多波束声速剖面的动态选取方法

高建尽，赵 犇

(1.海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012；2.92899部队，浙江 宁波 315200)

多波束声速剖面的动态选取方法

高建尽1，赵 犇2

(1.海军蚌埠士官学校，安徽 蚌埠 233012；2.92899部队，浙江 宁波 315200)

在顾及水体声速变化规律与空间位置及时间相关性的前提下，以时间最近法与距离最近法为基础，利用平均声速模型获得深度误差比，再利用深度误差比分析时间最近法与距离最近法的优劣，从而动态选取声速剖面，同时针对动态选取方法的不足进行扩展。实验结果表明，在削弱声速误差影响方面，当参照的水体声速变化规律与实际情况相符时，扩展后的动态选取方法要优于常用方法。

多波束测深；声速剖面；动态选取法

多波束系统声速误差影响对后续数据处理非常重要，尤其是对顾及海底地形测深模式的系统误差处理研究具有实际意义。声速剖面仪的测量精度及多波束选取声速剖面的方式是声速误差的主要来源[1-3]，鉴于目前常采用的以有限数量采样点来控制整个测区的声速获取方式，声速误差普遍存在。

本文在分析声速剖面常用选取方法的基础上提出声速剖面的动态选取方法，即针对某一测点，分析目前常用的几种声速剖面选取方法的优劣，动态选取较优的方法。

1 常用声速剖面选取方法

在多波束数据后处理中，常用的声速剖面选取方法有如下4种[4]：时间最近法、时间靠前法、距离最近法、一定时间内距离最近法。

事实上，如何选取声速剖面应以测区声速随时间和空间的变化特性为依据，前述4种方法也顾及到这点，但较为粗略，为具体选取声速剖面带来不确定性。为此，有必要进一步研究测区声速变化特点，根据声速剖面对测深值的影响，动态选取最优方法。

2 声速剖面的动态选取方法

时间最近法与距离最近法的理论依据是测区声速特性与时间和空间位置存在一定的相关性，所以在探讨动态选取法时，以时间最近法与距离最近法为基础。动态选取法的基本原理是针对某一测区，分析4种常用方法的优劣，动态选取较优的方法。为了方便叙述，首先给出深度误差比和测点平均声速的定义。

2.1 深度误差比

根据William Capell的理论[5]，当表层声速已知时[6-7]，对某测点R，有

(1)

(2)

(3)

式中：Δht反映的是仅顾及声速随时间变化而导致的深度差；Δhs反映的是仅顾及声速随空间的变化而导致的深度差。结合式(2)、式(3)，定义深度误差比为

(4)

2.2 测点平均声速

仅顾及声速随时间变化时，令测点R的平均声速为

(5)

仅顾及声速随空间变化时，可采用整个测区声速剖面插值获取基于空间位置的平均声速

(6)

事实上，测区声速的变化是随时间和空间变化的综合影响结果，为此，本文定义

(7)

由于测点R的任意性，所以式(7)构建整个测区基于时间和空间的平均声速模型。

2.3 动态选取法

当ρ>1时，即采用时间最近法获得的深度误差大于距离最近法，此时应选取距离最近法所选的声速剖面；当ρ<1时，即采用时间最近法获得的深度误差小于距离最近法，此时应选取时间最近法所选的声速剖面；当ρ=1时，即采用两种方法获得的深度误差相等，此时选择两种方法的声速剖面均可行，根据国内的测量实际选取时间最近法[8]。

2.4 实例分析

为了验证动态选取方法的有效性，选取东海某区域连续8 d实测的16个声速剖面进行分析，并按时间先后顺序进行编号。

各声速剖面中，3、5号声速剖面位置重合，1、11、15、16号声速剖面位于边界上，不符合实验要求，具体空间分布见图1。

图1 声速剖面空间分布示意图

分别选取部分声速剖面点作为检验点，其他点用于构建平均声速模型，得到测区基于时间和空间的平均声速模型各12个。以位于测区中央的8号声速剖面为检验点时，构建测区基于时间的平均声速模型见图2，构建基于空间的平均声速模型见图3。

图2 平均声速随时间的变化

图3 平均声速随空间位置的变化图(m/s)

图2反映了测区平均声速随时间的变化。根据8号声速剖面(星形标记处)的时间参数，可得到该点的平均声速为1 536.70 m/s。图3反映了不同位置平均声速的变化，星形标记处的平均声速为1 536.72 m/s。

对于8号声速剖面，采用时间最近法得到的平均声速为1 537.63 m/s；采用距离最近法得到的平均声速为1 535.42 m/s。结合从平均声速模型获取的声速数据，可计算出该位置的深度误差比ρ8=0.71。比值小于1，可知在8号点应采用时间最近法。同理，通过对选定实测的12个有效声速剖面进行计算分析，计算结果见表1。

表1 声速剖面动态选取方法的结果

由于海水声速变化十分复杂，通常情况下构建的平均声速模型与实际声速特性之间存在一定差异，使得ρ值与采用最近法获取的深度差的比值并不相等。在少数检验点(如7、9和12号点)上，这种差异还会造成动态选取法选取结果的偏差。但从总体上看，平均声速模型能在一定程度上反映测区声速特性的变化规律，动态选取法在大多数检验点上选取得到较小深度不符值的声速剖面。

动态选取方法实现了在时间最近法与距离最近法之间的动态选取，按照各项指标的比较标准，动态选取方法要明显好于两种直接选取方法。但是，动态选取法未顾及时间靠前法和一定时间内距离最近法的选取依据，在减小声速误差方面存在局限性。因此，在具体分析4种常用方法的选取质量后，应在其质量最好的两种方法中动态选取最优方法。

