店铺： 科学出版社旗舰店
出版社： 科学出版社
ISBN：9787030529022
商品编码：29305476659
包装：平脊精装
开本：16
出版时间：2018-03-16
页数：332
字数：500000
具体描述
商品参数
| 高分辨率海底地形地貌--探测处理理论与技术 | ||
| 曾用价 | 188.00 | |
| 出版社 | 科学出版社 | |
| 版次 | 1 | |
| 出版时间 | 2018年03月 | |
| 开本 | 16 | |
| 作者 | 吴自银 等 | |
| 装帧 | 平脊精装 | |
| 页数 | 332 | |
| 字数 | 500000 | |
| ISBN编码 | 9787030529022 | |
内容介绍
高分辨率海底地形地貌学是海洋地质与海洋测绘的一个前沿分支，为了解地球外部形状、海底构造运动、海底演化提供了直接依据。近20年来，以高精度多波束测深、侧扫声呐和浅地层剖面等为主要技术手段的高分辨率海底地形地貌探测得到快速发展，是国际海洋地学研究的前沿和方向之一，促进了传统海底地貌学向高分辨率和定量化方向的发展，在大陆架划界、海底资源调查、海洋工程建设和海洋军事应用等方面得到了广泛应用。
目录
目录
序言
前言
第*篇 海底地形地貌探测技术
第1章 海底地形地貌探测技术概述 3
1.1 船载地形地貌探测技术 3
1.1.1 船载探测技术 3
1.1.2 船载定位技术 12
1.1.3 无人船载测量平台 13
1.2 星载与机载地形地貌探测技术 15
1.2.1 星载海洋监测技术 15
1.2.2 机载海洋探测技术 17
1.3 水下机器人与海底观测网探测技术 20
1.3.1 水下机器人技术 20
1.3.2 海底观测网技术 24
参考文献 35
第2章 多波束测深技术 36
2.1 多波束测深系统的基本原理 36
2.1.1 波束的指向性 37
2.1.2 电子多波束工作原理 38
2.1.3 相干多波束工作原理 41
2.2 代表性的多波束测深系统 42
2.2.1 浅水多波束测深系统SeaBat 7125 42
2.2.2 浅水多波束测深系统R2SONIC 2024 44
2.2.3 浅水多波束测深系统SeaSurvey MS400 46
2.2.4 中浅水多波束测深系统FANSWEEP 20 47
2.2.5 深水多波束测深系统EM120 49
2.2.6 深水多波束测深系统SeaBeam 3012 52
2.3 多波束测深基本工作方法与流程 55
2.3.1 多波束测深基本流程 55
2.3.2 多波束测深系统的安装 58
2.3.3 多波束勘测前参数校准 61
2.3.4 多波束勘测测线布设要求 67
2.3.5 多波束勘测声速采集 67
参考文献 69
第3章 机载激光测深技术 71
3.1 机载LiDAR测深系统的工作机理 71
3.1.1 系统组成 72
3.1.2 系统工作原理 73
3.1.3 系统校准 77
3.2 机载LiDAR测深系统的主要技术参数 78
3.2.1 *大穿透深度 78
3.2.2 *浅探测深度 78
3.2.3 测点密度 79
3.2.4 测深精度 79
3.3 机载LiDAR测深点云的波浪改正技术 80
3.3.1 无修正法 81
3.3.2 滤波法 82
3.3.3 惯导辅助修正法 82
参考文献 83
第4章 侧扫与浅地层探测技术 85
4.1 侧扫声呐探测技术 85
4.1.1 侧扫声呐工作原理与构成 85
4.1.2 典型的侧扫声呐设备 88
4.1.3 基本工作流程与方法 93
4.2 浅地层探测技术 95
4.2.1 海底浅地层探测技术的发展 95
4.2.2 浅地层剖面探测技术的基本原理 97
4.2.3 浅地层剖面仪设备组成 101
4.2.4 浅地层剖面探测基本工作方法 105
参考文献 107
第5章 导航定位技术 109
5.1 全球导航卫星系统发展概况 109
5.1.1 GPS系统 109
5.1.2 北斗系统 110
5.1.3 Galileo系统 112
5.1.4 GLONASS系统 112
5.2 海洋导航定位技术 113
5.2.1 水面舰船导航定位技术 113
5.2.2 水下导航定位技术 118
5.2.3 基于电子海图的导航技术 121
参考文献 122
第6章 潮位测量技术 124
6.1 常规潮位测量技术方法 124
6.1.1 常见的潮位测量仪器和方法 124
6.1.2 短期潮位站的布设 128
6.1.3 海平面与垂直基准面 129
6.2 遥感遥测潮位测量技术 134
