一种海底地形自动生成的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种利用水下机器人航行数据自动生 成海底地形的方法。
【背景技术】
[0002] 水下机器人航行深度可达数千米，航行区域海底地形复杂，海底暗礁和海底山脉 的存在对水下机器人的航行安全带来很大的威胁。而传统的电子海图对于海底的地形信息 比较缺乏，所以根据水下机器人的航行数据，通过数据挖掘和融合，自动绘制机器人航行区 域内海底地图的工作显得尤其重要。当水下机器人首次航行于该海区时，将航行数据离线 处理，可以自动生成一个该航行区域内的海底地形图；当水下机器人再次航行于该区域时， 该航次的航行数据可以自动修正上一次生成的海底地形图。随着水下机器人在该航行区域 航行次数的增加，自动生成的海底地形图会更加完善。可以利用生成的海底地形图仿真海 底环境，验证水下机器人在复杂海洋环境下的航行安全性，而且能够为水下机器人使用海 底地形导航提供参考。
[0003] 传统的海底地形生成方法只是关注无序离散点的水深数据处理，没有考虑连续水 深数据的处理，没有很好地利用连续数据的关联处理海底地形数据，特别是当海底测量数 据存在交叠时，无法很好的进行数据融合，导致生成的海底地形无法真实反应海底的地形 特点。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有方法的不足，本发明要解决的技术问题是根据水下机器人的航行数 据，通过数据处理，生成海底地形数据，更加真实地反应海底地形特点。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种海底地形自动生成的方法，包 括以下步骤：
[0006] 测量水深数据；
[0007] 将水深数据转换成海图坐标系下的数据；
[0008] 将水深数据网格化；
[0009] 分别在X、Y轴方向网格建立关于水深数据的插值函数；
[0010] 将Y轴方向和X轴方向的网格数据进行数据融合，得到融合后的深度Z ;
[0011] 利用融合后的深度Z构造出海底地形数据。
[0012] 所述获得水深数据来源于AUV的航行数据，通过深度计和测高声纳装置测量水深 数据。
[0013] 所述将水深数据转换成海图坐标系，包括以下步骤：
[0014] 将水深数据的西南端点作为坐标原点（Xtl, Ytl, Ztl)，坐标原点的纬度、经度和深度数 据为(％'Λ) 5 );
[0015] 其它测量点的纬度、经度和深度数据为0/λΑ，Ζ)，转换成海图坐标系的数据为 (X, γ, Ζ)：
[0016]
【主权项】
1. 一种海底地形自动生成的方法，其特征在于，包括以下步骤： 测量水深数据； 将水深数据转换成海图坐标系下的数据； 将水深数据网格化； 分别在X、Y轴方向网格建立关于水深数据的插值函数； 将Y轴方向和X轴方向的网格数据进行数据融合，得到融合后的深度Z; 利用融合后的深度Z构造出海底地形数据。
2. 根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法，其特征在于，所述获得水深 数据来源于AUV的航行数据，通过深度计和测高声纳装置测量水深数据。
3. 根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法，其特征在于，所述将水深数 据转换成海图坐标系，包括以下步骤： 将水深数据的西南端点作为坐标原点（X〇, Y〇, Ztl)，坐标原点的纬度、经度和深度数据为 (%，儿0，Ζ〇) 其它测量点的纬度、经度和深度数据为（仍夂Ζ)，转换成海图坐标系的数据为 (X, γ, Ζ)：
其中，X表示距离原点的北向距离，Y表示距离原点的东向距离，Z表示水深值。
4. 根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法，其特征在于，所述将水深数 据网格化，具体为： 定义海图区域的分辨率为m*n，即在X轴方向上划分m个网格，在Y轴方向上划分η个 网格，X轴方向上网格宽度width_x，Y轴方向上网格宽度为width_y ; 坐标原点网格化后表示为（Χο,Υο,Ζ。）； 坐标东北角端点网格化后表示为（Χ_，γ_，ζ); 其它测量点的海图坐标系的坐标为（x，Y，z)，网格化后表示为（Xp，Yq，Z):
其中，Xp表示距离原点网格区的北向第P个网格，Yq表示距离原点的东向第q个网格， Z表示水深值。
5. 根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法，其特征在于，所述在X轴方向 网格建立关于水深数据的插值函数，具体为： 当东向距离为Yq时，水深关于X的插值函数Zq(X)为：
式中，Iij=Xj-Khl, 1彡j彡n-1 ;Z " j，1彡j彡n-1，为待定系数，表示该点的二阶导 数。为了计算Z"」，1彡j彡n-1，建立方程组（4)，方程组中2」（1彡j彡n-1)为已知量， Z" 彡j彡n-1)为未知量，方程个数未知量个数，能够求解出Z" p 1彡j彡n-1 ;
6. 根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法，其特征在于，所述在Y轴方向 网格建立关于水深数据的插值函数，具体为： 当东向距离为1时，水深关于Y
的插值函数Zp (Y)为： 式中，定义Iij=Yj-Yjfl彡j彡n-1 ;Z"」，1彡j彡n-1，为待定系数，表示该点的二阶 导数； 为了计算Z"」，1彡j彡n-1，建立方程组（6)，方程组中Ζ」，1彡j彡n-1为已知量， Z" p 1彡j彡n-1为未知量，方程个数未知量个数，能够求解出Z" p 1彡j彡n-1 ;
7. 根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法，其特征在于，所述将Y轴方向 和X轴方向的网格数据进行数据融合，得到融合后的深度Z为： Z=PY*Zp (Y)+Px*Zq(X) (7) 其中，Py表示测量点（Xp，Yq，Z)在Y轴插值曲线的影响因子，P x表示测量点（Xp，Yq，Z) 在X轴插值曲线影响因子，Zq(X)为水深关于X的插值函数，Zp(Y)为水深关于Y的插值函 数。 设定邻域半径为R，统计在距离点（Xp，Yq，Z)小于半径R的X方向坐标点数为Nx，Y方向 坐标点数为Ny，那么定义
8.根据权利要求1所述的一种海底地形自动生成的方法，其特征在于，所述利用融合 后的深度Z构造出海底地形数据，具体为：对融合后的数据使用Delaunay算法进行处理，利 用Vega的Creator软件生成海底地形数据。
【专利摘要】本发明公开一种海底地形数据自动生成的方法，该发明将无人无缆潜器（AUV）获得的水深数据自动生成海底地形。该发明分成2个阶段，第1阶段是使用AUV获得水深数据，第2阶段是根据AUV获得的水深数据自动生成海底地形。本发明操作简单，能够有效实现根据AUV获得的水深数据自动生成海底地形，生成的地形结果更加真实地反应海底地形特点。
【IPC分类】G06T17-05
【公开号】CN104680583
【申请号】CN201310636913
【发明人】刘健, 王轶群, 刘铁军, 赵宏宇, 贾松力
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月27日