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多波束测深合理探测方案的设计及效果分析
摘要
多波束测深系统比单波束测深系统测量范围大、精度高,适合大面积海
底地形的勘探。在实际探测中,海底地形起伏大,不能简单地根据海区平均
水深设计测线间隔。本文基于对覆盖宽度、重叠率等的分析,建立了适当的
数学模型,设计了合理的探测方案,对提高探测效率和准确性有一定作用。
对于问题一,本文建立了二维平面上计算多波束测深的覆盖宽度及条带
重叠率的数学模型。根据问题的变化,我们首先给出了坡面情况下重叠率的
计算方法。利用三角形中存在的几何关系推导出了海水深度、覆盖宽度、重
1
叠率的计算公式,并计算相关数值将其填入表,发现最浅两条测线出现了
漏测现象。
对于问题二,本文在第一问的基础上,在不同测线方向的情况下以深度
与坡度角度完善了在三维情况下多波束测深覆盖宽度的数学模型。我们首先
提取出了三个主要参数:当前坡度、当前深度、当前开角,并分析了它
们之间存在的关系。推导出了各参数在三维情况下的求解公式,以此公式计
2
算出了题中所列位置多波束测深的覆宽,并将它们填入表。
对于问题三,本文制定了基于贪心思想的测线设计方案。我们首先分析
出需要使得在各点最宽以得到最短路径和最佳航向,以重叠率为控制条件
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进行迭代计算。经过优化后,我们得到了平行的测线方向,共条。同时对
不同重叠率下的路线数量和平行方向上的航线密度做了横向分析。
对于问题四,本文首先采用微分思想,利用插值拟合和随机森林模型对
数据进行预处理以及数据特点分析,深入探讨了不同曲面以及开角情况下的
测量状态,基于第三问的研究改进了飞蛾火焰算法,并给出具体的路径搜索
流程,在对区域进行分块之后,以重叠率为%,在空间内迭代搜索了各区
域最佳路径,给出各个分区的数据,经过整合之后,得到了最优化的路线且
覆盖率达.%,测线总长度为
综上所述,本文基于微分思想和贪心思想建立层层递进的计算与智能搜
索模型。我们首先建立二维平面上的多波束测深的覆盖宽度及条带重叠率的
数学模型,然后扩展至三维空间中,从简单地形测线的设计推进到复杂真实
海底测量策略的优化,解决了多波束测深系统最优路线方案的设计问题,并
且给出具体的图像和精确数据。对使用多波束测深系统进行实际海底地形测
绘有一定参考价值。
关键词:空间几何贪心思想微分随机森林飞蛾火焰算法多波束测深
1
一、问题重述
1.1问题背景
一份详细的海底地形图可以保障水下船体航行,同时在预测海洋灾害、探测
海底资源等方面具有重要作用。测绘海底地形图有多种方法,其中多波束测深系
统是一种用于测量海底地形的、承载多传感器的系统。它比单波束测深系统测量
范围大、速度快、精度高,特别适合大面积海底地形的勘探。
进行探测时,测线产生的相邻条带需要有10%~20%的重叠率。重叠率过高
会导致数据冗余、处理测量结果过程繁琐;重叠率过低会导致漏测。由于在实际
探测中,海底地形较为复杂,不能简单地根据海区平均水深设计测线间隔。为了
避免重叠率过高或过低的情况、提高探测效率和准确性,需要建立适当的数学模
型,来设计合理的测线间隔。
1.2需要解决的问题
1
.当测线方向垂直的平面与海底坡面的交线面面角为时:
(1)建立计算多波束测深的覆盖宽度及相邻条带之间重叠率的数学模型。
(2)依据该模型计算表1中的各指标值。
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