6.2.1 GNSS观测技术 134
6.2.2 CCD传感器观测 135
6.2.3 遥感式潮位观测 136
6.3 验潮模式水下地形测量操作实例 136
6.3.1 短期潮位站数据采集 136
6.3.2 数据处理 137
参考文献 139
第二篇 海底地形地貌后处理技术与方法
第7章 海洋垂直基准面的建立技术 143
7.1 常用的海洋垂直基准面 143
7.1.1 平均海平面 143
7.1.2 海图深度基准面 146
7.1.3 *低天文潮面 149
7.1.4 平均大潮高潮面 150
7.1.5 高程基准 151
7.1.6 大地水准面 152
7.1.7 参考椭球面 153
7.2 海洋无缝垂直基准面的建立 154
7.2.1 无缝垂直基准面的定义与要求 154
7.2.2 建市海洋无缝垂直基准体系的重要性与必要性 155
7.2.3 无缝垂直基准面的建立存在的问题 156
7.2.4 海洋无缝垂直基准面的选择 157
7.2.5 无缝垂直基准面的建立 159
7.3 海洋大地水准面精化方法 166
7.3.1 区域（似）大地水准面的精化 166
7.3.2 无缝深度基准面与似大地水准面问的转换 166
7.3.3 无缝深度基准面与参考椭球基准面间的转换 169
7.3.4 海洋垂直基准面问转换的精度评定 169
参考文献 171
第8章 多波束探测数据处理技术与方法 173
8.1 多波束测深系统的常用数据格式 173
8.1.1 L3公司的三种数据格式 173
8.1.2 Simard公司EM系列数据格式 177
8.2 多波束测深数据处理的基本技术流程 178
8.2.1 多波束测深误差分析 179
8.2.2 综合处理方法和流程 181
8.3 基于CUBE算法的多波束异常数据滤波方法 186
8.3.1 概述 186
8.3.2 CUBE算法的基本原理 188
8.3.3 处理流程与实验分析 197
8.3.4 结果与讨沦 199
8.4 基于MOV的声速剖面快速精简方法 204
8.4.1 方法与模块 205
8.4.2 关键技术问题研究 208
8.4.3 数据处理时效对比分析 214
8.5 基于等效声速的多波束测深折射误差改正方法 214
8.5.1 声速对多波束系统的影响 215
8.5.2 三层常梯度等效声速剖面模型 218
8.5.3 多波束实测数据折射误差处理 221
8.6 多波束反向散射与水柱数据处理方法 224
8.6.1 多波束声呐散射成像原理 224
8.6.2 声波回波强度与底质类型的关系 226
8.6.3 多波束水柱数据处理及应用 227
参考文献 235
第9章 侧扫与浅地层探测数据处理技术与方法 242
9.1 侧扫声呐数据处理技术与方法 242
9.1.1 侧扫声呐图像处理 244
9.1.2 斜距改正 247
9.1.3 海底目标物提取与底质识别 248
9.2 浅地层探测数据处理技术与方法 251
9.2.1 浅地层剖面采集软件与数据格式 252
9.2.2 浅地层剖面探测数据后处理的主要方法 253
参考文献 262
第10章 GNSS数据处理技术方法及应用 263
10.1 GNSS的RINEX格式解析 263
10.1.1 GPS观测数据RINEX文件及格式说明 264
10.1.2 GPS导航数据RINEX文件及格式说明 267
10.2 GNSS主要误差的模型改正 269
10.2.1 天线相位偏心的改正 270
10.2.2 相位的wind-up改正 271
10.2.3 测站位移影响与改正 272
10.3 GNSS精密单点定位数据处理方法 274
10.3.1 PPP模型 275
10.3.2 双频码和相位模型 275
10.3.3 UofC模型 276
10.3.4 无模糊度模型 276
10.3.5 相位平滑伪距模型 276
10.4 动态差分GNSS定位数据处理方法 277
10.4.1 差分GPS定位技术方法 277
10.4.2 网络RTK 281
10.5 GNSS在海洋学中的拓展应用研究 281
10.5.1 GNSS海洋学研究及应用 282
10.5.2 GNSS海洋学研究及应用的进一步开展 285
参考文献 286
第11章 潮位数据处理技术与方法 289
11.1 潮位数据的常规分析 289
11.2 潮位数据调和分析 292
11.3 潮位数据预报 293
11.3.1 天文潮预报 293
11.3.2 气象潮预报 294
11.3.3 潮汐表计算 294
11.3.4 潮时计算 294
11.4 潮位数值模型计算 295
