多波束水深数据精度评估方法研究

魏荣灏,张坚,史永忠

(浙江省河海测绘院,浙江 杭州 310008)

1 问题的提出

21世纪是海洋的世纪,随着人们对海洋探索和认识活动的深入,海洋测绘作为一切海洋活动的基础,其重要性日益突出。传统的海洋测绘采用单波束测深仪结合全球定位系统进行,已经难以满足当前经济迅猛发展对海图精度与现势性的要求,而多波束测深系统以其快速、多倍于水深的条带测深及全覆盖的特点,在港口、码头及航道测量中得到了广泛的应用。

多波束测深系统是由多个组件构成复杂系统,测量精度受到外界环境影响大,测量误差来源多,且各种多波束系统测量原理不同,尚未有成熟的误差模型对其进行分析。当前评估多波束测深系统精度的方法主要有2种:内符合精度和外符合精度。内符合精度可以确定除系统偏差外的所有误差源的综合误差,而外符合精度可用于多波束系统的系统偏差和外侧波束精度的分析和评估[1]。

无论采用哪种方式对多波束测深系统进行精度分析,都需要对大量的数据进行处理分析,若采用人工方法进行比对,不但耗时长,效率低下,且存在错漏现象。基于以上原因,阐述了一种多波束水深数据快速评估方法,可对数据进行自动化处理。

2 算法及实现

该方法主要是通过不同的数据比对进行精度评估,如相邻条带间重合的多波束测深数据可进行内符合精度,而多波束测深数据与检测线数据则可进行外符合精度。处理时首先读入比较所需数据,经过排序处理后,通过搜索抽取出给定范围内的水深点,求取相同点或邻近点在不同时刻获取的水深数据差值,保存到文件中,对其进行处理后可进行精度评估。其流程见图1。

图1 程序流程图

2.1 数据排序

由于多波束测深数据的数据量较大,故数据排序时需选择时间复杂度较低的算法,而当前的计算机内存较大,对排序算法的空间复杂度要求不高。所以在选择排序算法时,主要考虑时间复杂度,常见排序算法时间复杂度见表1。

表1 常见算法时间复杂度表[2]

对于海量数据,N通常是很大的,在N特别大时,时间复杂度为O(nlog2n)速度最快,如快速排序、堆排序和归并排序等。实践应用证明,快速排序是所有排序算法中最高效的一种,故选用快速算法进行排序。快速排序采用了分治的思想,先保证列表的前半部分小于后半部分,然后分别对前半部分和后半部分排序,直到整个列表为有序的。排序时,以东坐标为主关键字,北坐标为次关键字,对水深数据按升序排序,并将结果存储到内存中,便于下一步处理。

2.2 数据搜索比对

多波束测深原始数据经处理后常导出为规则格网数据水深数据,为提高效率,将搜索范围设置为正方形,其边长设置为规则格网的边长(见图2)。比对时,依次从比对数据中读取水深数据,以左下角点和右上角点为标志生成该点的搜索区域,然后在测量数据中采用折半查找法寻找该范围内是否有水深数据。如果找到满足条件的测深数据,则计算测深数据和比对数据点间的平面距离及水深差值,并保存相关的数据,无则读取下1个点。重复以上过程直到完成所有的校准点比对。

图2 搜索范围示意图

2.3 数据输出

在完成所有数据的比对后,将有效比对数据保存到文件中,便于用户进行各种统计及精度分析评估。

3 实际算例

将该算法编写为程序,应用于杭州湾某处油管监测数据分析。搜索时,将地形图上1mm范围内的2点视为有效比对点。该项目采用的1∶1000比例尺,将网格边长设置为1 m。为保证数据的正确性,先对多波束测深设备的校准结果进行内符合精度评估,有效检测数据为1574个,检校结果见表2。表2数据表明该系统校准结果理想,校准参数可用于解算测量数据。该项目测量面积约为12 km2,共采集多波束测深数据约15万个,单波束有效检测数据3792个,利用该程序进行比对,并进行外符合精度评估,结果见表2。从表2可见该次测量结果是可靠、准确的。

表2 校准数据内符合精度比对表

表3 油管测量数据比对表

4 结 语

多波束水深文件快速评估方法的优点:①采用了优秀的排序算法,耗时短;②针对网格数据搜索进行了一定的优化,计算时间短;③输出结果丰富,便于用户进行深入分析。但是,由于主要考虑多波束测深文件比较,对单波束非格网数据优化支持不够,且比对搜索时只是利用了相邻点进行求差,仍显粗糙。下一步工作将在分析各种插值算法的基础上,对格网/非格网数据进行插值比对,满足用户对各种测深数据的比对要求。同时,为客户提供各种精度分析评价功能也在进行中。

[1]李家彪.多波束勘测原理技术与方法[M].北京:海洋出版社,1999.

[2]塞奇威克.算法:C语言实现(第1-4部分基础知识、数据结构、排序及搜索)[M].霍红卫,译.北京:机械工业出版社,2009.