顧及面積差的層內(nèi)等效二段線替代法優(yōu)化聲速剖面

肖元弼,彭認(rèn)燦,董 箭,馬政偉,劉 聚1,

1. 海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所, 遼寧 大連 116018; 2. 海軍大連艦艇學(xué)院戰(zhàn)術(shù)學(xué)博士后科研流動(dòng)站, 遼寧 大連 116018; 3. 海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋與測(cè)繪系, 遼寧 大連 116018; 4. 91388部隊(duì), 廣東 湛江 524000

對(duì)于多波束勘測(cè)這種靠聲波在水中傳播進(jìn)行測(cè)距的測(cè)深系統(tǒng),聲速作為最重要的計(jì)算參數(shù),其精度的高低將直接影響測(cè)深結(jié)果。聲線跟蹤法在追蹤波束腳印時(shí)需要用到聲速剖面(sound velocity profile,SVP),而高采樣密度的聲速剖面數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致聲線跟蹤法在分層計(jì)算和逐層累加過(guò)程中耗時(shí)較長(zhǎng),降低計(jì)算效率。通過(guò)簡(jiǎn)化聲速剖面來(lái)減少計(jì)算層數(shù)是提高聲線跟蹤計(jì)算效率的一種最直接方法,但盲目的簡(jiǎn)化會(huì)忽略聲速剖面一些特征信息,從而降低測(cè)深精度。再加之,多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)深覆蓋面廣、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn),因此,需要探究一種在聲速剖面簡(jiǎn)化過(guò)程中能兼顧數(shù)據(jù)精度的方法[1-16]。

道格拉斯-普克法(Douglas-Peucker,D-P)是一種在制圖系統(tǒng)中常用的地形特征線簡(jiǎn)化算法,主要通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)到曲線首尾連線的垂直距離作為閾值參考指標(biāo),利用幾何相似性來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜曲線。若應(yīng)用于聲速剖面簡(jiǎn)化,其存在的問(wèn)題是聲速剖面橫縱坐標(biāo)分別是速度與深度,其單位不統(tǒng)一將導(dǎo)致幾何垂直距離及閾值沒(méi)有實(shí)際物理意義。為解決聲速剖面簡(jiǎn)化問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于聲速最大偏移量(maximum offset of sound velocity,MOV)的D-P改進(jìn)算法。將聲速維度上最大距離作為閾值的參考指標(biāo),對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行取舍,相比較D-P算法,MOV算法在聲速剖面應(yīng)用下更為合理,并且能夠保留D-P算法對(duì)于曲線幾何特征保留性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。但該算法以整體水深誤差1%作為極限指標(biāo),來(lái)尋找最優(yōu)閾值,存在分層內(nèi)聲速剖面等效性不完全合理的情況,尤其在特殊的聲速剖面情況下閾值收斂性較差。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于面積差約束的聲速剖面自適應(yīng)簡(jiǎn)化方法,通過(guò)對(duì)所有采樣點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)取舍判斷,在確保聲速剖面精度和基本空間變化結(jié)構(gòu)情況下,簡(jiǎn)化率和跟蹤精度較高,在聲速剖面起伏波動(dòng)頻率較高的區(qū)域尤為明顯。但整體聲速剖面運(yùn)用面積差約束尋找等效替代,會(huì)導(dǎo)致層內(nèi)聲速剖面幾何特征保持性較差,并且整體計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。

本文針對(duì)聲速剖面簡(jiǎn)化后層間精度不高的情況,提出一種聲速剖面自適應(yīng)分層優(yōu)化方法——層內(nèi)等效二段線替代法(in-layer equivalent two-segment line substitution method,IETL)。該方法在實(shí)測(cè)SVP數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對(duì)MOV算法進(jìn)行改良,利用等效面積差作為約束條件,通過(guò)構(gòu)建層內(nèi)等效二段線,來(lái)對(duì)層間聲速剖面進(jìn)行優(yōu)化,以便提高層間聲速剖面精度。試驗(yàn)表明,經(jīng)過(guò)本文方法優(yōu)化后的聲速剖面,在保證整體數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上,能夠進(jìn)一步提高層間數(shù)據(jù)精度,尤其在地形波動(dòng)較大的地區(qū),其潛在的工程應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

