深海钴结壳采集之微地形探测技术（浅水实验阶段）研究

论文摘要

深海富钴结壳是一种生长在水深500～3000m的平顶海山、海台顶部或坡上的壳状物,厚度一般为2～6cm,在水深800～1500m的高集区,壳厚可达10～20cm。它除含锰、镍、铁、铜等金属外,富含钴、铂等稀贵金属,是一种重要的战略矿产资源。我国在太平洋海底圈定了一块7.5万平方公里的“战略金属资源基地”。由此研究钴结壳的采集技术与装备具有重大的经济价值和战略意义。成功采集钴结壳的关键技术之一是有效控制下层岩石的贫化。在钴结壳矿层厚度和微地形表面特征已知情况下可获得最佳采集深度。国家自然科学基金项目“深海钴结壳微地形监测技术与最佳采集深度建模研究”（50474052）的主要研究内容是寻求适合钴结壳采集的海底微地形探测技术与方法;研究的目的是为采矿车的最佳采集深度计算提供实时的规则格网DEM数据。论文在此课题背景下,从探测方案选取到微地形DEM建立始终围绕着实时性和高精度两大基本要求展开研究工作。旨在为开发出真正能用于海底微地形探测的装置提供理论指导和实验依据。作者首先从水下微地形探测方案着手,查阅大量有关声、光、电的水下地形探测技术资料,并结合钴结壳特殊赋存环境和具体开采方案,提出一种摆动式单波束探测方法。随后,研制出实验用的摆动式单波束探测装置。利用该装置进行一系列的探测实验,为后面的高程数据预处理及DEM建立提供必要的验证数据。其次是实现高程数据预处理。摆动式单波束探测受掠射角、底质特性等因素的影响,不可避免地产生高程异常值。高程异常值是导致“伪”地形的首要因素,加上背向超声波的地形坡面无法被探测以及必须建立规则格网DEM等原因,有必要对高程数据进行预处理。采取的主要措施有:1)通过一种改进的数据加窗法剔除高程异常值;2)采用改进的中值滤波算法实施高程数据滤波;3)通过支持向量回归模型确定横向（X方向）测线高程值;4)利用坡度信息对高程值进行检测与修正。经过预处理后的高程数据简化了微地形规则格网DEM的内插问题。X方向测线上可由支持向量机回归预测任意间隔的高程值,只考虑沿Y方向实施高程值内插,而待定点都处在沿Y方向高程值的连线上,采用线性内插方法可建立分辨率为25mm的规则格网DEM。并且通过几何量计算和逼真性评价检验这种方式建立的微地形DEM达到了工程中要求的精度等级。最后,为了增强DEM的地形表达效果,作者在AVS/Express软件环境下利用VC++编程语言创建一个VMTerrain模块,通过该模块实现微地形可视化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文背景
• 1.2 钴结壳采集之水下微地形探测方案
• 1.3 摆动式单波束探测产生高程异常值的原因分析
• 1.4 粗差检测研究及现状
• 1.4.1 多波束粗差检测的理论与方法
• 1.4.2 GIS中粗差检测的理论与方法
• 1.5 高程异常值检测对策
• 1.6 高程值预测方法选择
• 1.6.1 最小二乘回归模型
• 1.6.2 支持向量回归模型
• 1.6.3 BP神经网络拟合模型
• 1.6.4 预测效果比较
• 1.7 微地形规则格网DEM建立的理论与方法
• 1.7.1 DEM定义与类型
• 1.7.2 DEM内插方法及其现状
• 1.7.3 DEM内插方法探讨
• 1.8 论文主要研究内容、意义和技术路线
• 1.8.1 研究内容
• 1.8.2 意义
• 1.8.3 技术路线
• 1.9 本章小结
• 第二章 摆动式单波束探测装置研制
• 2.1 水中声波基本物理参数
• 2.2 工作原理
• 2.3 渡越时间及高程值确定
• 2.4 系统组成及其结构设计
• 2.4.1 步进电机及其驱动器选择
• 2.4.2 机械传动方式设计
• 2.4.3 水声换能器及其频率和波束角确定
• 2.4.4 水下超声测量仪简述
• 2.4.5 数据采集与处理编程实现
• 2.5 摆角间隔确定
• 2.6 探测行进速度确定
• 2.7 探测精度实验验证
• 2.8 本章小结
• 第三章 改进的数据加窗法高程异常值剔除研究
• 3.1 引言
• 3.2 回波能量分布建立
• 3.3 改进的数据加窗法
• 3.4 高程异常值剔除编程实现
• 3.5 实例
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于支持向量机的横向测线高程值初步确定
• 4.1 引言
• 4.2 高程数据滤波
• 4.3 支持向量回归方式选择
• 4.4 支持向量线性与非线性回归判别
• 4.4.1 动态聚类阈值法
• 4.4.2 线性相关系数法
• 4.5 高斯核函数及其参数确定
• 4.6 横向测线高程值确定编程实现
• 4.7 实例
• 4.8 本章小结
• 第五章 基于坡度信息的高程值修正研究
• 5.1 引言
• 5.2 坡度变化差值问题及其计算
• 5.3 阈值及其确定
• 5.4 高程值修正方法及其编程实现
• 5.5 边界点问题
• 5.6 实例
• 5.7 本章小结
• 第六章 微地形规则格网DEM建立及其可视化
• 6.1 引言
• 6.2 线性内插数学模型建立
• 6.3 线性内插精度模型建立
• 6.4 高斯非线性内插精度模型建立
• 6.5 微地形可视化实现
• 6.5.1 微地形可视化基本流程
• 6.5.2 VMTerrain模块功能介绍
• 6.5.3 VMTerrain模块编程实现
• 6.6 实例
• 6.7 本章小结
• 第七章 微地形探测技术及其实验验证
• 7.1 引言
• 7.2 软件集成
• 7.3 几何量计算与逼真性评价
• 7.3.1 体积计算
• 7.3.2 表面积计算
• 7.3.3 逼真性评价
• 7.4 实验验证
• 7.5 本章小结
• 第八章 全文总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要研究成果
• 1 攻读博士学位期间发表的论文
• 2 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 3 攻读博士学位期间获得的奖励