基于语义分割的侧扫声纳管线目标检测方法

为提高侧扫声纳图像中管线目标检测的自动化程度及效率,提出了一种基于语义分割的水下管线目标检测方法。首先通过构建高效语义分割网络主干,提高网络计算速度并降低网络对计算机硬件性能的需求;其次给出了一种针对管线目标特点的加权交叉熵损失函数,解决了因类间数量不均衡导致的网络训练困难问题。以多种复杂条件下侧扫声纳实测数据进行了水下管线检测试验,结果表明,该方法在取得和经典网络相近精度的情况下,速度提升了2.7倍,可达52.6FPS,实现了水下管线的快速、准确检测。

基于浅剖图像的海底管线状态自动诊断方法

为填补SBP(sub-bottom profiler,SBP)图像水下管线掩埋状态自动诊断研究空白以及提升水下管线巡检的自动化程度,给出了一套完整的水下管道掩埋状态自动诊断方法与流程。首先利用高效数据预处理方法准确还原了管线真实信息;其次基于Frangi滤波增强技术实现了海底线的准确提取;然后利用深度学习技术实现了管线目标的高可靠性检测;最后,给出了管线掩埋状态的判断准则,利用管线检测结果与海底之间的位置关系自动判断出管线的掩埋状态。利用多种型号浅地层剖面仪实测数据进行实验,结果表明,水下管线的检测精度可以达到了0.952的召回率和0.962的平均精度均值,基于目标检测结果能够实现管线掩埋状态的准确诊断。

一种Kongsberg EM多波束后向散射强度波束指向性残余改正方法

Kongsberg EM多波束声呐的波束指向性与出厂标定存在偏差,导致后向散射强度呈现与扇区耦合的辐射畸变,针对这个问题提出了一种基于波束指向性模型的多扇区指向性残余改正方法。该方法首先在分析波束收发过程的基础上,构建EM声呐多扇区指向性辐射模型;然后选取特定测线,采用经验性声学模型估计后向散射强度-角度曲线,分离各扇区指向性残余信号;最后对回波强度进行指向性残余改正,得到与采集扇区无关的后向散射强度。实例计算结果表明:该方法能有效降低多扇区指向性残余对后向散射强度测量的干扰,提高EM系列多波束声呐在海底底质分析中的使用价值。

顾及波浪影响和深度约束的水下控制网点绝对坐标的精确确定

为解决传统海底控制网点绝对坐标确定费时费力、垂直解精度不高的问题,提出一种顾及波浪影响和深度约束的水下控制网点绝对坐标精确确定方法。首先,开展了波浪影响研究,提出水下控制网点间高差确定方法以及利用该高差和GNSS垂直解的网点绝对高程确定方法。在此基础上,提出附加深度约束的圆走航单点绝对三维基准传递法、深度约束的二维自由网平差法及联合点间高精度深度差的组合约束平差法和三维联合约束平差法。最后对提出的方法进行验证。该方法可提高作业效率,将传统方法高程确定精度提高了1个量级。

海底控制网测量和解算中的几个关键问题

剖析了影响海底控制网定位精度的几个问题,认为海洋声速短时变化大且规律性不强,构建声速场模型是削弱声速代表性误差的有效途径。声速对测距定位影响还与波束入射角和深度相关,影响显著,不容忽视;在声速稳定水域,利用入射角近似相同的观测距离差分定位可取得较高的精度,否则精度难以保证。引入压力传感器提供的深度或深度差,利于改善控制网垂直解精度,但需顾及两点间潮高差。

GNSS-声学位置服务中声速误差修正方法

声速误差是GNSS-声学定位中的主要误差源,制约了GNSS-声学位置服务的精度。基于海洋时空基准网的思路,本文研究了GNSS-声学位置服务中声速误差的修正方法。首先,提出了一种声速剖面时域变化分层模型,以削弱声速的时空代表性误差;然后,针对没有声速剖面的海域,借鉴GNSS对流层误差的处理方法,提出了GNSS-声学位置增强服务的方法;最后,面向潜航器位置增强服务,进行了海洋声速层析方法的分析。利用南海水深3000 m海域的实测数据对上述声速误差修正方法进行验证,结果表明:经验正交函数法分层构建的声速场能以分米级精度确定海底控制点的位置;基于海底的控制点,利用本文所提出的GNSS-声学位置增强服务方法可为水平距离3000 m范围内的测船提供分米级精度的位置增强服务;层析的海洋声速剖面,在深度大于潜航器的区间内精度优于3.5 m/s。