使用常梯度声线跟踪方法计算各检验位置分别采用参考声速剖面和实际声速剖面时的深度不符值，并利用深度差值的均方根(RMS)等指标来衡量选取方法的质量，对选取方法的质量评定见表2。

招聘办公室设在二楼，主考官把应试者集中在一间会议室里，告诉大家，应聘装修工的等下去做现场考试，应聘管理人员的到经理办公室分别面试。应聘装修工的被带走了，就剩下三名管理人员应试者坐在那，一个一个被叫到经理室面试，竹韵是最后一个被叫进去的。

本文认为质量评定方法应当首先比较RMS值，然后再比较超限点数。这是因为RMS值衡量的是深度误差的平均水平，一般情况下RMS值越大，超限点数越多，若出现RMS较大但超限点很少的特殊情况，说明RMS的增大是由于少数测点深度异常引起的，此时选取方法较同等RMS条件下超限点较多的选取方法具有优势；若超限点数和RMS值均相等，则需要再比较最大误差和次大误差的量级[9]。基于这一评价标准，4种常用方法的优劣顺序为：一定时间内距离最近法、时间靠前法、时间最近法、距离最近法。

表2 声速剖面选取方法的质量评定

3 动态选取法的扩展

通过实例的分析可知，基于时间与距离最近法的动态选取多项指标劣于一定时间内距离最近法，并非最优选取。为解决这一问题，通过对选定实测的12个声速剖面进行分析，对动态选取方法进行扩展。

在距离最近法与时间最近法之间的动态选取，称为动态选取法Ⅰ；在时间靠前法与一定时间内距离最近法之间，称为动态选取法Ⅱ；在距离最近法与时间靠前法之间，称为动态选取法Ⅲ；在距离最近法与一定时间内距离最近法之间，称为动态选取法Ⅳ；在时间最近法与时间靠前法之间，称为动态选取法Ⅴ；在时间最近法与一定时间内距离最近法之间，称为动态选取法Ⅵ。

经扩展后的动态选取方法评定如表3所示。对表3的数据进行分析，可得如下结论：

1)方法Ⅰ、方法Ⅲ和方法Ⅳ的质量评价指标十分接近，较其他动态选取方法的质量偏低，这是因为两方法在3、5号检验点处选取失误造成。3、5号检验点采用距离最近法造成的深度误差较大，一旦选取失误，将对选取方法的评定结果产生重大影响。造成选取失误的原因在于本例中1～5号点处测区的平均声速变化十分剧烈。

2)方法Ⅴ和Ⅵ的质量接近，因为方法Ⅵ的候选方法包括最优常用选取方法，但选取失误差数较多；而方法Ⅴ的候选方法虽包括超限点较多的时间最近法，但选取的失误差数较少，两方法的质量很大程度由时间靠前法决定。从评价指标上看，两方法较方法Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ有一定的提高，这主要是因为两方法的候选方法均不包括可能大幅增加RMS值的距离最近法。

3)由于方法Ⅱ的候选方法为时间靠前法和一定时间内距离最近法，两方法在常用选取方法中质量靠前，因而相对其他5种动态选取方法，方法Ⅱ的RMS值和超限点数均为所有方法中最小值，是较为理想的动态选取方法。

表3 动态选取方法的质量评定

4 结束语

常用选取方法在整个测区均使用同一原则选取，当依据的声速特性与实际不符时，会带入较大的声速误差，降低测深成果质量。目前，海测部队在多波束测量时常用一定时间内距离最近法，本文提出的扩展的动态选取方法Ⅱ顾及了测区的声学特性，使用深度误差比作为选取依据，较常用方法显得更为合理，同时是包括4种常用方法和6种动态方法在内的最优方法，对于提高测深成果质量十分有益。

[1]赵建虎, 刘经南. 多波束测深及图像数据处理[M]. 武汉:武汉大学出版社, 2008.

[2]朱庆，李德仁. 多波束测深数据的误差分析与处理[J].武汉测绘科技大学学报, 1998, 23(1):1-4.

[3]赵建虎, 周丰年, 张红梅,等. 局域空间声速模型的建立方法研究[J]. 武汉大学学报:信息科学版, 2008, 33(2): 199-202.

[4]CARIS. Caris HIPS and SIPS 6.1 user’s guide [M]. Canada: CARIS. 2007: 499-508.

[5]CAPELL W J. Determination of Sound Velocity Profile.Errors Using Multibeam Data[J]. Proceedings of Oceans99, Seattle, WA, US, September 1999 :23-25.

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[7]熊传梁, 王琪, 李明叁. 多波束测深数据确定声速剖面方法研究[J]. 海洋技术, 2009, 28(3): 54-56.

[8]殷晓冬, 李宜龙, 周君华,等. 基于Ping的多波束测深精度评估方法研究[J]. 测绘通报, 2007(3): 8-11.

[9]阳凡林. 多波束水深和图像数据精细处理方法及其应用[D]. 青岛：山东科技大学，2007:15-16 .

[责任编辑：张德福]

Dynamic selection method about sound speed profile based onmulti-beam sounding

GAO Jian-jin1,ZHAO Ben2

(1.Bengbu Naval Petty Officer Academ,Bengbu 233012,China; 2.Troops 92899,Ningbo 315200,China)

For the relativity between the sound speed characteristic of water and sounding time or spatial position, it acquires the depth error ratio by mean sound speed model based on the nearest neighbor classification method and the most approaching time method. Then, sound speed profile is chosen dynamically by comparing with them. At the same time, the dynamic selection method is developed. The experiment results indicate: if refered sound speed characteristic accords with real situation, developed dynamic selection method is better than the current method.

multi-beam sounding; sound velocity profile; dynamic selection method

2014-02-20

高建尽(1979-),男，讲师.

P733.2

：A

：1006-7949(2014)11-0034-04