[发明专利]基于多波束声纳海底测量数据构建三维地形矢量模型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及是一种基于地形测量数据构建三维地形模型的方法，特别是涉及一种多波束声纳的测量数据进行三维矢量地形模型构建的方法。

背景技术

由于海洋环境地形复杂、海况恶劣且存在难以预测的作业风险，无法采用人工方式直接完成海底地形测量与作业，近年来基于无人自主水下航行器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)及其载荷的声学(如多波束声纳)等传感器实施海底地形、地貌测量作业，已成为海洋勘测与海洋学调查领域内安全有效的手段之一和技术发展趋势。然而，声学传感器的专用软件仅能为用户提供被测量地形的显示界面，其软件平台的依赖性使得测量数据无法直接生成海底地形模型(特别是生成矢量化的地形模型)，无法基于离散测量数据完成对非结构化地形的连续处理与分析，难以达到海洋环境勘测与地形绘制的作业目标。因此，寻求基于声纳测量数据构建非结构化海底的矢量地形模型，用于可视化地形显示与数据分析，在AUV及其声学传感器工程实际应用与海洋勘测技术研究领域，就显得尤为迫切。

目前，国内外试图寻求一种有效的手段用于多波束声纳地形测量数据的建模。如高金耀等人在文献《多波束数据的海底数字地形模型构建》(海洋通报，2003年，第23卷第1期)中，在权重配赋网格插值基础上，提出分形fBM和张力样条配合使用的方程式插值方法，构建了格网数据模型，该方法适合于结构化地形环境构建。马建林等人在文献《多波束测深海底数字地形模型的建立》(海洋测绘，2005年，第25卷第5期)中针对多波束数据的特点，采用改进的IDW算法构建规则格网地形数据模型，该方法适合于结构化地形环境构建。海军海洋测绘研究所的贾俊涛等人在文献《基于海量多波束数据的海底地形模型的构建与可视化》(测绘科学技术学报，2008年，第25卷第4期)中亦采用格网数据模型构建海底地形，该方法适合结构化环境。上述研究中所提出的地形模型构建方法均仅适合于结构化环境建模，而海底地形均呈现非结构化特性，因此，这些结构化地形建模方法难以满足地形测绘的工程实际应用需求。

上海大学的顾晨等人在发明专利《基于多波束声纳数据的水下三维地形重建方法》中公开了一种基于多波束声纳数据的水下三维地形重建方法，其特征在于：首先对Seabeam2000多波束声纳系统采集的测深数据进行内插，计算得到各点的波束与水平线之间的夹角波束射程R_s和波束入射角α；然后根据多波束声纳系统采集的回波强度数据I_s与波束入射角α拟合Lambertian反射模型参数ρ，利用有限差分法校正波束与水平线之间的夹角迭代N次，使估算出的回波强度数据与采集的回波强度数据平均相对误差绝对值最小，计算此时的测深数据，重建水下三维地形，否则就迭代拟合模型参数来估算回波强度数据。该研究方法提高了测深数据的空间分辨率，侧重于数据处理，而不是地形建模算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多波束声纳海底测量数据构建三维地形矢量模型的方法，以解决多波束测距传感器只能提供离散地形高程且仅能查询测量点地形参数的缺点。本发明包括下述步骤：

一、利用无人自主水下航行器采用多波束声纳，采集海底区域地形的采样点水平坐标及所对应的高程数据，作为多波束声纳地形测量数据点；

二、构建Delaunay三角网；具体过程如下：对所有的多波束声纳地形测量数据点，按照水平地理坐标的横坐标X和纵坐标Y，进行排列；连接横坐标X值最小的两点p₁和p₂，并将此两点中纵坐标y值大的点指向纵坐标y值小的点的方向作为初始基线的方向；

对前述的初始基线的两端点p₁和p₂，按照其地理坐标p₁(x₁，y₁)，p₂(x₂，y₂)，确定初始基线p₁p₂的方程为：F(x，y)＝y-(ax-b)                                (7)

式中a＝(y₂-y₁)/(x₂-x₁)，b＝(x₁y₂-x₂y₁)/(x₂-x₁)；