一种顾及辐射畸变的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类方法

声学海底底质分类对于海底环境和生态系统的研究具有重要意义,而多波束与侧扫声呐是目前最常用于探测海底底质的声呐设备.然而,多波束与侧扫声呐都严重地受到辐射畸变的影响,导致声呐图像噪声较大且难以消除,进而造成对海底底质的误判,并且多波束与侧扫声呐通用底质分类方法目前仍然较为缺乏.为此,本文提出了一种顾及辐射畸变的多波束和侧扫声呐的通用海底底质分类方法.该方法包括了对声呐图像中辐射畸变的改正、针对两种声呐数据特点的不同角度数据归一化、分类数自适应的非监督底质分类以及形态学去除底质图像噪声的步骤,并给出了完整的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类流程.将本文方法应用于福建沿海同水域下实测的多波束与侧扫声呐数据得到了该水域的底质分类图像.实验结果表明了同区域下的多波束与侧扫声呐数据通过本文方法得到的底质分类结果具有较高的一致性,证明了通用底质分类方法的有效性,同时通过相互验证也提高了底质分类结果的可靠性.

联合NSCT与多重分形的高噪声侧扫声呐图像分割

针对现有分割算法对高噪声侧扫声呐图像分割准确率低的问题,提出了一种综合利用NSCT(non-subsampled contourlet transform)分解图像、局部标准差和均值组合增强图像和多重分形判断图像奇异性的侧扫声呐图像分割方法。首先,借助NSCT分解图像,获得滤除高频噪声且保留轮廓信息的低频图像和一系列高频方向子带图像。然后,基于侧扫声呐图像中目标及其阴影伴随出现的特点,计算低频图像的局部标准差与均值的组合特征,获得分别突显目标及其阴影的特征图,使用多重分形分割方法分割特征图,获得低频图像分割结果;利用图像差分和非极大值抑制方法分割高频方向子带图像,获得高频分割结果;融合高低频分割结果获得目标及其阴影的精细边缘。最后通过试验验证了本文方法的有效性。

关于海洋测绘技术体系化归类与专业教育思考

为加深对海洋测绘知识、技术体系的系统化认识,在分析海洋测绘概念形成与发展、学科专业体系构成与分类现状以及海洋测绘理论和技术特征的基础上,将海洋测量各分支技术按面向要素或目标的客体认知技术、面向应用方向的服务技术,以及通用型关键支撑技术进行体系化归类论证,依此建构了立足学科交叉理论、凝聚关键技术,适应多样化服务需求的专业教育模式。将海洋测绘技术进行体系化归类,厘清了相关科学与海洋测绘各分支的关系,突出了学科的认知与描述目标,彰显了技术驱动与需求牵引的海洋测量技术与应用发展状态,也适应人才能力指标设定和灵活的专业教育课程体系构建。

顾及传播曲面的多波束波束脚印高精度快速归位算法

针对传统多波束波束脚印位置归算方法忽视收/发换能器位置差异给深水测深带来的显著影响,以及新算法虽顾及收/发差异但效率偏低的问题,本文提出一种顾及传播曲面的高精度快速波束脚印位置归算算法:①基于多波束测量和声线传播原理,提出波束传播曲面模型;②将扇区内波束分为插值结点和待插值点;针对前者,提出采用迭代搜索和插值的方法避免建立完整的传播曲面;③针对后者,利用插值结点参数,提出基于多项式插值的方法获取其发射单程时间和声线俯角、方位角;④综合完成所有波束脚印位置归算。浅水和中深水区试验表明,本文方法的交叉线检验精度与Caris相近,且均优于传统算法;相较Caris计算结果,本文同号波束脚印的深度偏差分别为0.35‰水深和0.11‰水深,且计算效率分别提高了8%和35%。

森林抚育对森林生态系统的影响

伴随着我国社会经济的稳固发展,人们的生活质量逐渐有了明显改善,而在生态问题趋于严重使人们的环境保护意识显著提高的过程中,森林抚育对于森林生态系统的作用和价值愈发凸显。对此,文章针对森林抚育,从提高森林利用率、维持森林动植物生态平衡、增加可利用水资源等多个方面就其对森林生态系统的影响进行了分析,旨在给予相关森林保护工作者可行的帮助,并以此促进我国森林开发工作的可持续发展。

