专利名称：：海洋测线网系统误差的检测与调整方法
技术领域：
：本发明涉及海洋测量领域，特别是以测线模式开展的海洋水深测量、内陆水深测量、海洋重力测量和海洋磁力测量等系统误差的检测与调整方法。技术背景(1)目前，以线式测量模式为主的海洋测量经过基本的系统项改正后，然后以测线交叉点差值作检核成果是否合格，尚未利用交叉点差值来探测系统误差提高测量成果的精度。(中国《海道测量规范》(GB12327—1998)和国际《海道测量标准》(IHO，S44，1998)(中国《海洋重力测量规范》(GJB89010-1990));(2)尽管海洋重力测量和海洋磁力测量中已经有人利用交叉点来确定测线系统误差(海洋重力测量误差补偿两步处理法[J].武汉大学学报.信息科学版，2002，19(3》251-255)，但其计算方法尚未归结到海洋测线网的秩亏网平差理论高度来处理海洋重力(或磁力)测量问题。目前，为了获取精确的海洋几何空间信息，世界各沿海发达国家正致力于高精度海洋测量(包括高精度的海底地形测量、海洋重力测量和海洋磁力测量)的研究。在测区内布设若干条检查线与测深线相交，利用交点的闭合误差信息来评定海洋测深精度是国际海道测量界的传统方法。全球卫星定位系统及测深系统为此提供了高精度的探测基础。海道测量模式也由过去的点状模式过渡到线状模式。在这种情况下，测线逐歩密集甚至达到全覆盖状态，检査线逐步增加而与测深线构成测线网模式(最常见的是正交模式)。此时，依测量常识，产生一个重要科学问题能否且如何象陆地测量那样利用交叉点的闭合误差信息来提高测线及整个测线网的精度？围绕这一问题的解决又导致产生如下问题(1)交叉点闭合误差信息的组成结构是什么？如何进行分解与改正？(2)如何进行测线平差及测线网的平差来提高整个海洋测量数据的精度？实际上，这是一个国际上多年来一直困绕海道测量专家而一直未得到满意结果的一个问题。而这个问题不解决，对于存在误差的测线交叉点只能投入大量的人力和物力重新进行测量，不仅成本高，而且效率低。综上所述，目前对海洋测量成果的精度和可靠性均提出了高的要求，测量单位进行水深测量时，仅根据交叉点差值数据简单粗略地判断是否超限、是否需要重测，尚未采用科学合理的数据处理方法，尤其缺乏一套理论和方法来解决如何确定测深数据中的系统误差和剔除粗差及如何保证和提高水深测量精度和可靠性，难以满足获取高精度海洋空间信息的应用需求。
发明内容本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种海洋测线网系统误差检测与调整方法，针对交叉点闭合误差，采用测线网平差的理论与方法，基本上无需重新进行测量，节省测量成本，提髙海洋测量的精度和可靠性，提高测量精度，对以测线方式进行的各种海上物理参数测量均适用。本发明为实现上述目的所采用的技术方案是海洋测线网系统误差检测与调整方法，具体步骤为第一步数据采集，按常规测线方法获得海洋测线数据，将所得测线数据通过数据线传输入电脑；第二歩电脑数据处理系统通过秩亏网平差原理对海洋测线网的检测数据进行误差探测首先对图形可视化并进行编辑，对交叉点差值求定，并绘制交叉点差值圆图；差值圆分析，平差计算获得参数结果；第三步将上述探测的检测数据误差进行调整，将系统误差改正；所述第三步系统误差改正后进行第四步测量精度评定。所述第二步中的海洋测线网平差原理方法根据海洋测线网特点，利用秩亏网平差原理，建立海洋测深网高斯一马尔柯夫模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(1)式中，m为测线数，n为检査线数，矩阵C秩为m+n-l，列秩亏1，测线网秩亏加权平差模型及其解算结果如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>再根据上式求定海洋测线网测线系统误差，确定基准权尸x和观测权Z^第i条测线系统误差估值;,与其真值x,有关系;f,=x,-r附<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>估值中并存在测线系统误差的转移和淹没效应，导致系统误差估计值不准确，基准权的/检验选择方法(算法过程略)和测量数据的改正模型为=i械(3)式中&为经过f检验选取后确定第/条测线的基准权，g为第i条测线上的测量值，经过改正后，数据//'中仅含偶然误差，可用于评估数据的精度，确定观测权A的Helmert分量估计法，确定海洋测量数据的精度模型。