多波束测深和图像数据处理
本书详细讲解了多波束测深的原理、侧扫声呐在海底地形绘制、水下目标识别的应用、可以供水声等相关专业科研人员参考国家“十一五”重点图书地球空间信息学丛书/李德仁主编多波束测深及图像数据处理■赵建虎刘经南著WUHAN UN∨ ERSITY PRESS武汉大学出版社图书在版编目(CIP)数据多波束测深及图像数据处理/赵建虎,刘经南著.一武汉:武汉大学出版社,2008.9国家“十一五”重点图书地球空间信息学丛书/李德仁主编ISBN978-7-307065000Ⅰ.多…Ⅱ.①赵…②刘…Ⅲ.海洋测量一测深一卫星图像一图像处理Ⅳ.P229-39中国版本图书馆CP数据核字(2008)第129252号责任编辑:任翔责任校对:黄添生版式设计:马佳出版发行:武汉大学出版社(430072武昌珞珈山)(电子邮件:wdp4@whu.edu.cn网址:ww.wdp.com.cn)印刷:武汉中远印务有限公司开本:720×10001/16印张:24.25字数:446千字插页:1版次:2008年9月第1版208年9月第1次印刷ISBN978-7-30706500-0/P·138定价:45.00元版权所有,不得翻印;凡购我社的图书,如有缺页、倒页、脱页等质量问题,请与当地图书销售部门联系调换。前言随着陆地资源的还渐匮乏,人类已将资源开发和利用的重点转向了占整个地球面积71%、蕴藏着丰富自然资源的海洋。我国已于20世纪末制定了21世纪海洋强国战略,其宗旨是将我国建设成为世界级的海洋强国。在这一世纪性战略中,海洋测量作为人类一切海洋活动的基础,必将扮演着十分重要的作用。随着电子、计算机、信息等相关技术的迅速发展,当今的海洋测量正呈现蓬勃的立体发展态势。在这一大背景下,基于船载测量设备的海洋调查和勘测技术、手段及方法在我国也取得了日新月异的成就,尤其是自20世纪90年代引进的多波束系统,无论是测点的精度、密度和代表性,均是以往传统水下地形测量方法所不能比拟的,真正地实现了从“点”、“线”水下地形测量到条带式、全覆盖、“面”测量的变革,给我们真实、详细地呈现出了海底的精细地形和地貌,使人类能够首次全面地认识“漆黑”的海底世界。然而,由于多波束系统引进的时间较短,我国对该系统的认知还基本处于初始阶段,许多拥有多波束系统的测量单位到目前为止还停留在依照系统参考手册和操作规范实施作业的初始应用阶段,远没有最大限度地发挥该系统的应用潜力。另外,由于对相关知识的了解和认识不足,系统的应用远没有达到预期的精度。为了改善多波束系统在我国当前的应用状况,提高系统的应用和开发潜力,本书围绕多波束系统具有测深和获取声呐图像两大功能,在论述多波束系统的发展历史和工作原理的基础上,对多波束测量中涉及的平面基准及其相互转换、潮汐调和分析及海洋垂直基准面、声速及声线跟踪、辅助参数的测定、滤波及补偿、多波束测深数据滤波、基于已有软件的多波束数据处理过程及分析、声强数据的处理及声呐图像的形成、声呐图像的处理、多波束声呐图像的应用、多波束测量信息和侧扫声呐测量信息的融合等主题展开了深人的研究,详细地介绍了这些研究目前取得的最新进展研究所采用的理论和方法,同时还给出了这些理论和方法的实际应用效果。这些研究成果对从事多波束研究和实际工程应用具有一定的借鉴作用。本书共分12章,第1至2章主要由刘经南院士赵建虎完成,着重介绍了船多波東测深及图像数据处理载测深系统的发展历史以及多波束数据处理技术的现状和发展趋势,第3至8章着重介绍了测深数据的处理方法、理论及实际应用。在这部分中,从第3章到第7章由赵建虎和刘经南院士完成,第8章由陈义兰、杨琨、吴永亭、周丰年完成;第9至11章着重介绍了基于多波束回波强度信息所生成的声呐图像的形成、处理及应用,由赵建虎和刘经南院士完成。