1 方法與簡(jiǎn)化模塊

1.1 顧及面積差的IETL法

1.1.1 聲速剖面簡(jiǎn)化原則調(diào)整

聲速剖面簡(jiǎn)化的主要目的是通過(guò)減少聲速剖面上的聲速點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)減少聲速的分層數(shù),從而提高測(cè)深點(diǎn)位置計(jì)算效率。但不同于簡(jiǎn)單的幾何優(yōu)化,聲速剖面簡(jiǎn)化原則最重要的是要保證測(cè)深點(diǎn)位置精度,并在此基礎(chǔ)上提高聲線跟蹤效率。因此,傳統(tǒng)聲速剖面簡(jiǎn)化原則可歸納為:①保證波束在海底總體測(cè)深數(shù)據(jù)精度;②聲速變化相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域可合并為一個(gè)水層;③不破壞聲速剖面結(jié)構(gòu)特征信息,保留特征性較強(qiáng)的采樣點(diǎn)。

但傳統(tǒng)簡(jiǎn)化原則存在幾個(gè)問(wèn)題,首先原則①由于只考慮整體聲速替代剖面簡(jiǎn)化,而忽略了層間聲速剖面等效情況,對(duì)于海底地形變化幅度較大的區(qū)域(如斷崖等),勢(shì)必會(huì)影響測(cè)深精度;原則③對(duì)于聲速剖面變化復(fù)雜的水層,是否可以在保證測(cè)深精度的情況下,對(duì)特征采樣點(diǎn)進(jìn)行改變,以達(dá)到簡(jiǎn)化目的。本文針對(duì)問(wèn)題情況,將簡(jiǎn)化原則調(diào)整為:①保證波束在海底總體及每個(gè)水層的測(cè)深數(shù)據(jù)精度;②聲速變化相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域可合并為一個(gè)水層;③不破壞聲速剖面結(jié)構(gòu)特征信息,保留或適當(dāng)改變特征性較強(qiáng)的采樣點(diǎn)。

1.1.2 MOV算法

D-P算法是一種簡(jiǎn)化多段線的常用方法[19],如圖1(a)所示。其基本思想是先確定閾值Q,對(duì)復(fù)雜線段的首尾端點(diǎn)進(jìn)行連線,再依次計(jì)算出原始折線段間其余各點(diǎn)P到該線段的距離Hi,找到其中最大的垂直距離Himax與閾值Q進(jìn)行比較,計(jì)算公式為[19]

(1)

圖1 D-P算法與MOV算法Fig.1 D-P algorithm and MOV algorithm

式中,x表示聲速;y表示深度;P1表示原始聲速剖面第一個(gè)點(diǎn);Pn表示原始聲速剖面最后一個(gè)點(diǎn);Pi表示替代聲速剖面點(diǎn)。

若Himax≤Q,則除首尾兩點(diǎn),其余各點(diǎn)都刪除,算法結(jié)束;若Himax>Q,則保留該點(diǎn)Pi,并從該點(diǎn)處分別向首尾兩端P1、Pn進(jìn)行連線,形成兩條新的線段P1Pi、PiPn。重復(fù)迭代上述步驟,找到各自線段的所有點(diǎn)到新形成線段的最大垂直距離,繼續(xù)與閾值進(jìn)行比較,直到所有點(diǎn)到各自線段垂直距離都小于閾值,即完成簡(jiǎn)化操作。但由于聲速剖面縱坐標(biāo)為深度(單位為m),橫坐標(biāo)為聲速(單位為m/s),兩者單位不統(tǒng)一使得上述方法的幾何連線垂直距離無(wú)實(shí)際物理意義,導(dǎo)致D-P算法無(wú)法應(yīng)用于SVP簡(jiǎn)化。

針對(duì)D-P算法在SVP方面的應(yīng)用問(wèn)題,文獻(xiàn)[17]在D-P算法基礎(chǔ)上,提出了改進(jìn)的MOV算法,由點(diǎn)到線段的垂直距離改為聲速的最大偏移量,同閾值進(jìn)行比較。如圖1(b)所示,對(duì)首尾端點(diǎn)進(jìn)行連線,依次計(jì)算出原始折線段間其余各點(diǎn)到該線段的橫坐標(biāo)偏移量,即聲速偏移量Ci,找到最大距離與閾值進(jìn)行比較,計(jì)算公式為[20]

(2)