11.5 潮汐基准面的关系 296
11.5.1 1956黄海高程系 296
11.5.2 1985国家高程基准 297
11.5.3 浙江吴淞基面 297
11.5.4 多年平均海平面 297
11.5.5 理论深度基准面 297
11.5.6 实例分析 298
11.6 水深测量的潮位改正 298
11.7 近海潮位改正实例 299
11.7.1 GPS RTK验潮方法 300
11.7.2 数据采集 301
11.7.3 误差来源分析 302
11.7.4 RTK潮位的姿态校正 305
11.7.5 实例应用效果对比 306
参考文献 307
后记与展望——中国海洋科学调查与研究正由近海走向全球 309
名词及索引 312
在线试读
第*篇 海底地形地貌探测技术
随着声探测技术、卫星定位技术、遥感技术、电子技术、计算机等技术的发展，海底地形地貌探测技术发生了巨大转变，进入以数字式测量为主体，以自动化及智能化技术为支撑，以4S（GNSS+RS+GIS+Acoustics）技术为典型代表的现代海底地形地貌探测的全新阶段。以船只、水下机器人、飞机、卫星和水下观测网为平台的立体测量框架将是未来海底地形地貌探测的主体构架，满足浅中深等不同海域及岛礁区的海底地形探测与监测需要。
本篇主要介绍海底地形地貌探测技术的发展概况，重点阐述了多波束测深系统、侧扫声呐系统及浅地层剖面探测仪等当前*主要的探测手段。随着机载LiDAR测深技术、水下航行器和海底观测网技术的快速发展，它们的优势逐渐显现，本篇也进行了简要叙述。本篇力求对当前主要的海底地形地貌探测技术从工作原理、作业方法上进行系统的阐述。
第1章 海底地形地貌探测技术概述
海底地形地貌探测技术按照测量载体可分为船载测量（常规船舶与无人船）、机载与星载测量、水下自主航行测量，以及海底原位观测等多种方式。本章通过对海底地形地貌探测仪器与技术进行比较，且进行系统的概述，使读者对国内外的相关技术有全面的了解。本篇后续章节对几种广泛使用的探测技术进行了较为详尽的阐述，包括多波束测深系统、机载激光测深系统、侧扫与浅剖探测系统等，使从业者能依据相关技术开展生产与研究工作。
1.1 船载地形地貌探测技术
船载探测是海底地形地貌探测*直接的方式，水深测量是船载地形地貌探测*核心的工作，水深测量从早期的测深杆、锤、绳等原始方式，发展到目前的声光电等多种探测手段。由于光波、电磁波在水中衰减很快，而声波在水中能远距离地传播，因此，船载声学探测仍是海底地形地貌探测的主要方式之一。全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）定位导航是水上准确、高效的定位导航方式，利用“GNSS+探测仪”进行水深测量使用广泛，其基本原理是：测量载体在GNSS导航仪的辅助下，获取测区内测点的瞬时平面坐标，同时利用探测设备获得相应位置处的水深值、反射强度或者海底影像。
1.1.1 船载探测技术
早期测深是靠测深杆和测深锤完成的，效率低下。1913年，美国科学家R.A.Fessenden发明了回声测深仪，其探测距离可达3.7km；1918年，法国物理学家P.Langevin利用压电效应原理发明了夹心式发射换能器，它由晶体和钢组成，实现了对水下远距离目标的探测，第*次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学。此外，P.Langevin还发明了声呐。进入20世纪60年代，多波束测深系统兴起，并随着计算机技术的飞速发展，逐渐出现了高精度、高效率、自动化、数字化的现代多波束测深系统，测深模式实现了从点到线、从线到面的飞跃（李家彪，1999）。
与地形地貌相关的海底探测仪器主要有单波束测深仪、多波束测深系统、相干测深侧扫声呐、三维激光扫描系统、双频识别声呐、合成孔径声呐、三维全景声呐等。
1．原始的测深方法
人类*早是用竹竿测量水深的，后来发展为用一端带有重物的绳索测量水深。15世纪中叶，尼古拉·库萨发明了一种简单的水压式测深仪，根据水压的大小反算海水的深度。继布鲁可型测深器（1851年前后）之后，先后出现了锡格斯比型测深器和有名的开尔文测深器。锡格斯比型测深器适用于深海测深；开尔文测深器是英国开尔文勋爵于1874年发明的使用钢琴弦作为测深绳的一种测深器。1891年，英国电信公司推出了卢卡斯型测深器。这种绳索式测深器的缺陷是工作效率低，受海浪和海流的影响大，特别是在深海区，其弊端显得尤为突出；其另外一个缺点是仅能在一点或一条测线上进行，不能进行大面积测量。
2．单波束回声测深仪