第12章在系统分析了多波束和侧扫声呐测量内容特点的基础上,提出了综合二者测量信息,通过信息的有机融合处理获取海底高精度声呐图像和高分辨率地形的思想和方法,对二者的信息融合方法、理论进行了探讨,并对其应用前景进行了展望。由于本书涉及的内容比较多,许多领域是目前国内外研究的热点问题,加之作者水平有限,书中有不妥之处,敬请各位专家与读者批评指正。编者2007年8月目录第1章绪论…1.1引言甲鲁···船载测深系统的发展历史1.2.1原始测深方法看·曲单非·鲁非看P即·鲁。看4451.2.2常规测深系统……1.2.3多波束测深系统1.2.4多波束测深系统的最新进展1.2.5我国的多波束测深系统………………101.3多波束数据处理技术的现状和发展趋势……1.3.1声速及其声线跟踪1.3.2多波束辅助参数的测定和滤波1.3.3深度数据滤波…131.3.4图像处理……………………………131.3.5多波束数字信息与侧扫声呐图像信息的融合……………141.4本书的结构体系141.5本章小结15参考文献16第2章多波束系统的工作原理··········………………182.1多波束系统的组成182.2多波束系统的声学原理…202.2.1相长干涉和相消干涉以及换能器的指向性202.2.2换能器基阵的束控…b·●量垂看·杳·有242.2.3波束的形成………252.3波束的发射、接收流程及其工作模式鲁自·t··。命272.4波束的能量衰减及其时间增益补偿……302.5底部检测及系统探测能力的估算……30多波束测深及图像数据处理2.6波束脚印的归位问题…312.7本章小结34参考文献中自●非·幽35第3章平面基准及其相互转换3.1地心坐标系…373.1.1地心坐标系的定义……………………373.1.2地心坐标系的建立383.1.3已有的地心坐标系统及其参数423.2参心坐标系433.2.1参心坐标系的定义433.2.2参心坐标系的建立4432.3我国常用的参心坐标系及其参数……453.3坐标系间的相互转换……………………………………473.3.1大地坐标系与空间大地直角坐标系转换的数学模型473.3.2不同的三维空间直角坐标系转换的数学模型483.3.3不同大地坐标系转换的数学模型…493.4高斯投影·鲁·513.4.1高斯投影概述3.4.2椭球面元素到高斯投影面的转换曾·q。鲁普鲁看曹鲁·鲁543.4.3高斯投影的邻带坐标换算553.5UTM(通用横轴墨卡托)投影…鲁由申鲁由563.6独立坐标系583.6.1独立坐标系概述583.6.2独立坐标系的建立583.6.3独立坐标系与其他几种典型坐标系的转换613.7本章小节…63参考文献…………63第4章潮汐调和分析及海洋垂直基准面∴644.1平衡潮理论……644.1.1引潮力(势)644.1.2引潮力势的调和展开………鲁·664.1.3平衡潮及其主要结论68日录4.1.4实际潮汐的潮高……84.2潮汐、潮流分析704.2.1潮汐分析……………………………704.2.2潮流分析…………724.2.3溯汐动力学理论734.3垂直基准764.3.1平均海平面……………………………………………774.3.2国家高程基准794.3.3海图深度基准面…804.4基准传递与推估……854.4.1短期验潮站平均海平面的确定854.4.2深度基准面传递与推估874.4.3平均海平面和深度基准面的综合传递884.5海洋垂直基准统一框架894.5.1平均海平面作为海洋统一垂直参考基准…894.5.2以椭球面作为海洋统一垂直参考基准…894.6本章小结……………………………………………………92参考文献………………………………………