本發(fā)明涉及多波束數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在多波束測深系統(tǒng)中，由于噪聲、換能器表面水體氣泡、聲線彎曲等因素影響，多波束水深測量數(shù)據(jù)中不可避免地存在粗差，給準(zhǔn)確反映海底地形特征帶來困難，甚至導(dǎo)致整批資料作廢。因此，粗差剔除是多波束數(shù)據(jù)處理和海底地形特征研究的必經(jīng)環(huán)節(jié)。而趨勢面濾波方法是一種普遍采用的多波束測深數(shù)據(jù)粗差探測與剔除方法。它由法國學(xué)者nathaliedebase于1998年首次提出后，受到了國內(nèi)外海洋機構(gòu)和學(xué)者的廣泛采用。趨勢面濾波方法通過最小二乘原理擬合一個二階或三階趨勢面來近似小區(qū)域的原始水下地形，計算實測水深值與曲面擬合水深值的差異，根據(jù)3倍中誤差原則標(biāo)定和剔除測深粗差。

趨勢面濾波方法計算簡單，為多波束測深數(shù)據(jù)提供了良好的質(zhì)量控制手段。國外的nathaliedebes等人和國內(nèi)的趙建虎等人基于抗差m估計理論，提出了不同的抗差趨勢面濾波方法，改進了曲面擬合和粗差標(biāo)定的精度，提高了該方法的穩(wěn)健性。但是，現(xiàn)有的趨勢面濾波方法都犧牲了一定的有效性，可能將殘差很大的卻不包含粗差的測深值剔除，造成粗差的誤標(biāo)定。

因而現(xiàn)有技術(shù)還有待改進和提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有趨勢面濾波方法存在的有效性不足導(dǎo)致的粗差誤標(biāo)定問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，其包括：

對多波束的測量區(qū)域進行網(wǎng)格劃分；

利用最小平方中位值方法將網(wǎng)格內(nèi)的測深點擬合為二階趨勢面，并得到所述二階趨勢面的擬合方程；

根據(jù)所述擬合方程計算每個測深點的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值，并將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列形成標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，以及計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率；

根據(jù)所述分布概率選取粗差標(biāo)定值，并采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值；

重復(fù)執(zhí)行擬合至剔除步驟直至擬合系數(shù)的變化量小于預(yù)設(shè)限差且粗差測深值均被剔除。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，其中，所述擬合方程的擬合系數(shù)矩陣為：

a0＝argminmed[zi-f(xi,yi)]²

其中，med[zi-f(xi,yi)]²表示殘差平方的中位值，argmin表示令其取到最小值，xi，yi分別表示第i個測點的平面坐標(biāo)，zi表示第i個測點的測深值，f(xi,yi)表示擬合函數(shù)。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，其中，所述根據(jù)所述擬合方程計算每個測深點的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值，并將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列形成標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，以及計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率具體包括：

根據(jù)所述擬合方程及測深值計算每個測深點的殘差絕對值，并統(tǒng)計所述殘差絕對值的均方差；

根據(jù)所述均方差對所述殘差絕對值進行標(biāo)準(zhǔn)化，以得到標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值；

將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列得到標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，并計算每個標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，其中，所述根據(jù)所述分布概率選取粗差標(biāo)定值，并采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值具體包括：

根據(jù)所述分布概率計算網(wǎng)格內(nèi)的粗差數(shù)據(jù)比例，并根據(jù)所述粗差數(shù)據(jù)比例計算粗差標(biāo)定值；

以所述粗差標(biāo)定值為依據(jù)采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，其中，所述測深點標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率為：

f⁺(vk)＝2φ(vk)-1

其中，vk表示標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值，k＝1,2,...,n表示序列號，f⁺(vk)表示標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率，φ(·)表示一維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率函數(shù)。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，其中，所述粗差數(shù)據(jù)比例為:

其中，n表示測深點個數(shù)，k0表示標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值小于3的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的最大序列號。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，其中，所述粗差標(biāo)定值為：

其中，表示取小于n-ndz的最大整數(shù)。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，其中，所述粗差標(biāo)定原則為：

一種多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波系統(tǒng)，其包括：

劃分模塊，用于對多波束的測量區(qū)域進行網(wǎng)格劃分；

擬合模塊，用于利用最小平方中位值方法將網(wǎng)格內(nèi)的測深點擬合為二階趨勢面，并得到所述二階趨勢面的擬合方程；

計算模塊，用于根據(jù)所述擬合方程計算每個測深點的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值，并將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列形成標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，以及計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率；

剔除模塊，用于根據(jù)所述分布概率選取粗差標(biāo)定值，并采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值；

循環(huán)模塊，用于重復(fù)執(zhí)行擬合至剔除步驟直至擬合系數(shù)的變化量小于預(yù)設(shè)限差且粗差測深值均被剔除。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波系統(tǒng)，其中，所述剔除模塊具體包括：

計算單元，用于根據(jù)所述分布概率計算網(wǎng)格內(nèi)的粗差數(shù)據(jù)比例，并根據(jù)所述粗差數(shù)據(jù)比例計算粗差標(biāo)定值；

剔除單元，用于以所述粗差標(biāo)定值為依據(jù)采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法及系統(tǒng)，所述方法包括：對多波束的測量區(qū)域進行網(wǎng)格劃分；利用最小平方中位值方法將網(wǎng)格內(nèi)的測深點擬合為二階趨勢面，并得到所述二階趨勢面的擬合方程；根據(jù)所述擬合方程計算每個測深點的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值，并計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率；根據(jù)所述分布概率選取粗差標(biāo)定值，并采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值；重復(fù)執(zhí)行擬合至剔除步驟直至擬合系數(shù)的變化量小于預(yù)設(shè)限差且粗差測深值均被剔除。本發(fā)明通過改進粗差標(biāo)定原則，接受觀測噪聲較大的合理測深值，降低趨勢面濾波方法的虛警率，提高濾波處理后的數(shù)據(jù)質(zhì)量，增強了趨勢面濾波方法的有效性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法較佳實施的流程圖。

圖2為本發(fā)明提供的多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法及系統(tǒng)，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明中，使用用于表示元件的諸如“模塊”、“部件”或“單元”的后綴僅為了有利于本發(fā)明的說明，其本身并沒有特定的意義。因此，“模塊”、“部件”或“單元”可以混合地使用。

下面結(jié)合附圖，通過對實施例的描述，對發(fā)明內(nèi)容作進一步說明。

請參照圖1，圖1為本發(fā)明提供的多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法的較佳實施例的流程圖。所述方法包括：

s100、對多波束的測量區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。

具體地，所述網(wǎng)格劃分可以是首先計算測區(qū)內(nèi)水深點密度，根據(jù)水深點密度設(shè)置網(wǎng)格長與寬，將測區(qū)劃分為均勻規(guī)則劃分的網(wǎng)格。

s200、利用最小平方中位值方法將網(wǎng)格內(nèi)的測深點擬合為二階趨勢面，并得到所述二階趨勢面的擬合方程。

具體地，所述趨勢面選取多波束測深數(shù)據(jù)點的大地坐標(biāo)系的維度(或直角坐標(biāo)系的北方向)為y軸，經(jīng)度(或東方向)為x軸，相應(yīng)的，所述擬合方程的表達形式可以為：

其中，i＝1,2，...，n為正整數(shù)，xi，yi分別表示第i個測點的平面坐標(biāo)，zi表示第i個測點的測深值，f(xi,yi)表示擬合函數(shù)。

