局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形非线性方法与流程

1.本发明属于技术领域，具体涉及一种局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形非线性方法。


背景技术：

2.全球宽阔海域海底地形的确定目前主要采用船载多波束测量、卫星雷达测高反演等技术，狭窄水道、近海及滩涂区域海深一般采用船载多波束、机载激光测深、多光谱反演等技术确定。船载多波束测量和重力测量同时进行则可获得海洋区域某一测线的高精度扰动重力/水深数据，但受限于测量平台和海洋客观环境条件，船载测量技术只能在局部区域获得有限数据很难达到全球均匀覆盖。海洋卫星测高通过多星串飞、合成孔径高度计等手段可在2.5年左右时间获取全球高达1
′
分辨率的扰动重力数据，进而可反演获得相应分辨率的海底地形。目前，各国研究机构广泛应用包括船载测深、卫星测高等数据构建海底地形模型。在海底地形格网模型反演方法上，目前广泛利用的有重力地质法、解析法、频域法、最小二乘配置法等，上述方法一般将解析模型线性化后取1阶项进行计算，由于忽略了重力与海深之间的高阶项因素，因此理论反演精度较低。同时，上述格网模型虽然数值大小达到1
′
(约1.8km)，但由于构建格网过程中往往使用10-30km滤波处理，所以其真实分辨率在10-30km左右，因此宽阔海域海底地形的高分变率反演方法仍需要进行优化提升。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形非线性方法，通过在局部区域进行南北向和东西向船载重力水深测量获取两条相互垂直的重力、水深序列测线，利用这两条测线进而拟合得到南北向和东西向非线性相关函数参数，之后利用这些参数结合卫星测高重力数据反演相应区域的海底地形，该方法不仅顾及了扰动重力二次项影响，而且可在百米量级上反演海底地形，便于推广使用。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形非线性方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
5.步骤一、获取局部海域南北测线和东西测线海洋扰动重力数据和水深数据：采用船载重力水深测量方法分别获取经过局部海域中心的南北测线和东西测线的海洋扰动重力数据和水深数据采样数据集合，即{(h
sn1
,δg
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)}为南北测线的海洋扰动重力数据和水深数据采样数据集合，h
sni
为南北测线上第i个海深采样值，δg
sni
为南北测线上第i个扰动重力采样值，i为南北测线上采样点编号且i＝1,2,...,i，i为南北测线上采样点总数，{(h
ew1
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ewj
)}为东西测线的海洋扰动重力数据和水深数据采样数据集合，h
ewj
为东西测线上第j个海深采样值，δg
ewj
为东西测线
上第j个扰动重力采样值，j为东西测线上采样点编号且j＝1,2,...,j，j为东西测线上采样点总数；
6.步骤二、建立局部海域南北测线和东西测线观测方程组：根据南北测线和东西测线的海洋扰动重力数据和水深数据采样数据集合建立局部海域南北测线和东西测线观测方程组其中，p
sn1
、p
sn2
和p
sn3
分别为局部海域南北测线观测方程非线性相关系数；p
ew1
、p
ew2
和p
ew3
分别为局部海域东西测线观测方程非线性相关系数；δd为局部海水与地壳之间的密度差异参数；
7.步骤三、采用最小二乘拟合方法求解局部海域南北测线和东西测线观测方程组中的非线性相关系数；
8.步骤四、获取局部海域扰动重力与海底地形之间的非线性相关参数：根据公式获取局部海域扰动重力与海底地形之间的非线性相关参数p1、p2和p3；其中，为南北测线观测值的权重，为东西测线观测值的权重，且
9.步骤五、反演局部海域对应的格网海深数据：利用卫星测高获得局部海域内的卫星测高重力格网数据，卫星测高重力格网数据量为n个，构建局部海域对应的格网海深地形观测方程其中，δg
sea,n
为卫星测高获得局部海域内第n个卫星测高重力值，h
sea,n
为局部海域内待测的第n个海深值，n为卫星测高获得局部海域内的卫星测高重力格网数据编号，且n＝1,2,...,n。
10.上述的局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形非线性方法，其特征在于：所述南北测线和所述东西测线相互垂直，所述局部海域的南北长度为80km～100km；所述局部海域的东西长度为80km～100km。
11.上述的局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形非线性方法，其特征在于：所述局部海域的南北测线和东西测线上采样点间隔不大于100m。
12.本发明的有益效果是，扰动重力数据与地形之间存在显著的非线性相关函数特征，因此利用稀疏先验船测数据加上密集卫星测高扰动重力数据反演非线性相关函数模型为宽阔海域高分辨率海底地形反演提供一种简单可行的解算方法，解决仅利用船载测量手段实现全球海域1km甚至百米分辨率的海底地形测量导致的时间漫长且工作量艰巨的问题，便于推广使用。
13.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
14.图1为本发明的方法流程框图。
15.图2为本实施例卫星测高检核的格网船测水深数据分布灰度图。
16.图3为本实施例试验区一的反演高分辨率海底地形灰度图。