而對(duì)于點(diǎn)的判斷保留步驟與D-P算法相同。因此,MOV算法能夠很好地解決D-P算法在簡(jiǎn)化復(fù)雜聲速剖面時(shí),閾值與垂直距離沒(méi)有實(shí)際物理意義的問(wèn)題,使得此簡(jiǎn)化模型能夠應(yīng)用于聲速剖面。

等效聲速剖面表示若采用某一曲線作為簡(jiǎn)化聲速剖面進(jìn)行計(jì)算得到的測(cè)深點(diǎn)位與原始聲速剖面得到的測(cè)深點(diǎn)位一致,即認(rèn)為該曲線為等效聲速剖面[20]。雖然MOV算法作為D-P模型的改進(jìn)算法能夠?qū)η€進(jìn)行最優(yōu)簡(jiǎn)化,在設(shè)定合適的閾值后,能夠?qū)⒄w測(cè)深數(shù)據(jù)誤差控制在1%以內(nèi),滿足國(guó)際海道測(cè)量組織(International Hydrographic Organization,IHO)對(duì)水深測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn),但不同于誤差傳遞,聲線跟蹤法計(jì)算深度是一個(gè)累加的過(guò)程,可能會(huì)存在某一層聲速整體偏低,另外一層又整體偏高,與替代聲速剖面間偏移量抵消導(dǎo)致測(cè)深結(jié)果影響不大的情況。因此,整體測(cè)深數(shù)據(jù)誤差低并不能說(shuō)明聲速剖面每一層測(cè)深誤差同樣低。對(duì)聲速剖面而言,每一層的簡(jiǎn)化曲線并不一定等效于原始聲速剖面,在地形變化較大的區(qū)域,尤其是聲速變化較大的淺水區(qū),簡(jiǎn)化曲線會(huì)對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的影響。如圖1(b)所示,明顯其中第三層替代聲速剖面與原始聲速剖面存在面積差,導(dǎo)致該層部分的聲速剖面等效性較差?？梢?jiàn),雖然整體測(cè)深數(shù)據(jù)滿足精度要求,但每一層的替代聲速剖面并不一定是等效的聲速剖面,因此需要對(duì)該層進(jìn)行等效替代。

1.1.3 最大等效面積差提取方法

圖2為某一水層聲速剖面與等效聲速剖面面積差的仿真關(guān)系,圖中紅虛線為簡(jiǎn)化聲速剖面,實(shí)線表示原始聲速剖面及等效聲速剖面面積差的曲線。由圖2可以看出,除了水層的兩端點(diǎn)外,極值也產(chǎn)生在a、b、c3點(diǎn),這3點(diǎn)都對(duì)應(yīng)的是替代聲速剖面與原始聲速剖面的交點(diǎn)處,因此尋找替代聲速剖面與原始聲速剖面面積差的最值,只需在端點(diǎn)及兩條線交點(diǎn)處比對(duì)即可。記錄下水層中聲速剖面面積差的最大值,若最大值符合精度要求,即整個(gè)水層的替代聲速剖面都符合精度要求,如圖2中c點(diǎn)為該水層等效聲速剖面面積差的最大值。

圖2 聲速剖面與等效聲速剖面面積差關(guān)系Fig.2 Area difference between SVP and equivalent SVP

面積差與聲線跟蹤精度的關(guān)系模型如下

(3)

式中,εx、εy分別表示水平位移和深度的相對(duì)誤差,由原始聲速剖面聲線跟蹤得到的測(cè)深點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)及替代聲速剖面得到的坐標(biāo)(xt,yt)作參考得到;gi、gt分別表示原始聲速剖面的梯度和等效聲速剖面的梯度;ΔS為面積差;c0為初始聲速;θ0為入射角。式(3)表明在入射角θ0與初始聲速c0已知的情況下,相對(duì)誤差εx、εy只與面積差ΔS有關(guān)。可通過(guò)比較水層內(nèi)最大面積差ΔSmax得到相對(duì)誤差εmax與限差ε0的關(guān)系來(lái)判斷替代聲速剖面水層是否需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。若εmax≤ε0,說(shuō)明層內(nèi)替代聲速剖面優(yōu)化程度滿足精度指標(biāo),保留層內(nèi)替代聲速剖面點(diǎn)不做處理;若εmax>ε0,則說(shuō)明層內(nèi)替代聲速剖面優(yōu)化精度不夠,需要進(jìn)一步優(yōu)化。