所述擬合方程的矩陣形成可以表示為：

z＝a0x

其中，所述z表示所有測點的測深值構(gòu)成的向量，x表示所有測點的平面坐標(biāo)構(gòu)成的矩陣，a表示ai構(gòu)成的系數(shù)矩陣。

為了使用趨勢面在n個觀測點上最好的逼近測深值，根據(jù)最小平方中位值原理，可以得到所述a0＝argminmed[zi-f(xi,yi)]²，其中，med[zi-f(xi,yi)]²表示殘差平方的中位值，argmin表示令其取到最小值，xi，yi分別表示第i個測點的平面坐標(biāo)，zi表示第i個測點的測深值，f(xi,yi)表示擬合函數(shù)。

s300、根據(jù)所述擬合方程計算每個測深點的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值，并將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列形成標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，以及計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率。

具體地，所述根據(jù)擬合方程計算每個測深點的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值指的是將所述擬合系數(shù)矩陣代入擬合方程可以得到測深點深度的擬合值，之后根據(jù)所述擬合值以及測深值可以計算得到殘差。所述殘差可以為正值也可以為負值，從對計算得到的殘差取絕對值以得到測深點的殘差絕對值。

進一步，在獲取到所有測深點的殘差絕對值后，可以通過均方差對所述殘差絕對值進行標(biāo)準(zhǔn)化以得到標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕。所述均方差對值又稱為標(biāo)準(zhǔn)差，其指的是各數(shù)值偏離平均數(shù)的距離的平均數(shù)，用σ表示。也就是說，所述標(biāo)準(zhǔn)化的步驟具體可以包括：

s10、計算所有殘差絕對值的平均值；

s20、根據(jù)所述平均值計算每個殘差絕對值到所述平均值的距離；

s30、計算所有距離的平均值得到均方差，根據(jù)所述均方差計算每個殘差絕對值的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值。

示例性的，所述根據(jù)所述擬合方程計算每個測深點的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值，并將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列形成標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，以及計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率具體可以包括:

s301、根據(jù)所述擬合方程及測深值計算每個測深點的殘差絕對值，并統(tǒng)計所述殘差絕對值的均方差；

s302、根據(jù)所述均方差對所述殘差絕對值進行標(biāo)準(zhǔn)化，以得到標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值；

s303、將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列得到標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，并計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率。

具體地，所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列是將得到的所有標(biāo)準(zhǔn)殘差絕對值按照從大到小的順序排列得到的。所述測深點為n個，相應(yīng)的，所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列也包含n個元素，這里將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列記為{vk,k＝1,2,...,n}，其中，v1＞v2＞,....,＞vn，n表示測深點的個數(shù)。對于所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列中的每個vk的分布概率f⁺(vk)可以通過如下式子計算。所述分布概率的計算公式為：

f⁺(vk)＝2φ(vk)-1

其中，φ(·)表示一維標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的概率函數(shù)。

進一步，由于所述φ(·)為一維正態(tài)分布的概率函數(shù)，從而可以通過查表獲取2φ(vk)值，之后在根據(jù)分布概率公式可以計算每個vk的分布概率值。

s400、根據(jù)所述分布概率選取粗差標(biāo)定值，并采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值。

具體地，所述粗差標(biāo)定原則為：

其中，所述kz表示粗差標(biāo)定值，k表示標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列的序列號。

在本實施例中，所述粗差標(biāo)定值的計算過程可以為首先計算所述分布概率計算網(wǎng)格內(nèi)的粗差數(shù)據(jù)比例，再根據(jù)所述粗差數(shù)據(jù)比例計算粗差標(biāo)定值。相應(yīng)的，所述根據(jù)所述分布概率選取粗差標(biāo)定值，并采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值具體可以包括：

s401、根據(jù)所述分布概率計算網(wǎng)格內(nèi)的粗差數(shù)據(jù)比例，并根據(jù)所述粗差數(shù)據(jù)比例計算粗差標(biāo)定值；

s402、以所述粗差標(biāo)定值為依據(jù)采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值。