92第5章声速及声线跟踪945.1海洋声学…·日945.1.1海洋声速…965.1.2声波在海水中的传播特性………………………………975.1.3声道…1005.1.4海洋噪声…………1015.2海水中声速的确定…………1015.2.1声速剖面的直接测量申鲁·杳·………10252.2声速的间接确定1045.3基于自组织神经网络的声速剖面分类方法1125.3.1SOFM神经网络1125.3.2声速剖面的描述1135.3.3用于划分声速剖面类别的S0FM神经网络的构造和训练…1145.3.4实验和分析1155.4局域空间声速模型的建立120多波東测深及图像数据处理5.4.1局域空间声速模型的建立∴…………………1205.4.2实践及分析…………………………1215.5声线跟踪法1245.5.1 Harmonic平均声速1255.5.2基于层内常声速假设下的声线跟踪算法…1265.5.3基于层内常梯度假设下的声线跟踪算法1275.6等效声速剖面法1285.6.1一个重要事实的证明1285.6.2误差修正法12956.3等效声速剖面法1305.7声线跟踪过程及各方法的比较鲁鲁·着·。鲁非·。…1325.7.1声线跟踪法的计算过程1325.7.2误差修正法和等效声速剖面法的计算过程1335.7.3各种方法的比较13458实践及分析……………1355.9声速对多波束测量成果的影响……4··1375.9.1声速剖面测量误差的产生…………………………1375.9.2声速误差的影响1385.10本章小结……………………141参考文献141第6章辅助参数的测定、滤波及补偿…………1436.1多波束测量中的定位技术●寺章萨。1436.2局部无缝垂直参考基准面的建立1466.2.1精密局域大地水准面的确定1476.2.2局域海图基准高程模型的建立p●曹D●14862.3建立 Saint John河无缝垂直参考基准的实践和过程分析……1486.3GPS船姿测量…····“··1566.3.1坐标系统的定义及其相互关系1566.3.2船体姿态测量原理…1576.3.3实验及分析1586.4船姿分析及其补偿…l616.4.1船姿受动因素分析1616.4.2船姿对多波束测量的影响……………………162
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车联网白皮书(2018)
本白皮书从技术、产业和政策措施三个维度对车联网国内外发展现状及趋势进行分析。技术部分包括单车智能化相关汽车电子技术和 V2X 无线通信、多接入边缘计算、车路协同平台等网联化相关技术，以及信息安全等共性关键技术；产业部分从专利布局、产业链协同重点剖析产业发展新趋势，探索新生态和新模式等； 政策措施部分包括顶层设计规划、协同推进机制、法律法规等；最后总结全文，对车联网融合创新发展提出“1+3”举措建议，包括构建一个跨行业协调机制和技术创新、产业融合、安全管理三个发展体系。版权声明本白皮书版权属于中国信息通信研究院,并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本白皮书文字或者观点的,应注明“来源:中国信息通信研究院”。违反上述声明者,本院将追究其相关法律责任。前言车联网涉及汽车、电子、信息通信、交通等多个产业,正处于加速发展的关键阶段。我国应以加快推进车联冈新技术产业化和构建“人-车一路一云”协同的智慧交通体系为切入点,促进跨部门协同,加强法规标准建设、共性技术突破、基础设施改造等重点工作,打造产业新生态,实现新的产业集聚。本白皮书从技术、产业和政策措施三个维度对车联网国内外发展现状及趋势进行分析。