1.1.4 層內(nèi)聲速剖面等效替代二段線模型建立

已知,i層間原始聲速剖面與y軸(深度軸)圍成的面積是固定的Vi,因此其層內(nèi)聲速積分也是一個(gè)定值

0.5(y-ya)(x+xa)+0.5(ya+Δy-y)·

(x+xa+Δx)=Vi

(4)

由式(4)可知,深度y相同的情況下存在唯一一點(diǎn)(x,y)分別與i層內(nèi)兩端點(diǎn)(xa,ya)、(xa+Δx,ya+Δy)進(jìn)行連線得到兩條線段(又稱二段折線段),并與y軸(深度軸)圍成的面積為Vi,即與原始聲速剖面所得的面積差值為0,認(rèn)為該二段折線段為該層等效聲速剖面。

如圖3(a)所示,對(duì)于某一水層,根據(jù)MOV算法原始聲速剖面的聲速偏移量都沒(méi)有達(dá)到閾值k的界限,因此不需要進(jìn)一步分層,但由圖3中可明顯看出原始聲速剖面與替代聲速剖面EG不等效。而對(duì)于聲速最大偏移量F處所在的深度m線上,存在一點(diǎn)F2分別到E點(diǎn)與G點(diǎn)所形成的線段,與y軸圍成的面積與該層原始聲速剖面圍成的面積等效(圖3(b))。

圖3 顧及面積差的等效二段線替代法Fig.3 In-layer equivalent two-segment line substitution method considering area difference

式(4)轉(zhuǎn)化為式(5)

(5)

由式(5)可得存在一條直線,該直線上任意一點(diǎn)到兩端點(diǎn)(xa,ya)、(xa+Δx,ya+Δy)的連線所形成二段折線段為等效聲速剖面,并且該直線的斜率與兩端連線的直線斜率相同,如圖3(c)中l(wèi)線所示。

在等效聲速剖面點(diǎn)集合所形成的直線l上,存在一點(diǎn)(xt,yt)使得等效聲速剖面與原始聲速剖面間偏移量差的平方和為最小值(也可理解為凈偏移量最小值,為了方便計(jì)算采用忽略正負(fù)號(hào)影響,這里采用平方和),即該點(diǎn)為最優(yōu)解,是所有替代的等效聲速剖面中最接近原始聲速剖面的,如圖3(c)中Fa所示。為方便尋找最優(yōu)解,式(6)構(gòu)造拉格朗日函數(shù)求條件極值

F(xt,yt)=f(xt,yt)+λφ(xt,yt)

(6)

式(7)為約束方程由式(4)轉(zhuǎn)化而來(lái)

φ(xt,yt)=0.5(yt-ya)(xt+xa)+0.5(ya+
Δy-yt)(xt+xa+Δx)-Vi

(7)

式(8)—式(9)分別表示以最優(yōu)解(xt,yt)作為新增點(diǎn),分別與上下兩端點(diǎn)連線所形成的兩部分替代聲速剖面表達(dá)式

(8)

(9)

式中,x=g(y)表示原始聲速剖面,是個(gè)已知的定值。

式(10)為偏移量差的平方和

(10)

將式(7)和式(10)代入式(6),分別對(duì)xt、yt、λ求偏導(dǎo)(式(11)—式(13))

(11)

(12)

(13)

可得到最優(yōu)解(xt,yt),即等效面積差為0作約束條件的最優(yōu)替代聲速剖面二段線拐點(diǎn)。分別計(jì)算測(cè)點(diǎn)與等效二段線做偏移量差的平方和,計(jì)算最小值。

