多波束数据的智能化处理探析

来源:用户上传      作者: 陈一超

　　摘 要:当前随着技术的发展，新一代的多波束探头的发射频率提高所产生的高密度的多波束水深，更有利于探测清楚复杂的海底地貌。但随之而来的缺点是不得人工交互处理这些海量的数据，目前处理这些数据主要包括人工编辑加计算机辅助，费时费力且人为主观判断全部数据点影响成果质量，影响完成项目的效率。幸运的是随着近年电脑技术的运算能力的提升及自动处理软件的开发，大大地减少了测量人员处理数据的负担。本文尝试评估这些新旧的后处理编辑方法及采用新的自动处理方式，能否提高多波束数据处理的质量及效率。
　　关键词:多波束 CUBE
　　
　　1.前言
　　多波束声纳技术发展至今已经有40年的历史，应用于浅水方面大约是14年。多波束是当前能高精度高效率探测海底地貌的最好装备，其已作为标准装备广泛应用于地貌探测，科学考察等领域，目前多波束系统已经发展到最高40PING/S，如此高的采集率所产生的海量数据已经严重威胁到测量员的劳动强度及项目的完成效率，国际上惯例是内外业的比率1：1是比较适合的。为了达到这个目的，软件编程人员通常通过硬减少方式，如设置最浅与最深的水深门槛过滤或定5个水深点取1个等方式来减少多波束采集的海量数据，但此类硬减少方式缺点是导致海底地貌信息丢失，不利于多波束系统对例如一些小的物体的搜索，及需要了解比较详细的海底（精密工程测量）方面的应用，因此一种能快速处理多波束海量数据，且这种算法能够快速访问数据，高效处理出符合海底地貌实际情况的软件提出了需求。
　　由Dr Brian Calder 创立的CUBE（Combined Uncertainty and Bathymetric Estimator）算法很好地解决了该问题。CUBE 算法主要是在多波束数据经过线模式的声速、潮汐改正后，进入块模式后，人工删除的离散水深点由该算法自动完成。为保证删除效果完善，CUBE 算法设计了检查怀疑区域的向导，根据3D显示后的图象判断，能快速引导测量员去检查那些怀疑的区域进行面编辑后确认，一旦该海底区域的海底地貌面确定，该算法将自动剔除离散点。从而提高测量人员处理数据的效率，更快提交成图成果。
　　CUBE 算法的思路是将测量的区域网格化后根据每个水深点的垂直（Z）、平面（XY）误差、水深的离散性等参数来计算该网格结点的不同水深值，再由算法自动选择该结点的水深值，对不能确定假设值的区域会由向导引导测量员人工选择后确定最后的海底面进行自动剔除离散水深点。
　　本文将大致描述测量员如何按传统方式处理多波束数据，及如何采用新工具（CUBE）来处理多波束数据的，同时论证测量员将如何运用这些CUBE提供的这些空间及分析知识去判断出来完善的海底地貌，两者比较是否对处理数据效率及质量方面有很大的区别。
　　
　　2.“传统”的多波束数据处理流程
　　大多数传统的多波束处理软件逐条线处理的方法，也就是依赖人工对逐条测量线的各个段进行人工编辑及自动滤波，自动滤波主要是依赖设置一些参数，如水深门槛、波束号、相邻水深点间的连线角度、质量标志、及最近的IHO波束误差。但这些方法存在很大的缺点，其不能看到相邻测量线的海底情况，因此一些潮汐误差、声速误差、海底特征物不能被及时发现。
　　块模式主要是让测量员对测量区域自定义块进行人工剔除质量不好的水深，选择可用的水深，大多数的处理软件是提供对测量区域部分进行2D显示，也可进行网格化后进行色彩及灰度显示。在这里测量员可比较容易发现声速误差、潮汐错误、海底特征物。但这种方法大多依赖人工判断水深是否可选用，测量员不得不对采集的水深百分之百进行检查，既费时又费力，且不同测量员定义进行编辑的块大小不同，剔除水深后的海底面也不同，所以不能很好地保证最后成图数据的质量。
　　后面相继发展的瓦片（TILING）及3D面剔除算法。瓦片算法主要是依赖统计学对瓦片内的水深进行运算逻辑判断后自动剔除“离散”水深，但不能完全正确剔除，需要人工干预，特别对一些特征物的水深也会当质量不好水深进行剔除，所以效率方面没有明显的提高。而3D面算法主要是对定义的海底方便进行数学旋转，以利于测量员判断那些“跳离”海底面的水深点，但也是“跳离”海底面一定距离的水深点测量员才能发现，所以在提高成海底面质量及效率方面没有质的提高。
　　
　　3.“现代”的多波束数据处理流程
　　近两年出现了比以上处理方法更先进的方法，那就是CUBE技术，其通过逻辑运算判断出最适合的海底面，对算法难以判断的可疑的区域由向导引导测量员去重复校核，CUBE 方法跟以前的面处理方法最大不同在：测量员编辑的是一个面而不是水深点，然而他同时可以看到水深点去辅助处理，一旦正确的海底面确定，那些“跳离”的离散点将通过计算机自动剔除。CUBE 原理是通过统计已知的信息计算面最可能的水深值，这些计算包括不可靠的水深值，不可信的水深它的对面的权重越小，越可信的水深它对面的权重越大。当CUBE 运算时，网格化后的各节点水深的假设值都被计算产生，该算法并尝试选择最适合的假设值。这种算法简化了测量员的工作，因为测量员只需要检查区域里正确的假设值被选择就可，这种处理方法大大减少了处理的时间，测量员能够利用他的空间分析技能来确保正确的海底面被选择，而不是运用他的鼠标技能来处理多波束数据。加上一些“黄金水深”最浅点被指定不动的功能，这些都确保了最后的成图水深能够确保航行安全。
　　
　　4.结论
　　用CUBE算法处理多波束数据近两年已被国际上大多数的软件采用，正是其高效率高质量的处理方法，使其在国际已获得广泛的应用。当前使用比较广泛的CARIS /HIPS6.0版本中也已取得了该算法的使用权，相信不久的将来将在海事测绘方面得到广泛应用。
　　由于该算法具备较高的智能化处理，其对测量使用人员提出了更高的要求。具备全方面的海洋测绘知识是必需的，除此之外，下面几方面也是测量使用人员应该注意吸收提高的：一是对多波束系统精确校准及误差来源的判断，二是要具备良好的海洋方面知识，特别在对海底地貌判断及海床的构成方面。相信借助CUBE技术的成熟应用，将会带来多波束测绘数据处理的另一次革命性变革，将测量人员从繁重的多波束内业处理中解放出来，为多波束的广泛应用提供良好的基础。
　　
　　参考文献：
　　《CUBE in Caris Hips and Sips 6.0》、 caris、 2006
　　《Automatic processing of high-rate,high-density multibeam echosounder data》、 Br Calder and La Mayer 、June 2003

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