基于小波和滤波器的复合海底地理实体逐级分解方法与流程

1.本发明涉及海底地理实体划定、海洋测绘、海底地形地貌（不规则的表面或轮廓的计量）、海洋地质、海洋制图与图像数据处理、深海采矿和海洋工程建设等技术领域。


背景技术：

2.海洋约占地球面积的71％，蕴藏丰富的人类赖以生存的资源。详细和精确的全球海底地形地貌信息将对我们认知、开发和利用海洋起到重要作用。然而，根据全球最大的海底地形测绘数据收集项目—“海底2030”的统计，目前只有约21%的全球海底已完成了地形地貌的高精度测绘，对海底地形的认知程度尚不及对火星、月球表面地形的认知。
3.近半个世纪以来，在已掌握的高精度地形地貌信息的全球海底部分，人类通过将其划定为可测量、具有确定界线的地理实体，即海底地理实体，并依据相应的标准和规则，对这些地理实体进行识别、分类与命名。根据国际海底地名数据库统计，目前全球已完成4700多个海底地理实体的识别与命名工作。
4.按照规模大小和主从关系，可以将海底地理实体可划分为多个级别。然而，尺度更小的次一级的海底地理实体往往叠加发育在尺度更大的上一级的海底地理实体上，产生一种形态异常复杂且包含多种级别实体的复合型海底地理实体。难以圈定、海底地理实体形态参数难以提取等问题，在开展实体划定前必须对其进行逐级分解，进而开展地理实体的量化研究。
5.针对多尺度地形分解的问题，国内外学者开展了一些相关研究。如gutierrez等使用连续小波变换，结合鲁棒样条滤波器，对多种尺度的海底沙波进行了分解和分类，但是没有对分解后的各个尺度的沙波进行形态学方面的计算。同时，这种小尺度地形的分解方法难以直接应用到较大尺度的海底地理实体的逐级分解。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于小波和滤波器的复合海底地理实体逐级分解方法。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于小波和滤波器的复合海底地理实体逐级分解方法，包括数据预处理、复合海底地理实体分离和特征提取三大步骤：首先，数据预处理包括多波束水深数据预处理和地形地貌建模，构建得到水深模型；其次，复合海底地理实体分离包括采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解、分解级数确定和分离结果重构，从而分离出不同等级的海底地理实体；最后，特征提取包括海底地理实体范围确定、形态特征参数提取和要素信息表构建。
8.所述的多波束水深数据预处理：对原始多波束水深数据进行cube滤波、声速改正、异常值剔除处理，得到处理后的多波束水深数据集，其中xm和ym分别为全部多波束测深点的平面位置坐标值，为该多波束测深点的深度值，为测深点数，和均为自然数。
9.所述的地形地貌建模：基于处理后的多波束水深数据集，采用样条函数内插法，构建得到原始水深模型，其中，x
s,l
和y
s,l 分别为原始水深模型的第行、第列的平面位置坐标值，为原始水深模型中该位置的深度值，和分别为该原始水深模型的总行数和总列数，、、和均为自然数。
10.所述的采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解：基于原始水深模型进行离散小波变换，通过mallat算法与滤波器结合，实现小波多尺度分析，将复合地形分解为低频的地形近似分量和高频的地形细节分量，每经过一次分解，近似分量被分解为低一级的地形近似分量和地形细节分量，数据总量保持不变；分解算法表述为公式：其中，为离散采样数据个数，和分别为为分解过程采用的低通和高通滤波器系数，和分别为第级小波分解得到的地形近似分量和地形细节分量。
11.所述的分解级数确定和分离结果重构：基于分解出的地形近似分量和地形细节分量，依据频率分析信息，确定分解级数，并对分离结果进行重构，重构式如下：，其中，和分别为和的共轭，也即重列各滤波器组的系数，最终得到分离后的水深模型和，从而分离出不同等级的海底地理实体。
12.所述的海底地理实体范围确定：（a）基于分离后的水深模型，按照海底地理实体的水深范围，确定海底地理实体范围，其中，和分别为处于海底地理实体界限上的水深点的平面位置坐标值，为处于海底地理实体界限上的水深点总数；基于海底地理实体范围对原始水深模型进行范围