1.2 顧及面積差的等效二段線替代法優(yōu)化流程

1.2.1IETL方法

直接在層內(nèi)增加等效聲速剖面二段折線,雖然會(huì)提高層內(nèi)數(shù)據(jù)精度,但同時(shí)也會(huì)增加整個(gè)聲速剖面的水層數(shù),降低簡(jiǎn)化率。若在水層數(shù)保持不變的情況下,盡可能對(duì)已簡(jiǎn)化的采樣點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,即可在保證簡(jiǎn)化率的情況下提高替代聲速剖面。先從等效聲速剖面面積差最大的水層進(jìn)行分析,如圖4(a)所示,該圖為經(jīng)過(guò)MOV優(yōu)化的聲速剖面,其中i層等效聲速剖面面積差最大,在不增加水層的前提下先分析是否能夠?qū)層兩端點(diǎn)Di、Di+1進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)點(diǎn)Di進(jìn)行分析,把Di-1DiDi+1所在的i-1和i層合并為一層,按照1.1.4節(jié)算法,得到最優(yōu)點(diǎn)DDi代替原Di作為新聲速剖面簡(jiǎn)化點(diǎn),并記錄下DDi與Di+1形成的新水層內(nèi)等效聲速面積差(圖4(b));同理,對(duì)原i層另外一端點(diǎn)Di+1的分析,把DiDi+1Di+2所在的i和i+1層合并為一層,得到最優(yōu)點(diǎn)DDi+1,記錄下DDi+1與Di形成的新水層內(nèi)等效聲速面積差(圖4(c))。對(duì)比兩個(gè)等效聲速面積差,若最小值滿足精度要求,則將該替代點(diǎn)作為新的保留,繼續(xù)優(yōu)化。否則說(shuō)明該層兩端點(diǎn)難以進(jìn)行優(yōu)化,需增加新的等效聲速剖面點(diǎn)。

圖4 聲速剖面層內(nèi)端點(diǎn)優(yōu)化替代方法Fig.4 An alternative approach to SVP in-layer endpoint optimization

1.2.2 方法簡(jiǎn)化模塊

根據(jù)前文的問(wèn)題分析,本文方法是顧及面積差的等效二段線聲速剖面替代優(yōu)化法,可歸納為兩大模塊分別為:MOV算法簡(jiǎn)化模塊和替代優(yōu)化模塊,其中替代優(yōu)化模塊又可分為整體優(yōu)化模塊及層內(nèi)端點(diǎn)優(yōu)化模塊,如圖5所示。

圖5 優(yōu)化模塊流程Fig.5 Flowchart of optimization module

MOV算法簡(jiǎn)化模塊用于聲速剖面的簡(jiǎn)化,其核心是1.1.2節(jié)所述的MOV算法,主要實(shí)現(xiàn)步驟如下。

(1) 數(shù)據(jù)輸入。輸入原始聲速剖面點(diǎn)集,設(shè)定閾值參數(shù)T。

(2) 提取聲速最大偏移。計(jì)算各點(diǎn)的偏移量,并從中提取最大偏移量Cmax。

(3) 剖面線段切割。判斷Cmax和T的大小,若Cmax≤T,轉(zhuǎn)至步驟(4);若Cmax>T,保存該點(diǎn),并將剖面線段在該點(diǎn)處分為兩段,并返回步驟(2)。

(4) 數(shù)據(jù)輸出。將原始聲速剖面的首尾端點(diǎn)及所有后形成的點(diǎn)記錄下,輸出為替代聲速剖面。

整體優(yōu)化模塊是在MOV算法簡(jiǎn)化的替代聲速剖面基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)有的特征點(diǎn)進(jìn)行修正或者增加,以便提高聲速剖面精度。

(1) 數(shù)據(jù)輸入。輸入MOV算法簡(jiǎn)化模塊所得的替代聲速剖面點(diǎn)集及原始聲速剖面點(diǎn)集。

(2) 提取最大等效面積差的水層。利用1.1.3節(jié)方法找到等效面積差最大的所在層,并對(duì)該層進(jìn)行優(yōu)化分析。

(3) 精度評(píng)估A。利用1.1.3節(jié)算法,通過(guò)最大面積差ΔSmax得到相對(duì)誤差εmax,若εmax≤ε0,轉(zhuǎn)至步驟(6);若εmax>ε0,則轉(zhuǎn)至步驟(4)。

(4) 對(duì)層內(nèi)端點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)最大面積差所在的i層端點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化,詳細(xì)情況在層內(nèi)端點(diǎn)優(yōu)化模塊中說(shuō)明。

(5) 精度評(píng)估B。評(píng)估端點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化后的i層,利用1.1.3節(jié)算法,若εmax≤ε0,則接受新端點(diǎn)替代原簡(jiǎn)化點(diǎn),轉(zhuǎn)至步驟(2);若εmax>ε0,則拒絕新端點(diǎn),并在i層內(nèi)添加新的等效點(diǎn),形成新的替代聲速剖面,轉(zhuǎn)至步驟(2)。