技术部分包括单车智能化相关汽车电子技术和V2X无线通信、多接入边缘计算、车路协同平台等网联化相关技术,以及信息安全等共性关键技术;产业部分从专利布局、产业链协同重点剖析产业发展新趋势,探索新生态和新模式等;政策措施部分包括顶层设计规划、协同推进机制、法律法规等;最后总结全文,对车联网融合创新发展提出“1-3”举拮建议,包括构建一个跨行业协调机制和技术创新、产业融合、安全管理三个发展体系目录第一章车联网应用发展需求(一)以用户体验为核心的信息服务类应用(二)以车辆驾驶为核心的汽车智能类应用.(三)以协同为核心的智慧交通类应用第二章车联网技术发展研判(一)汽车电子成为新的战略竞争高地(二)V2X无线通信技术发展进入快车道(三)多接入边缘计算助力车联网全面发展(四)“端-管-云”协同的发展模式初现雏形...(五)车联网安全技术亟待完善第三章车联网产业发展趋势14(一)车联网产业融合发展新趋势........14(二)车联网商业模式发展现状及趋势20第四章政策措施及发展建议...........,...........23(一)美欧日等发达国家普遍重视车联网发展(二)我国支持车联网产业发展的政策措施基础............,,,,24(三)我国车联网产业创新融合发展建议..26图表目录图1车联网专利布局变化趋势.16图2专利企业数量变化趋势图16图3汽车智能化、自动驾驶专利申请企业活跃排名图4谷歌自动驾驶专利布局图5车联网的基本价值链.20图6智慧交通类应用商业模式屮国信息通信研究院车联网白皮书(2018年)第一章车联网应用发展需求当前,车联网技术发展和服务能力不断提升,借助于人、车、路云平台之间的全方位连接和信息交互,催生了大量新的产品应用。狭义的车联网应用通常指车载信息服务类应用,即通过车辆把车主与各种服务资源整合在一起;广义的车联网应用还包括面向交通的安全效率类应用以及以自动驾驶为基础的协同服务类应用。新应月也对汽车交通的智能化与网联化水平提出了新的发展需求,引领车联网技术与产业发展,促进城市数字化与智能化发展。车联网应用从不同的视角有不同的分类方式。根据联网技术不同,可以分为车内网、车际网和车云网应用;根据车联网应用对象不同,可以分为单用户应用以及行业应用两大类,行业应用又进一步分为企业应用和政府应用等;根据需求对象不同,可以分为自动驾驶、安全出行、效率出行、交通管理、商业营运、涉车服务等应用。无论哪种应用分类方式,都基本涉及到以用户体验为核心的信息服务类应用、以车辆驾驶为核心的汽车智能化类应用和以协同为核心的智慧交通类应用。(一)以用户体验为核心的信息服务类应用此类应用既包括提高驾乘体验、实现欢乐出行的基础性车载信息类应用,也包括与车辆上路驾驶、车辆出行前或岀行后的涉车服务后市场服务、车家服务等应用。该类应用需要车辆具备基本的联网通信能力和必要的车辆基础状态感知能力。基础性车载信息类应用仍是当前车联网主要应用形态,主要涉及车联网白皮书(2018年)屮国信息通信研究院车主的前台式互动体验,包含导航、娱乐、通信、远程诊断和救援、资讯等。目前很多车辆三加装车载模块,用户可以通过车载网联化获得信息服务,包括在线导航、娱乐等多媒体服务。随着语音识别、人眼动作识别等技术的逐步发展,车载信息类应用将更加丰富。涉车服务主要与定位、支付相结合,包括共享汽车、网约车、网租车等应用。汽车后市场服务主要有汽车保险、车辆维护延保、车辆美容、二手车交易等应用,随着汽车保有量增速的放缓,后市场服务应用价值将获得更多关注。