所述第二步数据处理系统主要有测线网结构的可视化、交叉点不符值的求定与图形表示、断开测线、可用于组网的测线段和交叉点的确定、自动组建平差方程、分类处理模式下平差区域的选择、测线系统误差改正和精度评定等功能模块。所述测线网数据的可视化模块包括读入数据；测线的平面二维图和测量数据的断面图显示；图形的放大縮小漫游等基本编辑操作。所述交叉点不符值的求定与图形表示模块包括交叉点的平面位置求定和深度差值的内插；绘制交叉点差值圆图；交叉点差值的求定算法可采用四点求交法或多点拟合求交法，交叉点差值表示该点处的两次测深值之间的大小关系，主要从数字大小和符号两方面来反映。交叉点差值的差值圆表示法，交叉点差值圆的设计约定如下①差值的大小用圆的大小表示，圆的直径与差值大小一致，可据差值绝对值大小按比例取值。②差值的正负用颜色表示，规定交叉点差值=测线测值-检査线测值，由于数字仅有正负两种情况，可采用两种对比鲜明的颜色表示，如黑、白色或红、蓝色等。◎圆的中心位置取交叉点的空间位置。所述断开测线模块将多折线或弯曲的测线断开成满足海洋测深网平差要求的多条直线段或曲线段。所述可用于组网的测线段和交叉点的确定模块，将测线段分为可用于组网和不可用于组网两部分，其中，交叉点多于(含)3个的测线段是可参与组网，测线段上交叉点少于3个时，获得参数估值极不可靠，对交叉点也做类似约定，即两条可参与组网的测线段之间的交叉点才可参与组网，经过上述约定后，某些测线将不能参与组网平差，可能导致一个测区分成多个测线网，此时应进行分区平差。所述自动组建平差方程模块自动组建平差方程的关键在于根据交叉点差值与测线段的关系获得平差模型(1)中的系数阵c，利用交叉点差值与其相关的两条测线段之间关系可获得系数阵c，从而自动组建平差方程。所述分类处理模式下平差区域的选择模块可事先选定区域，在该区域事先测线断开，对可用于平差的测线段和交叉点进行分类选取，然后自动组网平差。所述第三步测线系统误差改正改正模型如式(3)，作业人员査清导致测线系统误差的原因后进行改正。所述第四步海洋测深网精度评定在单位权方差取测区观测值平均值的方差时，在得到交叉点差值的单位权中误差《="/^/[(W-1)("-l)]后，《就是测区平均测量值的V^倍误差，在此基础上，得到测区，均测量值的绝对精度模型为A-^z^，相对精度模型为^=<7。/5100%;经Helmert估计后，各测量值的误差模型可表示为^="2+(1")2，且"为误差固定部分，为随测量值变化的误差系数，"为测量值。本发明中，海洋测线网是指测线、检査线以及其交叉点空间分布的网状结构，如图1所示规则的海洋测线网，由m条测线和w条检查线及其交叉点构成。海洋测线网平差的就是要根据测线和检査线的交叉点差值来确定测线或检查线上的系统误差，交叉点差值采用数字大小和符号两方面反映，数字表示方式准确但不直观。而图形符号能够反映数据的大小和符号意义，采用图形表示差值将显得形象直观。为较好地表示差值的含义，本发明提出利用图形符号来表示海洋测深网结构的方法。本发明构建误差源的影响模型和提出相应的数据处理方法；对影响测深精度的几项重要测深效应探索，提出提高精度的方法和算法；测线数据滤波研究，建立旨在消除测线段误差和测深单点误差影响的滤波方法，提高测深数据和定位数据的精度和可靠性；建立测线网平差的原理与技术，既探测系统误差，又进行精度评定，可作为数据处理的最后检核的理论和方法。本发明提高整个区域的测深数据的精度，避免重测和节省测量成本。图l为本发明结构示意图。图2为本发明海洋测线网示意图。图3为本发明数据处理流程图。图4为本发明试验测网平面图。图5为本发明试验测网立体图。图6为本发明交叉点差值求定算法图，(a)为四点求交；(b)为多项式拟合求交。具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但不限于具体实施例。海洋水深测量实施例2007年7月1日，采用常规测量方法在中国北海某海区进行格网方式试验，测线航迹线平面图如图4，测区深度情况如图4测量情况如下告有12条主测线和11条检査线，主测线和检查线均为正常状态下测量，其航轨迹线如图4和图5中的黑细线；编号1至12，检查线如图4和图5中的淡粗线，编号1至11。正常测量时标准声速为1510m/s，换能器吃水为l.Om，航速为7.5节。令为了检验声速对测线系统误差的影响，附加三条测线如图4和图5中黑粗线，编号为13、14、15。附加的三条测深线为变声速测量，声速为1490m/s，吃水深度为l.Om，航速为7.5节。