(6) 輸出數(shù)據(jù)。輸出新的聲速替代剖面。

層內(nèi)端點(diǎn)優(yōu)化模塊的步驟如下。

(1) 數(shù)據(jù)輸入。輸入最大等效面積差所在i層的替代聲速剖面點(diǎn)集和原始聲速剖面點(diǎn)集。

(2) 對(duì)i層內(nèi)兩端點(diǎn)進(jìn)行替代分析。分析上端點(diǎn),將i-1層與i層合并為一層,建立等效面積線;分析下端點(diǎn),將i層與i+1層合并為一層,建立等效面積線。

(3) 得到最接近原始聲速剖面的點(diǎn)。在替代聲速點(diǎn)所得等效二段線使新替代聲速剖面與原始聲速剖面間的凈面積差為最小值時(shí),計(jì)算新的i層上端點(diǎn)等效面積差ΔSCA和下端點(diǎn)的等效面積差ΔSCB。

(4) 保留最優(yōu)替代端點(diǎn)。提取兩端點(diǎn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,若ΔSCA≤ΔSCB,用新替代的上端點(diǎn)DDi替代原始替代聲速剖面上端點(diǎn)Di;若SCA>SCB,用新替代的下端點(diǎn)DDi+1替代原始替代聲速剖面下端點(diǎn)Di+1。

(5) 輸出數(shù)據(jù)。輸出優(yōu)化后新i層的聲速替代剖面。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 閾值的選取

閾值是簡(jiǎn)化模型中重要的參數(shù)指標(biāo),為確定閾值的影響,對(duì)一段聲速剖面分別設(shè)定閾值為0.1、0.2、0.3、0.5、1、2 m/s,其替代優(yōu)化分層效果如圖6所示,圖7記錄不同閾值影響下的精簡(jiǎn)率和運(yùn)算時(shí)間關(guān)系曲線。由圖6、圖7可以看出,當(dāng)閾值設(shè)定為0.1和0.2 m/s時(shí),兩種方法的精簡(jiǎn)率是相同的,但本文方法會(huì)對(duì)一些聲速剖面簡(jiǎn)化特征點(diǎn)進(jìn)行改動(dòng);當(dāng)閾值設(shè)定為0.3和0.5 m/s時(shí),本文方法相較于MOV算法不僅對(duì)一些特征點(diǎn)進(jìn)行改動(dòng),還增加了一些特征點(diǎn);當(dāng)閾值設(shè)定為1和2 m/s時(shí),MOV算法對(duì)聲速剖面的精簡(jiǎn)替代表現(xiàn)較差,雖然精簡(jiǎn)率較高但是不能很好地表現(xiàn)出聲速剖面的特征,本文方法在這方面表現(xiàn)較好。

圖6 設(shè)定不同閾值的簡(jiǎn)化聲速剖面效果圖對(duì)比Fig.6 Comparison of SVP renderings with different thresholds

圖7 不同閾值影響下的精簡(jiǎn)率和運(yùn)算時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves of reduction rate and operation time under different thresholds

由圖7可以明顯看出,本文方法相較于MOV算法計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng),這是由于兩種方法從計(jì)算模型角度出發(fā),MOV算法只需提取每個(gè)采樣點(diǎn)最大偏移量進(jìn)行分析,而本文方法中多重循環(huán)嵌套明顯在計(jì)算量方面要比MOV算法大得多,因此在前期簡(jiǎn)化過(guò)程中盡量使用MOV算法。MOV算法設(shè)定的閾值大小會(huì)直接影響整體改進(jìn)方法的計(jì)算效率,閾值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致簡(jiǎn)化率降低,使得多波束測(cè)深系統(tǒng)計(jì)算深度時(shí)效率降低;閾值過(guò)大會(huì)使得MOV算法過(guò)早停止簡(jiǎn)化,增加改進(jìn)方法簡(jiǎn)化計(jì)算,降低整體簡(jiǎn)化效率。為在分層精度為主的基礎(chǔ)上兼顧計(jì)算效率,閾值范圍選取在0.2～0.4 m/s這個(gè)范圍最優(yōu),根據(jù)聲速剖面波動(dòng)程度可做適當(dāng)調(diào)整。