17.图4为本实施例试验区二的反演高分辨率海底地形灰度图。
具体实施方式
18.如图1所示，本发明的局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形非线性方法，包括以下步骤：
19.步骤一、获取局部海域南北测线和东西测线海洋扰动重力数据和水深数据：采用船载重力水深测量方法分别获取经过局部海域中心的南北测线和东西测线的海洋扰动重力数据和水深数据采样数据集合，即{(h
sn1
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),(h
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)}，其中，{(h
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,δg
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)}为南北测线的海洋扰动重力数据和水深数据采样数据集合，h
sni
为南北测线上第i个海深采样值，δg
sni
为南北测线上第i个扰动重力采样值，i为南北测线上采样点编号且i＝1,2,...,i，i为南北测线上采样点总数，{(h
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,δg
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),(h
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,δg
ew2
),...,(h
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,δg
ewj
),...,(h
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,δg
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)}为东西测线的海洋扰动重力数据和水深数据采样数据集合，h
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为东西测线上第j个海深采样值，δg
ewj
为东西测线上第j个扰动重力采样值，j为东西测线上采样点编号且j＝1,2,...,j，j为东西测线上采样点总数；
20.步骤二、建立局部海域南北测线和东西测线观测方程组：根据南北测线和东西测线的海洋扰动重力数据和水深数据采样数据集合建立局部海域南北测线和东西测线观测方程组其中，p
sn1
、p
sn2
和p
sn3
分别为局部海域南北测线观测方程非线性相关系数；p
ew1
、p
ew2
和p
ew3
分别为局部海域东西测线观测方程非线性相关系数；δd为局部海水与地壳之间的密度差异参数；
21.步骤三、采用最小二乘拟合方法求解局部海域南北测线和东西测线观测方程组中的非线性相关系数；
22.步骤四、获取局部海域扰动重力与海底地形之间的非线性相关参数：根据公式获取局部海域扰动重力与海底地形之间的非线性相关参数p1、p2和p3；其中，为南北测线观测值的权重，为东西测线观测值的权重，且
23.步骤五、反演局部海域对应的格网海深数据：利用卫星测高获得局部海域内的卫星测高重力格网数据，卫星测高重力格网数据量为n个，构建局部海域对应的格网海深地形观测方程其中，δg
sea,n
为卫星测高获得局部海域内第n个卫星测高重力值，h
sea,n
为局部海域内待测的第n个海深值，n为卫星测高获得局部海域内的卫星测高重力格网数据编号，且n＝1,2,...,n。
24.本实施例中，所述南北测线和所述东西测线相互垂直，所述局部海域的南北长度为80km～100km；所述局部海域的东西长度为80km～100km。
25.本实施例中，所述局部海域的南北测线和东西测线上采样点间隔不大于100m。
26.本发明使用时，试验区域选择为中国南海海域，区域范围设定为15
°
n～16
°
n，115
°
e～117
°
e，试验区平均海深4000米。卫星测高重力数据采用丹麦科技大学发布的dtu10模型的1
′
分辨率重力数据并利用egm2008模型大地水准面转换至扰动重力，南北和东西测线的重力水深数据来源于自然资源部中国地质调查局实测数据，采样间隔80米，卫星测高检核的格网船测水深数据来源于美国环境信息中心，见图2。
27.计算时，将试验区按照1
°×1°
区域范围划分为2个区域即试验区一(15
°
n～16
°
n，115
°
e～116
°
e)、试验区二(15
°
n～16
°
n，116
°
e～117
°
e)。首先采用南北和东西测线船测重力和水深数据确定相关参数，而后利用确定的相关参数及卫星测高扰动重力数据反演南海区域海底地形，其中,局部海水与地壳之间的密度差δd为1.0g/cm3，见图3、图4，结果并与同区域已有船测海深数据和国际发布的etopo1海深模型比较，统计结果时去除水深差异大于1000米的数值，具体结果见表1。
28.表1基于非线性相关参数的南海区域海底地形反演结果(m)
[0029][0030]
本发明通过在局部区域进行南北向和东西向船载重力水深测量获取两条相互垂直的重力、水深序列测线，利用这两条测线进而拟合得到南北向和东西向非线性相关函数参数，之后利用这些参数结合卫星测高重力数据反演相应区域的海底地形，该方法不仅顾及了扰动重力二次项影响，而且可在百米量级上反演海底地形。
[0031]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。