夸为了检验吃水改正对测线系统误差的影响，又附加三条测线，如图4、图5中淡细线，编号为16、17、18。这三条测深线上改变了换能器吃水深度，吃水深度为0.8m，声速设置为1510m/s，吃水深度为0.8m，航速为7.5节。"则量所得的水深差值如表1。表l交点差值数据(单位m)<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>第一步数据采集，采用图l所示的硬件连接设备，数据采集器1按常规测线方法获得测线，将所得测线数据通过数据线传输入电脑2中；第二步电脑数据处理系统通过秩亏网平差原理对海洋测线网的检测数据进行误差探测首先对图形可视化并进行编辑，对交叉点差值求定，并绘制交叉点差值圆图；差值圆分析，平差计算获得参数结果；根据海洋测线网如图2，利用秩亏网平差原理，可建立海洋测深网的如下高斯一马尔柯夫模型'<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(1)式中，m为测线数，n为检查线数，矩阵C秩为m+n-1，列秩亏1。测线网秩亏加权平差模型及其解算结果如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>在此基础上，可据上式求定海洋测线网测线系统误差并进行精度评估，其关键问题是确定基准权A和观测权A:确定基准权A的《检验法第i条测线系统误差估值《与其真值x,有关系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>估值中并存在测线系统误差的转移和淹没效应，导致系统误差估计值不准确，为了克服这两种效应，提出了基准权的t检验选择方法(算法过程略)和测量数据的改正模型为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(3)式中&为经过t检验选取后确定第J'条测线的基准权，乾为第i条测线上的测量值。经过改正后，数据/r中仅含偶然误差，可用于评估数据的精度。确定观测权A的Helmert分量估计法结合海洋测量数据的特点，提出了确定A的Helmert分量估计法(算法过程略)，可确定海洋测量数据的精度模型。软件处理系统为基于VisualC++6.0开发的海洋测深网工程化实用软件，用于实际海洋测量数据系统误差探测和精度评定。软件运行平台为Window98/xp/2000以上系统，主要功能模块有测线网结构的可视化、交叉点不符值的求定与图形表示、断开测线、可用于组网的测线段和交叉点的确定、自动组建平差方程、分类处理模式下平差区域的选择、测线系统误差改正和精度评定等功能模块。(1)测线网数据的可视化模块包括读入数据；测线的平面二维图和测量数据的断面图显示；图形的放大縮小漫游等基本编辑操作。(2)交叉点不符值的求定与图形表示模块包括交叉点的平面位置求定和深度差值的内插；绘制交叉点差值圆图；交叉点差值的求定算法可采用四点求交法或多点拟合求交法。一般情况下，可在测线和检查线各选用相邻交叉点的两个点求交，如图6(a)。在数据变化剧烈区域，为了削弱定位误差影响，可采用两条测线的拟合曲线进行差值，比如，多项式拟合、样条函数拟合等，如图6(b)。这里仅以最简单的四点求交为例，交叉点处深度内插值和深度差值算法<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>式中，A》、A^为测线i上邻近交叉点的测深值，A、^为其到交叉点对应的平面距离，A，,，A+u为测线J上邻近交叉点的测深值，&，&为化和A+。到交叉点对应的平面距离。交叉点差值表示该点处的两次测深值之间的大小关系，主要从数字大小和符号两方面来反映。数字表示方式准确但不直观。而图形符号能够反映数据的大小和符号意义，采用图形表示差值将显得形象直观。为较好地表示差值的含义，提出利用图形符号来表示海洋测深网结构的方法，即交叉点差值的差值圆表示法。交叉点差值圆的设计约定如下①差值的大小用圆的大小表示，圆的直径与差值大小一致，可据差值绝对值大小按比例取值。②差值的正负用颜色表示，规定交叉点差值=测线测值-检査线测值，由于数字仅有正负两种情况，可采用两种对比鲜明的颜色表示，如黑、白色或红、蓝色等。◎圆的中心位置取交叉点的空间位置。上述定义的圆称为差值圆，差值圆具有大小、颜色和位置特征，可反映差值的大小、正负、以及空间位置。差值圆体现测线与检查线的交叉点处差值情况，因此，所有差值圆可反映整个海洋测深网结构的测量情况。