截取并输出，得到截取后的水深模型，其中，x
s,l
和y
s,l
分别为截取后的水深模型的第行、第列的平面位置坐标值，为截取后的水深模型中该平面位置的深度值，为截取后的水深模型的最小水深，为截取后的水深模型的最大水深，和分别为截取后的水深模型的总行数和总列数，、、和均为自然数；（b）基于分离后的水深模型，求取其坡度模型，其中，x
s,l
和y
s,l
分别为坡度模型的第行、第列的平面位置坐标值，为坡度模型中该平面位置的坡度值；基于坡度模型，按照海底地理实体的坡度范围，确定海底地理实体范围，其中，和分别为处于海底地理实体界限上的坡度点的平面位置坐标值，为处于海底地理实体界限上的坡度点总数；基于海底地理实体范围对原始水深模型进行范围截取并输出，得到截取后的水深模型，其中，x
s,l
和y
s,l
分别为截取后的水深模型的第行、第列的平面位置坐标值，为截取后的水深模型中该平面位置的深度值，为截取后的水深模型的最小坡度，为截取后的水深模型的最大坡度，和分别为截取后的水深模型的总行数和总列数，、、
和均为自然数。
13.所述的形态特征参数提取：基于截取后的水深模型，应用gis软件提取该海底地理实体的形态特征参数，其中和分别代表该海底地理实体的长度和宽度，和分别代表该海底地理实体的最大水深和最小水深，代表该海底地理实体的平均坡度，表示为局部地表坡面的倾斜程度，当进行坡度计算时可表述为简化的差分公式：其中，，是x方向高程或水深变化率；，是y方向高程或水深变化率；基于该海底地理实体的形态特征参数判定该海底地理实体的等级和类型。
14.所述的要素信息表构建：基于海底地理实体范围、海底地理实体的形态特征参数、海底地理实体的等级和类型，构建该海底地理实体的要素信息表。
15.本发明有益效果是：本发明基于实测多波束水深数据，提供了一种针对复合海底地理实体的分解方法，采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解，将复合型海底地理实体分解成不同等级的地貌单元，解决了复杂海底地理实体难以界定、量化分析等难题。
16.本发明可在海底地理实体划定、海洋测绘学、海底工程建设等方面具有重要的实际应用价值。
附图说明
17.图1是本发明的基于小波和滤波器的复合海底地理实体逐级分解方法的一种流程图。
18.图2是原始水深模型。
19.图3是一级海底地理实体分离结果图。
20.图4是二级海底地理实体分离结果图。
21.图5是经过水深范围截取后的海底地理实体的水深模型。
22.图6是经过坡度范围截取后的海底地理实体的水深模型。
具体实施方式
23.下面结合实例和附图对本发明作具体阐述。
24.实施例1典型陆坡地形为例的具体应用如附图1所示，本实例描述的是基于小波和滤波器的复合海底地理实体逐级分解
方法，包括数据预处理、复合海底地理实体分离和特征提取三大步骤。
25.首先，数据预处理包括多波束水深数据预处理和地形地貌建模，构建得到水深模型；其次，复合海底地理实体分离包括采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解、分解级数确定和分离结果重构，从而分离出不同等级的海底地理实体；最后，特征提取包括海底地理实体范围确定、形态特征参数提取和要素信息表构建。
26.数据预处理包括多波束水深数据预处理和地形地貌建模，构建得到水深模型，图2展示了基于258万个测深点原始多波束测深数据利用样条函数内插法建模得到包含386行、470列的原始水深模型，具体步骤包括：（i）多波束水深数据预处理：对原始多波束水深数据进行cube滤波、声速改正、异常值剔除处理，得到处理后的多波束水深数据集，其中 xm和ym分别为全部多波束测深点的平面位置坐标值，为该多波束测深点的深度值。
27.（ii）地形地貌建模：基于处理后的多波束水深数据集，采用样条函数内插法，构建得到原始水深模型，其中x
s,l
和y
s,l
分别为原始水深模型的第行、第列的平面位置坐标值，为原始水深模型中该位置的深度值，该原始水深模型的总行数为386行和总列数为470列，构建得到的原始水深模型见图2。
