海空重力数据精细化处理技术研究

论文摘要

海洋重力测量技术和航空重力测量技术是获取重力场信息的有效手段。当前,在海空重力测量仪器精度并无明显改善的情况下,对测量数据进行精细化处理研究具有十分重要的理论和实践意义。本文在前人研究基础上,重点研究了重力异常或重力扰动信号提取中FIR（Finite Impulse Response）、IIR（infinite impulse response）和小波阈值滤波的设计方法,以及重力扰动归算的空间改正法、球谐系数法和测线网交叉点快速搜索方法。论文的主要研究内容及成果概括如下:1.基于牛顿第二运动定律,详细推导了海空矢量和标量重力测量的数学模型,分别给出了重力测量系统在当地水平坐标系和载体坐标系下的观测方程;逐一推导了海空重力测量中的各项改正,并进行了数值计算与分析。2.研究了FIR、IIR和小波阈值滤波等海空重力测量数据精细滤波技术,并利用实测数据对各种滤波方法进行了验证及对比分析。主要成果有:（1）基于最佳一致逼近法和频率采样法设计了两种FIR低通滤波器。结果表明:在相同设计指标下,采用最佳一致逼近法设计的滤波器比采用频率采样法设计的滤波器具有更好的低通滤波效果。将设计的低通滤波器应用于海洋实际重力测量数据分析,重力异常精度与窗函数法滤波器结果吻合较好。（2）详细对比分析了不同小波、阈值确定及其施加方式对滤波效果的影响。结果表明:db6、db7、db8、db9、db10、sym6、sym7、sym8、sym9、sym10、coif3、coif4和coif5小波较适用于海洋重力测量应用,小波分解层次可取至8层或9层,采用史坦无偏风险阈值滤波效果较好;小波分解至第8、9层时,阈值滤波结果与经截止频率为0.005Hz、0.0033 Hz Butterworth低通滤波器的滤波结果吻合较好,但小波阈值滤波结果比Butterworth低通滤波器的滤波结果更加平滑,两者滤波结果差值的RMSE在0.25mGal以内。小波阈值滤波较Butterworth低通滤波器更容易分解出噪声成分,可以更有效地消除重力畸变。3.研究了海空重力测量数据精密归算方法。研究探讨了利用地球重力场模型将航线高度处重力扰动观测值归算至平均飞行高度面的方法,以及海面重力异常观测值归算至大地水准面的方法。针对目前航空重力测量空间改正方法的不完备性问题,提出了重力扰动一步归算法-球谐系数法,用Somigliana严密公式对其正确性进行了验证,并以球谐系数法为参考,对比分析了不同空间改正公式对重力扰动归算的影响。结果表明,美国大地测量局（NGS）改进的三阶公式精度最高,H&M（Heiskanen and Moritz,1967）二阶公式次之,我国学者广为采用的二阶公式①精度较低。因此,在1mGal或更好精度的航空重力测量,或者高海拔测量,建议采用球谐系数法或NGS改进的三阶公式进行归算,以提高航空重力测量成果精度。4.研究了海空重力测量测线网内符合精度评估技术。针对目前航空重力测量数据处理中常规交叉点搜索方法存在搜索速度慢、正确率低、适用范围窄的不足,研究分析了测线交叉点快速搜索方法,提出一种以主测线点为搜索中心,采用一定大小的搜索半径对主副测线点进行搜索,将搜索到的主副测线上相邻两点组成线段序列,运用行列式法、投影法、面积法三种判断准则精确求取交叉点及不符值的方法,可称为滑动窗口求解法。通过实际算例,从搜索时间和正确率两方面对滑动窗口求解算法进行了讨论分析。结果表明,本文所提方法简单有效,能明显提高测线交叉点搜索效率,减少工作量。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外海空重力测量发展现状
•     1.2.1 国外海空重力测量发展现状
•     1.2.2 国内海空重力测量发展现状
•     1.2.3 海空重力测量数据处理技术发展现状
•   1.3 研究目标与研究内容
•     1.3.1 研究目标
•     1.3.2 研究内容
• 第二章 海空重力测量基本理论
•   2.1 常用坐标系及其相互转换
•     2.1.1 常用坐标系
•     2.1.2 坐标系的相互转换
•   2.2 海空重力测量基本原理及数学模型
•     2.2.1 海空矢量重力测量基本模型
•     2.2.2 海空标量重力测量基本模型
•   2.3 海空重力测量各项改正
•     2.3.1 厄特弗斯改正
•     2.3.2 垂直加速度改正
•     2.3.3 水平加速度改正
•     2.3.4 姿态改正
•     2.3.5 大气校正
•     2.3.6 正常重力校正
•     2.3.7 高度校正
•   2.4 本章小结
• 第三章 海空重力测量数据的精细滤波技术
•   3.1 测量空间分辨率与截止频率关系
•   3.2 FIR低通滤波器设计
•     3.2.1 窗函数法
•     3.2.2 最佳一致逼近法
•     3.2.3 频率采样法
•     3.2.4 三种方法比较
•     3.2.5 数值计算与分析
•   3.3 Butterworth低通滤波器设计
•   3.4 小波阈值滤波
•     3.4.1 小波多尺度分解和重构过程
•     3.4.2 高频分量的阈值处理
•     3.4.3 小波阈值的估计
•     3.4.4 数值计算与分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 海空重力测量数据精密归算方法
•   4.1 重力异常与重力扰动
•     4.1.1 矢量与标量重力异常
•     4.1.2 矢量与标量重力扰动
•   4.2 航空重力测量的数据归算方法
•     4.2.1 空间重力扰动值归算
•     4.2.2 平均高度面归算
•   4.3 海洋重力测量数据的归算方法
•     4.3.1 测点大地水准面绝对重力值
•     4.3.2 大地水准面重力异常归算
•   4.4 本章小结
• 第五章 海空重力测线网交叉点快速搜索及精度评估技术
•   5.1 滑动窗口交叉点搜索方法
•     5.1.1 测线交叉点计算
•     5.1.2 测线交叉点不符值计算
•     5.1.3 测线交叉点搜索思想
•   5.2 交叉点精度计算公式
•   5.3 数值计算与分析
•   5.4 本章小结
• 总结与展望
•   总结
•   展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韦建成

导师: 肖云

关键词: 海洋重力测量,航空重力测量,精细滤波,精密归算,重力扰动,重力异常,交叉点快速搜索,内符合精度评估

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 长安大学

分类号: P223

总页数: 96

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