这种能够直观地反映测深网差值情况的图形称为海洋测线网差值图。采用差值绝对值绘制的图为绝对差值图，按一定比例绘制的为比例差值图。因差值反映测线之间相互对比关系，一般采用比例差值图。(3)断开测线模块将多折线或弯曲的测线断开成满足海洋测深网平差要求的多条直线段或曲线段。(4)可用于组网的测线段和交叉点的确定模块，为了保证平差模型的可靠性，如图3流程图所示，数据处理系统性将测线段分为可用于组网和不可用于组网两部分，其中，交叉点多于(含)3个的测线段是可参与组网。研究结果表明，测线段上交叉点少于3个时，获得参数估值极不可靠，因此必须要求参与组网的测线段交叉点数多于(含)3个。对交叉点也做类似约定，即两条可参与组网的测线段之间的交叉点才可参与组网。经过上述约定后，某些测线将不能参与组网平差，可能导致一个测区分成多个测线网。此时应进行分区平差。(5)自动组建平差方程。自动组建平差方程的关键在于根据交叉点差值与测线段的关系获得平差模型式(2)中的系数阵C，事实上，可利用交叉点差值与其相关的两条测线段之间关系可获得系数阵C，从而自动组建平差方程。这样做的优点是，不必事先指定哪些是测线段，哪些是检查线段。(6)分类处理模式下平差区域的选择。可事先选定区域，在该区域事先测线断开，对可用于平差的测线段和交叉点进行分类选取，然后自动组网平差。第三步将上述探测的检测数据误差进行调整，将系统误差改正，改正模型如式(3)—般要求作业人员查清导致测线系统误差的原因后进行改正。这是提高成果精度和决定测量效率的关键一步。第四步进行精度评定在单位权方差取测区观测值平均值的方差时，在得到交叉点差值的单位权中误差《="p#/[(w—1X"—1)]后，《就是测区平均测量值的^倍误差。在此基础上，得到测区平均测量值的绝对精度模型为^^^Z^，相对精度模型为"/5100%;经Helmeri:估计后，各测量值的误差模型可表示为^="2+^'")2，且〃为误差固定部分，为随测量值变化的误差系数，"为测量值。经测深设备1获得实际测量数据后输入电脑2，经海洋测深网平差后，清楚的探明主测线112，检査线111不含系统误差。测线1315约有0.2m的系统误差，而测线1618有-0.2-0.3m的系统误差。从实用角度看，本发明可通过数据处理避免测线1315和测线1618重测，进而提高作业效率和精度。补充说明，给出数据处理系统性中实现海洋测线网平差的一种简单的平差方式的代码段〃海洋测线网等基准平差voidGridadjust::datumbyallline()〃海洋测线网平差MatrixM,N,G,tmppp;G=ones(n,n);//t检验分位值invtest=test—P(m-n+l,0.025,1.Oe-15);PL=diag(PL);N=!C*PL*C;M=inv(N+G);X=M*!C*PL*L;V=C*X-L其他内陆水深测量、海洋重力测量和海洋磁力测量均可以按上述实施例测量方法进行测量处理，避免重测，提高测量精度。权利要求1、海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是具体步骤为第一步数据采集，按常规测线方法获得海洋测线数据，将所得测线数据通过数据线传输入电脑；第二步电脑数据处理系统通过秩亏网平差原理对海洋测线网的检测数据进行误差探测首先对图形可视化并进行编辑，对交叉点差值求定，并绘制交叉点差值圆图；差值圆分析，平差计算获得参数结果；第三步将上述探测的检测数据误差进行调整，将系统误差改正。2、根据权利要求1所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是第三歩系统误差改正后进行第四步测量精度评定，在单位权方差取测区观测值平均值的方差时，在得到交叉点差值的单位权中误差^="P#/[^—1X"—1)]后，《就是测区平均测量值的^倍误差，在此基础上，得到测区平均测量值的绝对精度模型为6。=^/^，相对精度模型为5=^/5100%;经Helmert估计后，各测量值的误差模型可表示为^="2+(1"2，且"为误差固定部分，为随测量值变化的误差系数，"为测量值。