28.复合海底地理实体分离包括采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解、分解级数确定和分离结果重构，从而分离出不同等级的海底地理实体，图3和图4展示了复合海底地理实体的分离结果，分别为一级海底地理实体：大陆坡；二级海底地理实体：海山、海丘和海底峡谷，具体步骤包括：（i）采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解:基于原始水深模型进行离散小波变换，通过mallat算法与滤波器结合，实现小波多尺度分析，将复合地形分解为低频的地形近似分量和高频的地形细节分量，每经过一次分解，近似分量被分解为低一级的地形近似分量和地形细节分量，数据总量保持不变。分解算法表述为公式：其中，为离散采样数据个数，
和分别为分解过程采用的低通和高通滤波器系数，和分别为第级小波分解得到的地形近似分量和地形细节分量。
29.（ii）分解级数确定和分离结果重构：基于分解出的地形近似分量和地形细节分量，依据频率分析信息，确定分解级数为6级，并对分离结果进行重构，分离结果重构是分解算法的逆过程，其原理就是利用地形近似分量和地形细节分量复原分离结果，重构式如下：，其中，和分别为和的共轭，也即重列各滤波器组的系数，最终得到分离后的水深模型和，从而分离出不同等级的海底地理实体。
30.特征提取包括海底地理实体范围确定、形态特征参数提取和要素信息表构建，图5展示了经过水深范围截取后的海底地理实体的水深模型，附表1展示了该海底地理实体的要素信息表，具体步骤包括：（i）海底地理实体范围确定：基于分离后的水深模型，确定海底地理实体水深范围为[200 m，3600 m]，确定海底地理实体范围，其中，和分别为处于海底地理实体界限上的水深点的平面位置坐标值，为处于海底地理实体界限上的水深点总数；基于海底地理实体范围对原始水深模型进行范围截取并输出，得到截取后的水深模型，其中，x
s,l
和y
s,l
分别为截取后的水深模型的第行、第列的平面位置坐标值，为截取后的水深模型中该平面位置的深度值，截取后的水深模型见图5。
[0031]
(ii)形态特征参数提取：基于截取后的水深模型应用gis软件提取该海底地理实体的形态特征参数，其中和分别
代表该海底地理实体的长度和宽度，和分别代表该海底地理实体的最大水深和最小水深，代表该海底地理实体的平均坡度，表示为局部地表坡面的倾斜程度，当进行坡度计算时可表述为简化的差分公式：其中，，是x方向高程或水深变化率；，是y方向高程或水深变化率；得到该海底地理实体长度=527 km，宽度=271 km，最大水深= 3600 m，最小水深= 200 m，平均坡度= 0.65
°
。
[0032]
基于该海底地理实体的形态特征参数判定该海底地理实体的等级为一级和类型为大陆坡。
[0033]
(iii)要素信息表构建：基于海底地理实体范围、海底地理实体的形态特征参数、海底地理实体的等级和类型，构建该海底地理实体的要素信息表manifest={grade，type，area，parameters}={一级，大陆坡，[200，3600]，km，km，3600m，200m，0.65
°
}，构建得到的海底地理实体的要素信息表见下表1：
[0034]
实施例2 以典型海山地形为例的具体应用如图1所示，本实例描述的是基于小波和滤波器的复合海底地理实体逐级分解方法，包括数据预处理、复合海底地理实体分离和特征提取三大步骤。
[0035]
首先，数据预处理包括多波束水深数据预处理和地形地貌建模，构建得到水深模型；其次，复合海底地理实体分离包括采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解、分解级
数确定和分离结果重构，从而分离出不同等级的海底地理实体；最后，特征提取包括海底地理实体范围确定、形态特征参数提取和要素信息表构建。
[0036]
数据预处理包括多波束水深数据预处理和地形地貌建模，构建得到水深模型，图2展示了基于258万个测深点原始多波束测深数据利用样条函数内插法建模得到包含386行、470列的原始水深模型，具体步骤包括：（i）多波束水深数据预处理：对原始多波束水深数据进行cube滤波、声速改正、异常值剔除处理，得到处理后的多波束水深数据集，其中xm和ym分别为全部多波束测深点的平面位置坐标值，为该多波束测深点的深度值。
