只不方便进入,设置雷达又不方便,这些都导致了近岸海底地形探测的困难。而卫星遥感技术的问世为解决这一问题提供了有效手段。本文就是利用单幅高分辨率卫星遥感图像,并基于近岸海床和海水之间的流固耦合效应和线性频散关系,研究近岸海底地形的反演方法,并进行了实验验证。
  首先讨论了基于线性频散关系的海水和海床之间流固耦合效应,得到了波浪波长、波浪角频率和近岸海水水深之间的关系式。利用波浪角频率保持不变的特性,结合线性频散关系在深水区域的计算形式,通过对深水波浪波长的测量得到波浪角频率。波浪波长是直接从高分辨率卫星遥感图像中测量得到的。最后,近岸海水水深的反演就是将波浪角频率和测量得到波浪波长代入到线性频散关系的变形形式中计算得到。然后,通过对线性频散关系的变形式进行求导计算,得到了线性频散关系在反演近岸海底地形时的适用范围。并且通过工程试验,验证了线性频散关系在反演近岸海底地形中具有较高的准确性。
  其次,为了提高计算精度,减少计算时间,本文提出了基于线性频散关系的无角频率算法。无角频率算法是通过对线性频散关系的变形得到的,并且讨论了其数学表达式的数学物理意义。无角频率算法可以避免波浪角频率、重力加速度对计算精度的影响,并且利用简化的运算使计算时间大幅度缩减。通过模拟实验和工程实验,得到了较为精确的实验结果,说明无角频率算法可以准确快速的反演出近岸海底地形。
  最后,在两次工程实验中,都运用到了高分辨率卫星遥感图像。卫星遥感技术的发展,使近岸海底地形的探测不在受到地域的限制,可以轻易的探测地球上的任何表面地区。而高分辨率的卫星遥感图像,更是准确测量波长的前提。对于单幅高分辨率卫星遥感图像的使用,由于其成本低,拍摄要求低,更是反演海底地形中利用的典范。本文就是通过使用单幅卫星遥感图像,不需求其他辅助参数的情况,成功反演出了近岸海底地形,显示了该方法的实用价值。
[硕士论文] 付延光
大地测量学与测量工程 山东科技大学 2015(学位年度)
摘要:海洋垂直基准的精确确定是海洋测绘基本任务之一。卫星测高技术提供了一个观测海洋表面及其动态变化的新手段,为海洋垂直基准的建立提供了基础数据。
  南海属深边缘海,具有十分复杂的深海潮波规律性质。对南海垂直基准的研究工作与渤海、黄海、东海相比要少得多。其原因除了南海特殊的地理条件外,主要是因为南海的观测资料缺乏,而利用近20年T/P系列卫星测高资料和搜集的南海周边长期验潮站数据对南海垂直基准的研究具有比较实际的意义。
  本文的研究是在T/P系列卫星测高原始轨道、变轨轨道数据基础上进行的。研究了对T/P系列卫星测高数据在南海海域的正常点的计算,研究了利用调和分析法、响应分析法对沿迹点、交叉点处精确提取潮汐信息的分析,对验潮站逐时潮位数据调和分析,建立了南海海域13个主要分潮2.5'×2.5'的潮汐模型,同时给出了4个主要分潮的振幅、迟角分布图。并从交叉点对比、验潮站比较等多方面对本文所建模型进行精度分析,交叉点处分析结果表明,4个主要分潮振幅RMS能够保证在2cm之内,迟角RMS在6°之内,具有较高精度。
  在此海潮模型的基础上,根据南海周边国家深度基准面的情况,建立平均低低潮深度基准面模型、理论最低潮面深度基准面模型,并对模型精度进行分析,分析结果表明,两基准面模型中误差分别能够在2cm、5cm之内,此模型的初步研究有助于实现海图的无缝连接。
[硕士论文] 刘风玲
计算机技术 上海海洋大学 2015(学位年度)
摘要:全球卫星定位系统(Global Positioning System,简称GPS)是一种利用GPS定位卫星在全球范围内进行授时、精准定位、准确导航的系统并能够提供高稳定连续的电磁波信号。当连续的GPS信号碰到地球表面时,会从单个表面发生伪随机的散射,从而与表面本身产生复杂的相互作用,并且单个反射信号分量之间严重混合,其信号幅度、码相位、载波相位等信息均发生变化。如果不考虑信号与反射面的相互作用,信号延迟和多普勒频移都可以在反射面准确映射,据此可以反演出反射面的物理参数信息,此种技术称之为GPS反射信号技术。由于此项技术具有信号源多、成本低、高覆盖面、全天候、低成本等特点,近些年成为国内外的研究热点,可广泛用于海面高度测量、海面风速风向反演、海面有效波高测量、海冰厚度以及密集度测量、土壤湿度检测和目标成像等诸多领域。
  GPS反射信号探测技术(GPS-R)反演海面高度主要有两种方法,一种是利用直接信号和反射信号的C/A码延迟来测量海面高度,另一种利用载波相位延迟来测量海面高度。利用码延迟来测高的方法因为 C/A码片宽度较宽(300 m),容易被获取而适用于地基、机载和星载等实验场景,载波延迟测高中由于载波波长较短(19c m)导致不容易跟踪,因而限于地基实验。本文介绍了C/A码相位延迟测高地基实验与载波延迟测高地基实验的实验设置,数据分析及潜在应用。
  本文的主要研究内容如下:
  1.详细介绍了GPS信号组成、电磁波特性以及其反射性质;分析了GPS反射信号技术的基本原理;结合GPS直射信号与反射信号的跟踪捕获原理,介绍了GPS信号相关功率的计算;
  2.对两种反射面(①假设地球表面为水平,不考虑地球曲率;②采用球形地球模型)上的GPS反射信号高度反演模型进行公式推导。对两种GPS反射信号测高方法进行介绍,提出了湖面椭球高的计算模型;针对载波相位测高中直射信号与反射信号载波相位差的问题,提出对反射信号的开环跟踪处理,旨在解决由于反射面粗糙带来的载波相位不连续的问题。
  3.以GPS反射信号地基实验为载体分析了两种常用测高方法的实验过程中信号处理过程与数据分析过程。C/A码延迟地基实验中,计算了湖面椭球高,对其中可能的误差做出分析,并在数据分析过程中予以抑制和消除;载波相位延迟测高地基实验中,利用开环跟踪对GPS反射信号进行处理,得到4.连续的载波相位差,解决了由于信号中周跳的出现带来的载波相位损失;对两种地基实验测高方法的区别与联系进行了对比分析,对以后的发展方向做出预测。
[硕士论文] 史长安
测绘工程 山东科技大学 2015(学位年度)
摘要:海流是重要的海洋物理现象,对海洋中多种物理过程、化学过程、生物过程、地质过程,以及海洋上空气候和天气的形成,具有重要影响和制约作用。在海洋流场模拟方面,非结构有限体积近岸海洋模型(FVCOM)综合了有限元和有限差分的优点,既可以像有限元一样精确拟合浅海复杂岸界,又便于离散差分原始动力学方程组,计算效率高。FVCOM非结构网格数据量大,用原始数据进行流场表达,不仅需要非常高的计算机性能,而且存在要素相互压盖的问题,不利于海洋要素特征提取。为了解决FVCOM网格流场数据表达中存在的问题,需要进行海洋非结构网格流场多尺度表达的研究。
  传统的多尺度表达多集中在陆地地形或者三维模型上面,并没有专门针对海洋非结构网格流场的多尺度表达方法。本文中通过借鉴陆地地形和三维模型多层次构建方法,提出了基于四叉树的海洋非结构网格流场多尺度表达方法和基于邻近点删除的海洋非结构网格流场多尺度表达方法,并对两种方法进行了可用性评价。主要研究内容如下:
  (1)非结构有限体积近岸海洋模型:介绍了非结构有限体积近岸海洋模型使用的有限体积法、控制方程、区域划分方法,并对该模型的标准输入输出格式NetCDF文件的数据内容、数据模型、数据特点进行了分析。
  (2)基于四叉树的非结构网格流场多尺度表达:利用四叉树构建海洋非结构网格流场多尺度表达层次结构,各层次结构不同程度的保留了原始网格流场的空间分布特征。多层次结构构建过程包括四叉树划分和散点三角化两个过程,过程中的关键步骤有四又树分割、获得数据角点、提取网格边界以及剔除多余三角形。
  (3)基于邻近点删除的非结构网格流场多尺度表达:针对基于四叉树的流场多尺度表达中不能保持流场网格疏密分布特征以及FVCOM网格特征的问题,本文基于空间自相关原理,提出了基于邻近点删除算法的海洋非结构网格流场多尺度表达方法。利用邻近点删除算法构建的多层次结构,既可以保持原始网格疏密分布特征,又可以较好的维持FVCOM三角网格形态。
  (4)可用性评价:采用问卷调查法对不同多尺度表达构建方法进行可用性评价,并收集了参与人员提出的意见或建议,为下一步研究工作指明了方向。
[硕士论文] 张阳
控制工程 北京化工大学 2015(学位年度)
摘要:目前,北斗卫星反射信号被广泛应用于海面高度测量、海风海浪反演、海冰探测以及土壤湿度检测等多个领域。北斗GEO卫星相对于地面的角度变化范围很小,可以提供稳定的几何关系,同时对中低纬度地区有很好的覆盖能力,因此可以用来进行近海海域的测高,增强对海洋恶劣天气的预警能力,服务于海洋防灾减灾。
  本文对基于北斗卫星反射信号的海面高度测量方法进行了探索与研究,主要包括以下几个内容:
  首先,推导了利用北斗卫星反射信号测量海面高度过程中忽略地球曲率影响的条件,从而简化了测高几何关系。通过对卫星运动模型和海洋散射延迟模型的分析,构建了相应的北斗卫星反射信号测高模型,并分析了影响测高模型的误差来源,找到减小误差的方法。
  其次,研究了微弱卫星信号的接收与处理方法,验证了利用相关功率前沿突变点进行码相位延迟测高的方法可以提高测量精度,并分析了影响测高精度的不同因素。在Matlab仿真环境下,开发了直射信号捕获跟踪、反射信号相关处理以及海面高度反演算法的处理程序,并利用实际测量数据进行了验证。
  最后,在完成海面高度测量模型和码相位延迟测高方法的研究基础上,使用C++语言在Visual Studio2008环境下,设计并实现了海面高度测量软件系统。并基于设计的北斗卫星反射信号海面高度测量软件系统,搭建测试平台,采集并处理实验数据,验证了软件的可用性及稳定性。
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