3、根据权利要求1或2所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是第二步中的海洋测线网平差原理方法根据海洋测线网特点，利用秩亏网平差原理，建立海洋测深网高斯一马尔柯夫模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，m为测线数，n为检查线数，矩阵C秩为m+n-l，列秩亏则线网秩亏加权平差模型及其解算结果如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>再根据上式求定海洋测线网测线系统误差，确定基准权尸x和第i条测线系统误差估值《与其真值x,有关系《=、-r且"I;a^/2a;估值中并存在测线系统误差的转移和淹没效"1应，导致系统误差估计值不准确，基准权的f检验选择方法(算法过程略)和测量数据的改正模型为w,、A+(a,-i试(3)式中&为经过^检验选取后确定第/条测线的基准权，7/,为第i条测线上的测量值，经过改正后，数据/r中仅含偶然误差，可用于评估数据的精度，确定观测权A的Helmert分量估计法，确定海洋测量数据的精度模型。4、根据权利要求1或2所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是第二步数据处理系统主要有测线网结构的可视化、交叉点不符值的求定与图形表示、断开测线、可用于组网的测线段和交叉点的确定、自动组建平差方程、分类处理模式下平差区域的选择、测线系统误差改正和精度评定等功能模块。5、根据权利要求4所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是测线网数据的可视化模块包括读入数据；测线的平面二维图和测量数据的断面图显示；图形的放大縮小漫游等基本编辑操作。6、根据权利要求4所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是交叉点不符值的求定与图形表示模块包括交叉点的平面位置求定和深度差值的内插；绘制交叉点差值圆图；交叉点差值的求定算法可采用四点求交法或多点拟合求交法，交叉点差值表示该点处的两次测深值之间的大小关系，主要从数字大小和符号两方面来反映。交叉点差值的差值圆表示法，交叉点差值圆的设计约定如下①差值的大小用圆的大小表示，圆的直径与差值大小一致，可据差值绝对值大小按比例取值。②差值的正负用颜色表示，规定交叉点差值=测线测值-检査线测值，由于数字仅有正负两种情况，可采用两种对比鲜明的颜色表示，如黑、白色或红、蓝色等。③圆的中心位置取交叉点的空间位置。7、根据权利要求4所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是断开测线模块将多折线或弯曲的测线断开成满足海洋测深网平差要求的多条直线段或曲线段。8、根据权利要求4所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是可用于组网的测线段和交叉点的确定模块，将测线段分为可用于组网和不可用于组网两部分，其中，交叉点多于(含)3个的测线段是可参与组网，测线段上交叉点少于3个时，获得参数估值极不可靠，对交叉点也做类似约定，即两条可参与组网的测线段之间的交叉点才可参与组网，经过上述约定后，某些测线将不能参与组网平差，可能导致一个测区分成多个测线网，此时应进行分区平差。9、根据权利要求4所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是自动组建平差方程模块自动组建平差方程的关键在于根据交叉点差值与测线段的关系获得平差模型(1)中的系数阵C，利用交叉点差值与其相关的两条测线段之间关系可获得系数阵C，从而自动组建平差方程。10、根据权利要求4所述的海洋测线网系统误差检测与调整方法，其特征是分类处理模式下平差区域的选择模块可事先选定区域，在该区域事先测线断开，对可用于平差的测线段和交叉点进行分类选取，然后自动组网平差。全文摘要本发明涉及海洋测量领域。海洋测线网系统误差检测与调整方法，第一步数据采集，按常规测线方法获得海洋测线数据，将所得测线数据通过数据线传输入电脑；第二步电脑数据处理系统通过秩亏网平差原理对海洋测线网的检测数据进行误差探测首先对图形可视化并进行编辑，对交叉点差值求定，并绘制交叉点差值圆图；差值圆分析，平差计算获得参数结果；第三步将上述探测的检测数据误差进行调整，将系统误差改正。本发明提高整个区域的测深数据的精度，避免重测和节省测量成本。文档编号G06F17/10GK101231167SQ200810010450公开日2008年7月30日申请日期2008年2月20日优先权日2008年2月20日发明者刘雁春,李明叁申请人:刘雁春;李明叁