水下锚机设计关键技术

文章介绍某型半潜船水下锚机的使用工况及环境要求,分析总体结构设计、隔舱密封设计、锚进近保护设计和防海水腐蚀设计等关键技术。通过对控制系统和液压系统设计方案进行对比分析,得出解决水下锚机工作的最优方案,为实现锚机的智能化及无人化操作奠定技术基础。

利用多通道加权投票的机载绿激光海陆波形分类

为解决复杂海陆环境下机载绿激光海陆波形分类精度低的问题,本文提出了一种利用多通道加权投票的绿激光海陆波形分类方法,即多通道加权投票卷积神经网络(MWV-CNN)。首先,将绿激光深水和浅水通道采集的多通道波形经一个多通道输入模块分别输入到本文搭建的一维卷积神经网络(1D CNN)模块中;然后,各1D CNN模块对每个通道波形分别进行处理,获得各通道波形属于海洋和陆地类别的预测得分;最后,将各通道预测得分视为权值,利用一个多通道融合模块进行加权投票,确定波形最终类别。采用Optech CZMIL对中国连云港市沿海水域的实测数据进行实验验证,结果表明,MWV-CNN的总体分类精度、Kappa系数和总体精度标准差分别为99.45%、0.982和0.02%。与传统绿激光海陆波形分类方法相比,本文方法具有更好的分类精度和鲁棒性,为实现机载绿激光高精度海陆波形分类提供了一种新的有效途径。

MRU位置偏差二次探测及多波束异常条纹地形消除方法研究

针对多波束测深数据中常出现的沿航迹向异常条纹在浅水影响显著,传统方法机理不完善和异常消除不彻底问题,基于多波束数据处理原理分析成因,认为主要由于诱导涌浪未补偿或姿态传感器(motion reference unit,MRU)位置偏差量测不准带来的诱导涌浪补偿残余所致,为此提出基于往返测线测深点对深度不符值的MRU位置偏差二次分段探测方法和异常条纹消除方法。首先通过最近平面点搜索,发现同名点对;然后分段构建深度不符值与欲探测的MRU位置偏差关系模型,并借助支持向量机回归参数抗差估计法估计位置偏差;最后给出修正模型,消除测深数据中异常条纹影响。实验表明,所提方法从机理上较彻底地消除了异常测深条纹影响,也为MRU安装偏差探测提供了一种新方法。

海洋时空基准网的进展与趋势

全球时空基准网是获取地球时空信息的基础设施,它包括地基时空基准网、空间时空基准网和海洋时空基准网3个部分,其中海洋时空基准网的建设尚属起步阶段。先就海洋时空基准网的概念及内涵进行了分析,并从海洋定位导航基准、高精度海洋水平及垂直定位基准等角度介绍并分析了其发展现状及未来趋势。海洋时空基准网的主要构建方式是综合运用GNSS(Global Navigation Satellite System)卫星定位、水下声学定位以及压力传感器等技术将全球统一的时空基准传递到海洋表层、内部和底部。它的建设在我国还属于空白,故需结合国情、配合国家战略规划大力推进;指出当前全球和各国海洋环境监测的需求普遍甚旺,而现有海洋环境监测网多为局域网络,未与时空基准网融合,故海洋环境缓变或快变的时空位置不清楚或不精确,因此,将海洋时空基准网与海洋环境监测网融合起来建设,实现效益、效率和功能的互补提升,显得尤为重要和紧迫。在此基础上还认为,融合后的海洋时空基准网与环境监测网加上通信和数据交换功能,以实现海洋环境精准监测并进行海洋信息传输的目的,进而逐渐推进以形成具有时空位置属性的全球性海洋环境感知认知网络,即为海洋物联网。进一步探讨设想:将海洋物联网与海底通信光缆链接起来,同时通过海面浮标观测舱与通信卫星链接起来,就构成了有时空位置属性的海洋互联网。最后认为,我国应加快建立以中国周边海域为主的精密动态海洋时空基准和环境监测网,并通过国际合作开展全球性海洋时空基准与环境监测网的布设。