为了进一步开展海洋考察工作，20世纪20年代科学家发明了单波束同声测深仪。它的出现是海洋测深技术的一次飞跃，其优点是速度快、记录连续。有了它才有了今天真正意义上的海图，对人类认识海底世界具有划时代的意义。
单波束测深属于“线”状测量。当测量船在水上航行时，船上的测深仪可测得一条连续的剖面线（即地形断面）。根据频段个数，单波束回声测深仪分为单频测深仪和双频测深仪。单频测深仪仅发射一个频段的信号，仪器轻便；而双频测深仪可发射高频、低频信号，利用其特点可测量出水面至水底表面与硬地层面的距离差，从而获得水底淤泥层的厚度。
传统的单波束回声测深仪有两个缺点：其一，其仅采样测线上的点，对海底信息的反映比较粗糙；其二，波束宽度较大，在复杂地形、 测量时深度误差较大。尽管多台单波束回声测深仪相对于单台的测量效率和测点密度有了提高，但设备笨重、横向扫幅小，对海上自然条件要求高。但单波束同声测深仪因为具备价格便宜、工作方便等优势，当前依然在河道与浅海测量中被广泛应用，图1-1是目前国内广泛使用的HY1601单波束回声测深仪。
图1-1 HY1601单波束回声测深仪
3．多波束测深系统
20世纪70年代出现了多波束测深系统，这是一场革命性的变革，其深刻地改变了海洋调查方式及*终的成果质量。多波束测深属于“面”状测量。它能一次给出与航迹线相垂直的平面内成百上千个测深点的水深值，所以它能准确、高效地测量出沿航迹线一定宽度（3～12倍水深）内，水下目标的大小、形状和高低变化（赵建虎，2007）。与单波束回声测深仪相比，其系统组成和水深数据处理过程更为复杂。除多波束测深仪本身外，还需要外部辅助设备，包括姿态仪、电罗经、表层声速仪、声速剖面仪和GNSS定位仪等，来提供瞬时的位置、姿态、航向、声速等信息。
多波束测深系统的研制工作起源于20世纪60年代美国海军研究署资助的军事研究项目（李家彪，1999）。1962年，美国国家海洋与大气管理局（NOAA）在Surveyor号上进行了新问世的窄波束回声测深仪（NBES）海上实验。1976年，计算机处理及控制硬件应用于多波束系统，从而产生了第*台多波束扫描测深系统，简称SeaBeam。该系统有16个波束，横向测量幅度约为水深的0.8倍，当水深在200m左右的大陆架边缘时，海底的实际扫海扇面宽度约为150m；当水深为5000m左右时，海底实际覆盖宽度约为4000m。
20世纪80～90年代，先后出现了各种各样的浅、中、深水多波束系统，图1-2是德国产的双频多波束测深系统Elac BottomChart 1180/1050D，属于中浅水多波束系统。尽管只经过了短短30年的发展，但多波束测深技术研究和应用水平已达到了较高的水平，特别是近10年来，随着电子、计算机、新材料和新工艺的广泛使用，多波束测深技术已取得了突破性的进展，主要表现在精度、分辨率更高，集成化与模块化技术更好，设备体积越来越小。关于多波束测深技术的详细介绍见第2章。
图1-2 双频多波束测深仗Elac BottomChart 1180/1050D
4．侧扫声呐
侧扫声呐也称为旁侧声呐、旁扫声呐，它的出现可追溯到第二次世界大战后期，但直到20世纪50年代末才用于民用，60年代初出现了商用设备，60年代末侧扫声呐的概念开始为全世界所接受。
侧扫声呐系统是基于回声探测原理进行水下目标探测的，其通过系统的换能器基阵，以一定的倾斜角度、发射频率，向海底发射具有指向性的宽垂直波束角和窄水平波束角的脉冲超声波，声波传播至海底或海底目标后发生反射和散射，又经过换能器的接收基阵接收，再经过水上仪器的处理，通过显示装置显示和记录器储存数据。
侧扫声呐的工作频率基本上决定了*大作用距离，在相同的工作频率情况下，*大作用距离越远，其一次扫测覆盖的范围就越大，扫测的效率就越高。脉冲宽度直接影响距离分辨率，一般来说，宽度越小，其距离分辨率就越高。水平波束开角直接影响水平分辨率，垂直波束开角影响侧扫声呐的覆盖宽度，开角越大，覆盖范围就越大，声呐正下方的肓区就越小，表1-1为常用的几种侧扫声呐及其参数。
表1-1 几种常用的侧扫声呐及性能
5．相干型测深侧扫声呐
1960年，英国海洋科学研究所研制出第*台侧扫声呐，并用于海底地质调查。20世纪60年代中期，侧扫声呐技术得到改进，提高了分辨率和图像质量等探测性能，开始使用拖曳体装载换能器阵；70年代研制出适用于不同用途的侧扫声呐。
英国Submetrix公司于20世纪90年代推出一种对海底地貌高密度、高精度测量的ISI100型相干声呐系统，它是一种利用多基元换能器接收回波的振幅、时间和相位差
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