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

為驗(yàn)證本文方法的有效性,通過(guò)對(duì)東海某測(cè)量船作業(yè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。首先提取該區(qū)域的聲速剖面數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行不同方法的簡(jiǎn)化,如圖8所示。設(shè)定閾值為0.2 m/s,本文IETL方法能夠?qū)?00個(gè)聲速剖面采樣點(diǎn)簡(jiǎn)化為15個(gè),MOV算法能將其簡(jiǎn)化為13個(gè)。在簡(jiǎn)化率上MOV算法略勝一籌,然而由圖8可以看出,其中一部分原始聲速剖面和MOV算法簡(jiǎn)化的替代聲速剖面間存在較明顯的面積差。圖8中A點(diǎn)為原始聲速剖面和替代聲速剖面的交點(diǎn),根據(jù)1.1.3節(jié)推導(dǎo),該點(diǎn)處二者面積差最大,并且使用MOV算法簡(jiǎn)化的聲速剖面計(jì)算的水深數(shù)據(jù)與原始測(cè)深數(shù)據(jù)誤差也較大。

圖8 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)聲速剖面不同簡(jiǎn)化效果對(duì)比Fig.8 Comparison of different simplification effects of measured data SVP

圖9為使用不同替代聲速剖面計(jì)算后的海底地形圖,其中圖9(a)、(b)分別為原始海底地形圖和使用MOV算法替代聲速剖面計(jì)算后的海底地形圖,對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn),在圖9(b)中H、J、K3處深度差較為明顯,其原因?yàn)樵谠撋疃雀浇奶娲曀倨拭娴刃娣e差較大,導(dǎo)致計(jì)算后的深度存在誤差。圖9(c)為運(yùn)用本文方法的替代聲速剖面計(jì)算后的海底深度,與原始海底地形深度差較小。對(duì)比海底地形直觀圖不明顯,為便于對(duì)比分析,對(duì)兩種替代方法的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表1所示,圖10為深度差與深度關(guān)系的散點(diǎn)分布圖。由圖10可知,MOV算法在深度-55 m附近與原始聲速剖面間的深度差比較大,隨著深度的增加,替代聲速剖面與原始聲速剖面間面積差逐漸縮小,深度差也隨之縮小。本文IETL方法在該深度區(qū)間內(nèi),與原始聲速剖面間面積差較小,因此應(yīng)用效果要優(yōu)于MOV算法。由表1可知,MOV算法雖然平均相對(duì)誤差在1%以內(nèi),但是部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差大于1%,而IETL方法能夠?qū)⒄w和部分測(cè)深數(shù)據(jù)誤差都能控制在1%以內(nèi),滿足國(guó)際海道測(cè)量組織對(duì)水深測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn),并且精度更高。

表1 不同SVP簡(jiǎn)化方法的誤差統(tǒng)計(jì)

圖9 應(yīng)用不同簡(jiǎn)化聲速剖面的實(shí)測(cè)海底地形Fig.9 Measured seabed topography using different simplified SVP

圖10 應(yīng)用不同簡(jiǎn)化聲速剖面的深度差與深度關(guān)系散點(diǎn)分布Fig.10 Scatterplot of depth difference and depth relationship with different simplified SVP

3 結(jié) 論

本文提出了一種顧及面積差的聲速剖面層內(nèi)等效二段線替代法。該方法在MOV算法的基礎(chǔ)上,針對(duì)其層間替代聲速剖面不等效和精度不高的情況,通過(guò)構(gòu)造最優(yōu)的等效二段線來(lái)優(yōu)化替代聲速剖面。在原始聲速剖面與替代聲速剖面總體等效保證最低水深精度的同時(shí),會(huì)出現(xiàn)由于部分層間聲速剖面等效面積差較大,導(dǎo)致該水層替代聲速剖面計(jì)算出深度精度較低。本文提出的IETL方法,適用于地形起伏較大的海底,此法在有效保留聲速剖面彎曲特征點(diǎn)的同時(shí),明顯提高了層間聲速數(shù)據(jù)的精度。

本文方法也存在一定問(wèn)題,例如,為保證層間數(shù)據(jù)精度而在客觀上犧牲了少量的精簡(jiǎn)率,并且該方法模型的計(jì)算要比MOV算法復(fù)雜,聲速剖面簡(jiǎn)化提取特征點(diǎn)的計(jì)算時(shí)間也較長(zhǎng)。因此,在地形起伏不大的區(qū)域,其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不明顯,并且在后續(xù)工作中需要對(duì)地形不同起伏程度的適應(yīng)性,以及不同聲速剖面等效面積差的影響效果進(jìn)行進(jìn)一步分析。