侧扫声呐图像海底线自动提取方法研究

针对现有方法在侧扫声呐水柱区图像受发射脉冲、海面回波、尾流及大面积悬浮物等干扰情况下海底线无法自动准确检测和提取,造成斜距改正后目标图像严重畸变和错位等问题,基于侧扫声呐成像机理以及图像特点,提出了海底线最后峰值检测法和基于海底变化渐进性和海底线对称性的海底线修复方法。结合Kalman滤波以及上述方法的特点和适用对象,提出了一种海底线自适应综合检测和提取的方法,并给出了完整的数据处理流程。该方法应用于烟台水域,消除了海况差、悬浮物遮挡等问题的影响,实现了复杂海洋噪声影响下海底线的自动跟踪。与外部测深数据比较,取得了均方根为±0.17m的跟踪精度。

通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络构想

从海底控制网设计、布设、测量、数据处理和海洋声速场构建几个方面介绍了海底控制网建设的现状。结合国家海洋战略需求和海洋大地测量技术发展,分析了现阶段海底控制网建设面临的问题:认为目前的海底网规模小,缺乏信息共享,功能单一;设计与布设原则未与控制网等级关联,多为定性描述,缺乏操作性;声速场精度和分辨率偏低;测量和数据处理仅考虑了海底控制点的定位问题,难以满足大区域、高精度海洋PNT(positioning,navigation,and timing)基准网建设需求。据此,利用海洋声道的远程通讯和测距定位能力,提出了建设联合北斗/GNSS(global navigation satellite system)定位和通信导航功能的通导遥一体化深远海PNT基准及服务网络的构想,针对该网络的功能和布放设计、高精度、高分辨率海洋声速场模型的构建、各类PNT基准点的测量和整体网平差处理、海底PNT基准点的自校准和自维护、覆盖水域的位置增强服务、目标和环境的遥测和感知服务等几个关键技术问题,提出了实施方法和设想,以期解决当前海洋控制网大区域建设面临的缺乏通讯、布网原则和测量方法不完善、功能单一等问题,为新一代高性能海洋大地测量及PNT导航定位服务网络的建设提供支撑。认为随着长距离布网优化设计、增强位置服务、精确授时和时间同步、远程通讯及网络功能的拓展和应用服务等难题的突破,所构想的网络体系必将引起海洋PNT建设的一次变革。

基于海底底质回波特征的多波束声呐图像角度响应影响消除

角度响应（angular response,AR）对回波强度影响较大,而目前的改正算法尚不完善,给多波束声呐回波强度的应用带来了较大困难。为此,提出了一种利用底质回波强度特征的AR聚类改正方法。首先,借助多波束声呐回波强度数据实施非监督底质分类;然后,研究每类底质的AR特征,形成每种底质的AR曲线簇;最后,结合每种底质的AR曲线簇,从观测的回波强度序列中减去对应底质的AR值,并将其归一化到平均强度,最终实现了回波强度中AR影响的消除。将该方法应用于实际回波处理中,取得了高质量的多波束声呐图像。

一种基于常梯度模板插值的声线跟踪算法

常梯度声线跟踪在计算波束脚印位置时精度高,但过程复杂、效率低,应用于深海测量时尤为严重,因此提出了一种基于常梯度声线跟踪模板的波束点插值计算方法。首先研究了基于常梯度声线跟踪模板进行波束点位插值计算的理论基础,发现通过模板差值可以确定波束足迹;然后提出了基于常梯度模板插值的声线跟踪算法,主要包括常梯度声线跟踪模板构建、过跟踪和欠跟踪算法、吃水影响及补偿模型,并在此基础上,将该算法应用于浅水、中水和深水声线跟踪计算。实验结果表明,该方法在确保跟踪精度的同时,可以大幅度提高计算效率。

基于梯度训练法的径向基函数潮流分离方法

针对传统潮流分析方法在感潮河段实施走航数据潮流分离中的不足,提出了一种基于梯度训练法的径向基函数潮流分离方法,解决了传统潮流分析方法时序数据长、潮流分离实施复杂问题;也解决了基于贪婪拟合法的径向基函数潮流分离算法存在的节点位置无法准确确定以及过度拟合导致结果不稳定等难题;根据潮流分离结果重构流场,在徐六泾走航断面实验中取得了优于0.25m/s的外推精度。