[0037]
（ii）地形地貌建模：基于处理后的多波束水深数据集，采用样条函数内插法，构建得到原始水深模型，其中x
s,l
和y
s,l 分别为原始水深模型的第行、第列的平面位置坐标值，为原始水深模型中该位置的深度值，该原始水深模型的总行数为386行和总列数为470列，构建得到的原始水深模型见图2。
[0038]
复合海底地理实体分离包括采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解、分解级数确定和分离结果重构，从而分离出不同等级的海底地理实体，图3和图4展示了复合海底地理实体的分离结果，分别为一级海底地理实体：大陆坡；二级海底地理实体：海山、海丘和海底峡谷，具体步骤包括：（i）采用离散小波变换进行复合地形的逐级分解:基于原始水深模型进行离散小波变换，通过mallat算法与滤波器结合，实现小波多尺度分析，将复合地形分解为低频的地形近似分量和高频的地形细节分量，每经过一次分解，近似分量被分解为低一级的地形近似分量和地形细节分量，数据总量保持不变。分解算法表述为公式：其中，为离散采样数据个数，和分别为分解过程采用的低通和高通滤波器系数，和分别为第级小波分解得到的地形近似分量和地形细节分量。
[0039]
ii）分解级数确定和分离结果重构：
基于分解出的地形近似分量和地形细节分量，依据频率分析信息，确定分解级数为6级，并对分离结果进行重构，分离结果重构是分解算法的逆过程，其原理就是利用地形近似分量和地形细节分量复原分离结果，重构式如下：，其中，和分别为和的共轭，也即重列各滤波器组的系数，最终得到分离后的水深模型和，从而分离出不同等级的海底地理实体。
[0040]
分离结果重构是分解算法的逆过程，其原理就是利用地形近似分量和地形细节分量复原分离结果，重构式如下：，其中，和分别为和的共轭，也即重列各滤波器组的系数。
[0041]
特征提取包括海底地理实体范围确定、形态特征参数提取和要素信息表构建，图6展示了经过坡度范围截取后的海底地理实体的水深模型，，具体步骤包括：（i）海底地理实体范围确定：基于分离后的水深模型，求取其坡度模型，其中，x
s,l
和y
s,l
分别为坡度模型的第行、第列的平面位置坐标值，为坡度模型中该平面位置的坡度值。
[0042]
基于坡度模型，按照海底地理实体的坡度范围，确定海底地理实体范围，其中，和分别为处于海底地理实体界限上的坡度点的平面位置坐标值，为处于海底地理实体界限上的坡度点总数。
[0043]
基于海底地理实体范围对原始水深模型进行范围截取并输出，得到截取后的水深模型，
其中，分别为截取后的水深模型的第行、第列的平面位置坐标值，为截取后的水深模型中该平面位置的深度值，截取后的水深模型见附图6。
[0044] (ii)形态特征参数提取：基于截取后的水深模型应用gis软件提取该海底地理实体的形态特征参数，其中和分别代表该海底地理实体的长度和宽度，和分别代表该海底地理实体的最大水深和最小水深，代表该海底地理实体的平均坡度，表示为局部地表坡面的倾斜程度，当进行坡度计算时可表述为简化的差分公式：其中，，是x方向高程或水深变化率；，是y方向高程或水深变化率；得到该海底地理实体长度= 2150 m，宽度= 2060 m，最大水深= 2350 m，最小水深= 370 m，平均坡度= 12.35
°
。
[0045]
基于该海底地理实体的形态特征参数判定该海底地理实体的等级为二级和类型为海山。
[0046] (iii)要素信息表构建：基于海底地理实体范围、海底地理实体的形态特征参数、海底地理实体的等级和类型，构建该海底地理实体的要素信息表，manifest={grade，type，area，parameters}={二级，海山， [5
°
，15
°
]，2150m，2060m，2350m，370m，12.35
°
}，构建得到的海底地理实体的要素信息表见下表2：
[0047]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。