一种海底大型复杂沙波地貌的精确探测方法

摘要

本发明公开了海洋测绘、海底地形地貌调查研究的方法，具体是指一种海底大型复杂沙波地貌的精确探测方法。本发明通过特定探测仪器，确定潮位站布设、声速剖面测量，然后进行海底沙波地貌探测、再对所测得数据构建海底DDM、基于DDM的沙波特征提取，最后再基于剖面的沙波FFT分解与拟合。本发明的优点是解决了海底沙波特征的精细探测方案，进一步给出了海底沙波的频率分解与拟合方法。该发明在海洋工程建设、海洋测绘、海洋调查与海底科学研究中具有重要的实际应用价值，已在摆线型沙波、双峰型沙波与余弦型沙波等多种类型沙波的探测、分解与拟合中获得实际应用效果。

主权项

一种海底大型复杂沙波地貌的精确探测方法，其特征在于包括下列步骤：步骤1：海底沙波探测前准备（1）选用多波束水深探测器、长度测量仪、声速测量仪，并进行标定；（2）围绕沙波测量区布设2～4个临时验潮站，以控制测区潮位；（3）在测区附近进行声速剖面测量,至少获取测区一个声速剖面；步骤2：海底沙波地貌探测采取矩形区域布线方式进行海底沙波的多波束探测；在沙波区布设矩形区域，矩形的长边应平行沙波走向，短边垂直沙波走向，矩形的长边A应大于沙波的横向延伸距离l，矩形的短边B应大于沙波波长d的两倍；探测方向为直线航行，多波束全开角勘测，全程GPS有差分信号；形成探测原始数据集合Raw＝{raw_i}；步骤3：构建海底DDM(1)对获取的原始数据集合Raw＝{raw_i}进行处理，形成离散水深数据集合Proc＝{(x_i,y_i,z_i)}_i＝1,n；(2)采用IDW方法对离散水深数据集合Proc进行处理，形成DDM＝{dep_(i,j)}_{i＝1,n,j＝1,m}；步骤4：基于DDM的沙波特征提取(1)在成图系统上，基于构建的海底DDM绘制海底三维地形图；(2)垂直沙波走向，提取地形剖面线，形成地形剖面数据集合Prof＝{x_i,y_i,dis_i,z_i}_i＝1,n2；（3）基于数据集合Prof＝{x_i,y_i,dis_i,z_i}_i＝1,n2，以dis_i和z_i为横坐标和纵坐标来绘制地形剖面；步骤5：基于剖面的沙波FFT分解与拟合采用快速傅里叶变换(FFT)来分解海底沙波沙波剖面，在沙波的尖峰部分用摆线方程来拟合；（1）沙波地形剖面分解与拟合在步骤4基础上获取的地形剖面Prof＝{x_i,y_i,dis_i,z_i}_i＝1,n2，采用FFT函数f(x)来拟合，x为水平位移dis_i，f(x)为水深值z_i；f(x)=f₁(x)+f₂(x)$f_1\left(x\right)={\Sigma }_{k=1}^8{b}_k\sin \left(\mathrm{kx}\right)$$f_2\left(x\right)=a_0+{\Sigma }_{k=1}^8{a}_k\cos \left(\mathrm{kx}\right)$a₀为初始偏移值，a_k和b_k分别为FFT函数的分量参数；在沙波的脊峰部分，采用摆线方程来拟合，摆线方程如下：$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{\lambda }{2\pi }(t-k\sin t)\\ d=d_u+A(1-\cos t)\end{array}\right.$x为水平位移，与dis_i对应；d为水深，与z_i对应；t为角度参量；λ为沙波波长；A为沙波振幅；k为与沙波形态有关的待定参数；d_u为沙波波峰处水深；（2）沙波地形剖面拟合前后对比拟合后形成新的地形剖面Prof₁＝{x1_i,y1_i,dis1_i,z1_i}_i＝1,n2；采用剖面叠加对比方法来观测拟合效果，同步采用剖面差值法来定量判断分解与拟合的效果；拟合前后的剖面水深差值中误差为：拟合前后的剖面水深差值百分比中误差为：当Δδ＞δ时返回步骤（1）重新拟合；δ为外部变量，由系统给定初始值，该步骤循环次数达到n3次时，自动增大δ值，并返回步骤（1）；n3为外部变量，可由用户修改，但可给定初始值；当Δδ＜δ时记录下沙波分解与拟合参数，结束工作。