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多波束系统测深异常处理理论与方法研究

作　者: 王海栋
导　师: 柴洪洲
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 多波束测深系统异常值海底地形抗差估计趋势面最小二乘配置普通Kriging法 CUBE算法
分类号: P229
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 81次
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内容摘要

多波束测深系统的异常值是影响海道测量成果准确性、海底地形生成精度的主要因素。本文针对测深异常的检测算法,海底地形的生成,测深数据的实时处理等进行了研究,论文的主要内容概括如下:1、针对多波束测深系统无法确定所测海底的真值,分别利用函数和插值方法对海底地形进行模拟,并比较和分析了各种模拟方法的优劣。进而分别对不同分布类型的多波束数据进行模拟,解决了算法实验中多波束“真值”数据的来源问题。2、提出了抗差趋势面检测算法,通过等价权来判断异常,避免了多波束数据含异常值较多时,最小二乘趋势面算法效果下降的问题。同时,通过分析异常值数量对IGGⅢ权函数界值的影响,得出数据质量越差,界值应越小的取值规律。3、建立了多波束测深数据处理的函数模型和随机模型,结合等价权因子推导了协方差函数的抗差求解公式,并利用抗差最小二乘配置对实测数据进行处理,结果显示,该算法能准确计算协方差函数并同时检测异常,具有较高的估值计算精度。顾及该算法处理的数据对航行安全性的影响,使数据在准确显示海底的同时,有效保证舰船航行的安全。4、普通Kriging法能够顾及随机误差的影响和测深数据间的相关性,但由于异常值干扰了该算法的变异函数计算,本文再次结合等价权因子推导了基于抗差估计的变异函数求解公式,明显提高了算法处理数据的稳健性。同时,将抗差最小二乘配置与该算法进行比较,结果显示两者计算精度接近,但前者无需剔除异常值就可直接进行估计,因此具有更大的优势。5、对测深数据成果输出的工序进行改进,提出了结合异常检测的海底地形网格化方法,并利用实测数据进行实验,重点研究了基于抗差最小二乘配置的规则格网和基于抗差趋势面的TIN生成,结果显示,前一算法不仅能准确计算格网点水深,同时还能正确检测异常值,后一算法也避免了异常值对TIN生成的影响,使海底地形构建的效率和精度得到了提高。6、探讨了多波束数据处理的CUBE算法,对该算法多重估计的实用性和最优估值选取准则进行了详细分析,提出了多波束异常实时处理和测深数据成图显示的工序流程,为研究测深数据实时质量控制提供理论参考。同时,针对该算法中Kalman滤波的不足,提出抗差Kalman滤波对其加以改进,并通过实验比较,进一步验证了改进算法的有效性。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
第一章绪论  11-21
  1.1 多波束测深系统简介及原理分析  11-14
    1.1.1 多波束测深系统背景及发展现状  11-12
    1.1.2 多波束测深系统结构  12-13
    1.1.3 多波束系统测深原理  13-14
  1.2 多波束测深系统的误差影响及其处理  14-17
    1.2.1 多波束测深系统的各种误差影响  14-16
    1.2.2 多波束测深系统的误差处理  16-17
  1.3 测深异常检测算法研究现状  17-19
    1.3.1 国外研究现状  17-18
    1.3.2 国内研究现状  18-19
  1.4 论文完成的主要工作  19-21
第二章海底地形及多波束数据模拟方法研究  21-32
  2.1 概述  21
  2.2 海底地形模拟算法研究  21-26
    2.2.1 海底地形的函数模拟  21-23
    2.2.2 海底地形的空间插值模拟  23-26
  2.3 多波束测深数据模拟  26-30
    2.3.1 多波束测深数据空间分布特征  26-28
    2.3.2 测深数据坐标转换及投影显示  28-29
    2.3.3 模拟实例  29-30
  2.4 本章小结  30-32
第三章基于趋势面的多波束测深异常自动检测  32-41
  3.1 概述  32-33
  3.2 趋势面模型的建立  33-34
  3.3 基于最小二乘估计的趋势面异常值检测  34-36
    3.3.1 最小二乘趋势面检测算法原理  34
    3.3.2 算法实例  34-36
  3.4 基于抗差估计的趋势面异常值检测  36-40
    3.4.1 基于抗差趋势面检测算法原理  36-37
    3.4.2 算法实例  37-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章顾及随机误差影响的多波束异常处理  41-56
  4.1 概述  41-42
  4.2 抗差最小二乘配置算法研究  42-46
    4.2.1 测深数据配置模型的建立与解算  42-43
    4.2.2 协方差函数的抗差拟合  43-45
    4.2.3 抗差最小二乘配置的实现  45-46
  4.3 基于抗差估计的普通Kriging 法研究  46-50
    4.3.1 多波束数据的平稳假设与内蕴假设  46-47
    4.3.2 普通Kriging 法简介  47-48
    4.3.3 变异函数的抗差拟合  48-50
  4.4 算法实现及其比较分析  50-53
  4.5 航行安全性的考虑  53-55
    4.5.1 “舍深取浅”原则的算法实现  53
    4.5.2 算例与分析  53-55
  4.6 本章小结  55-56
第五章结合多波束异常检测的海底地形生成  56-66
  5.1 概述  56-57
  5.2 结合异常检测的海底规则格网构建  57-61
    5.2.1 规则格网构建方法简介  57-59
    5.2.2 基于抗差最小二乘配置的规则格网构建  59-60
    5.2.3 算例实现  60-61
  5.3 结合异常检测的海底TIN 构建  61-64
    5.3.1 TIN 构建方法简介  61-62
    5.3.2 结合抗差趋势面异常检测算法的TIN 构建  62-63
    5.3.3 算例实现  63-64
  5.4 海底地形规则格网和TIN 生成的比较分析  64
  5.5 本章小结  64-66
第六章 CUBE算法研究及多波束测深异常的实时处理  66-78
  6.1 概述  66
  6.2 基于CUBE 算法的多波束数据处理  66-73
    6.2.1 CUBE 算法模型的建立  67-68
    6.2.2 CUBE 算法的格网节点估计  68-69
    6.2.3 多重估计及最优估值选取准则  69-71
    6.2.4 CUBE 算法实现及特点分析  71-73
  6.3 多波束测深异常的实时处理  73-74
  6.4 基于抗差估计的CUBE 算法改进  74-76
    6.4.1 CUBE 算法的抗差Kalman 滤波改进原理  74-75
    6.4.2 改进后的CUBE 算法过程及实验分析  75-76
  6.5 本章小结  76-78
第七章结论及下一步研究工作  78-81
  7.1 论文结论  78-80
  7.2 下一步研究工作  80-81
参考文献  81-86
作者简历攻读硕士学位期间完成的主要工作  86-87
致谢  87

多波束系统测深异常处理理论与方法研究

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