车家服务主要通过基于位置、时间、日期等信息来智能化判定车主行为习惯,创建相应规则为车主提供智能家居系统服务应用,包括家用电器远程遥控等(二)以车辆驾驶为核心的汽车智能类应用此类应用主要与车辆行驶过程中的智能化相关,利用车上传感器,随时感知衎驶中的周围环境,收集数据、动静态辨识、侦测与追踪,并结合导航地图数据,进行系统运算与分析,主要有安全类和效率类等各种应用。安全类应用与车辆行驶安全及道路通行效率息息相关,有助于避免交通事故的发生。目前,依靠单车感知的安全驾驶辅助系统等传统应用处于快速成长期,在中低端车型渗透率将会逐步提升。同时,随着网联技术的不断成熟和推广,出现了更多安全预警类应用。例如,通过网联技术,行驶在高速公路等快速路段的前车,在感知到事故后可提早通知后面车辆事詼信息,避免连环追尾事故。效翠类应用主要是通过车车、车路信息交互,实现车辆和道路基屮国信息通信研究院车联网白皮书(2018年)础设施智能协同,有助于缓解交通拥堵、降低车辆排放等。典型应用有交叉路口智能信号灯、自适应巡航增强、智能停车管理等。例如,交叉路口智能信号灯应用通过网联技术来收集周边车辆速度、位置等信息,对信号灯参数进行动态优化,提高交叉路口车辆通行效率。(三)以协同为核心的智慧交通类应用此类应用是在自动驾驶的基础上,与多车管理调度及交通环境等智慧交通相关,最终支持实现城市大脑智能处置城市运行和治理协同。智慧交通主要是基于无线通信、传感探测等技术,实现车、路、环境之间的大协同,以缓解交通环境拥堵、提高道路环境安全、达到优系统资源为目的。在实现高等级自动驾驶之后,应用场景将由限定区域向公共交通体系拓展。在相对封闭的环境或危险地带场景中,因物理空间有限,行驶路况、线路、行驶条件等因素相对稳定,重复性高,通过独立云端平台协同度管理,采用固定路线、低速运行、重复性操作的应用更容易成熟落地。典犁应用有对园区、景区、机场、校园等限定区域内的自动驾驶巴士进行调度、港口专用集装箱智能运输等。在公共交通系统场景下,车辆的路径规划和行为预测能力对车辆的智能化和网联化水平提出了更高要求,需要更完善的自动驾驶控制策略、行驶过程全覆盖的5GV2X网联技术以及云平台的高效衔接调度。该类应用除依赖技术突破,还涉及到伦理、法规等,距实际成熟应用尚需时日,如自动驾驶出租车、自动驾驶公交车、智能配送等。车联网白皮书(2018年)屮国信息通信研究院第二章车联网技术发展研判车联网发展的热点聚焦网联化和智能化,并由单车智能逐步转向多车办同、以及“智慧的车”与“智慧的路”协同发展,这对车联网技术创新和产品研发提出了新的发展需求。汽车电子、2X无线通信、多接入边缘计算、云平台以及安全等为车联网网联化、智能化、协同化发展提供了坚实的技术基础。近年来,全球汽车产业快速增长,汽车电子成为产业增长的重要引擎,通过人机交互、汽车功能提升等方式提升驾驶体验。此外,自动驾驶等协同应用成为汽车巳子发展的重要方向。V2X无线通信技术旨在将“人-车-路-云”等交通参与要素有机地联系在一起,不仅可以为交通安全和效率类应用提供通信基础,还可以将车辆与其他车辆、行人、路侧设施等交通元素有机结合,弥补了单车智能的不足,推动了协巨式应用服务发展。多接入边缘计算可以有效解决未来网络高带宽、低时延、高可靠需求以及大规模终端连接等要,支持多种终端接入方式,有效提升道路的智能化水平云平台能够为未来的协同交通体系提供统一的数据采集、智能决策及控制执行等基础支撑,继而将整个车联网要素连接成一个整体。车联网安全形势紧迫,需要在车载终端安全、数据交互安全、平台信息安全和隐私保护等方面开展关键技术攻关及产品研制,形成贯穿于车联风“端-管-云”全链条的综合安全体系。(一)汽车电子成为新的战略竞争高地全球汽车产业增速放缓,汽车电子成为产业增长的重要引擎。据
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