具體地，所述粗差數(shù)據(jù)比例的計算公式可以為：

其中，n表示測深點個數(shù)，k0表示標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值小于3的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的最大序列號。

所述粗差標(biāo)定值為：

其中，表示取小于n-ndz的最大整數(shù)。

進一步，根據(jù)所述粗差數(shù)據(jù)比例的計算公式可以看出，在計算粗差數(shù)據(jù)比例之前需要計算標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值小于3的最大序列號，并將所述最大序列號記為k0，k0的取值為1到n之間的一個正整數(shù)，當(dāng)然也可以為1或n。在本實施例中，所述k0的計算公式可以為：

k0＝max{k:vk＜3}

其中，vk為標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列{vk,k＝1,2,...,n}中的元素，k表示vk的序列號。

s500、重復(fù)執(zhí)行擬合至剔除步驟直至擬合系數(shù)的變化量小于預(yù)設(shè)限差且粗差測深值均被剔除。

具體地，所述預(yù)設(shè)限差優(yōu)選為為0.001。

綜上，本實施例提供了一種多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波方法，首先，通過將測量區(qū)域擬合為二階趨勢面，并根據(jù)所述二階趨勢面以及實際測深值計算標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值；其次，將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列得到標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，并計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列中每個標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率；然后，根據(jù)所述分別概率進行粗差標(biāo)定值，并根據(jù)所述粗差標(biāo)定值進行粗差篩選；最后，重復(fù)擬合上述過程直至擬合系數(shù)的變化量小于預(yù)設(shè)限差且粗差測深值均被剔除。本實施例通過對粗差標(biāo)定原則的改進，避免了將殘差很大的卻不包含粗差的測深值剔除的問題，并且在保證趨勢面濾波法的穩(wěn)健性的同時，還提高了趨勢面濾波法的有效性性。

本發(fā)明還提供了一種多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波系統(tǒng)，如圖2所示，其包括：

劃分模塊100，用于對多波束的測量區(qū)域進行網(wǎng)格劃分；

擬合模塊200，用于利用最小平方中位值方法將網(wǎng)格內(nèi)的測深點擬合為二階趨勢面，并得到所述二階趨勢面的擬合方程；

計算模塊300，用于根據(jù)所述擬合方程計算每個測深點的標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值，并將所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值按升序排列形成標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值序列，以及計算所述標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對值的分布概率；

剔除模塊400，用于根據(jù)所述分布概率選取粗差標(biāo)定值，并采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值；

循環(huán)模塊500，用于重復(fù)執(zhí)行擬合至剔除步驟直至擬合系數(shù)的變化量小于預(yù)設(shè)限差且粗差測深值均被剔除。

所述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波系統(tǒng)，其中，所述剔除模塊具體包括：

計算單元，用于根據(jù)所述分布概率計算網(wǎng)格內(nèi)的粗差數(shù)據(jù)比例，并根據(jù)所述粗差數(shù)據(jù)比例計算粗差標(biāo)定值；

剔除單元，用于以所述粗差標(biāo)定值為依據(jù)采用粗差標(biāo)定原則剔除含粗差的測深值。

上述多波束測深數(shù)據(jù)趨勢面濾波系統(tǒng)的各個模塊在上述方法中已經(jīng)詳細說明，在這里就不再一一陳述。

在本發(fā)明所提供的實施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的系統(tǒng)和方法，可以通過其它的方式實現(xiàn)。例如，以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，例如，所述模塊的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實際實現(xiàn)時可以有另外的劃分方式，例如多個單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機械或其它的形式。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網(wǎng)絡(luò)單元上?？梢愿鶕?jù)實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現(xiàn)本實施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用硬件加軟件功能單元的形式實現(xiàn)。

上述以軟件功能單元的形式實現(xiàn)的集成的單元，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質(zhì)中。上述軟件功能單元存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)或處理器(processor)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括：u盤、移動硬盤、只讀存儲器(read-onlymemory，rom)、隨機存取存儲器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。