一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于地磁導(dǎo)航領(lǐng)域，特別涉及一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法?；诘卮女惓?shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法，包括：對(duì)實(shí)測(cè)地磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化處理；平移地磁異常網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，使均值為零；對(duì)平移后的零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；對(duì)二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果進(jìn)行形態(tài)特征提?。环指顢?shù)據(jù)塊單元，實(shí)時(shí)消除相鄰單元的特征相似性冗余；消除所有數(shù)據(jù)塊單元間的特征相似性冗余；構(gòu)建多層級(jí)地磁異常數(shù)據(jù)邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)待分析地磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界補(bǔ)償。本發(fā)明能夠有效的改善區(qū)域地磁異常數(shù)據(jù)分析中的邊界效應(yīng)問(wèn)題，相比與其他方法有更好的適用性和使用上的便捷性。
【專利說(shuō)明】 一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于地磁導(dǎo)航領(lǐng)域，特別涉及一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]地磁導(dǎo)航是一種新興的無(wú)源、自主導(dǎo)航方式，相比傳統(tǒng)導(dǎo)航方法具有全天候、全地域、隱蔽性好、無(wú)積累誤差等優(yōu)點(diǎn)。地磁異常場(chǎng)是地磁導(dǎo)航中的主要參考量，由地殼表面分布和局部地理特征如礦產(chǎn)、巖石、人造磁場(chǎng)等產(chǎn)生，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，磁異常強(qiáng)度隨空間位置變化明顯，且在時(shí)間上變化非常穩(wěn)定，由許多大小尺度不等、正負(fù)相間的磁場(chǎng)分布區(qū)組成，精確的地磁異常數(shù)據(jù)分析是實(shí)現(xiàn)高精度地磁導(dǎo)航的關(guān)鍵。由于進(jìn)行精細(xì)的磁異常測(cè)量難度較大、測(cè)量過(guò)程非常復(fù)雜，因此目前所掌握的地磁異常場(chǎng)數(shù)據(jù)多呈區(qū)域性分布，從而導(dǎo)致利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)插值重構(gòu)導(dǎo)航用基準(zhǔn)圖或進(jìn)行多尺度分解操作時(shí)面臨著邊界效應(yīng)的重大影響。邊界效應(yīng)是指對(duì)區(qū)域性地磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行插值或分解等操作時(shí)，由于邊界區(qū)域缺少參考信息，從而造成邊界區(qū)域分析結(jié)果誤差過(guò)大甚至發(fā)散的現(xiàn)象，而這種誤差甚至?xí)钊氲綌?shù)據(jù)內(nèi)部，從而大大降低分析結(jié)果的利用價(jià)值。因此，本專利發(fā)明一種邊界補(bǔ)償方法，旨在增加地磁異常數(shù)據(jù)邊界處的參考信息，減小邊界區(qū)域的分析誤差，提高地磁導(dǎo)航的可靠性。
[0003]解決邊界效應(yīng)問(wèn)題的本質(zhì)方法就是在所研究數(shù)據(jù)周圍添加適量可靠的參考點(diǎn)，很多學(xué)者對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究。喬玉坤分別使用了支持向量機(jī)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法預(yù)測(cè)導(dǎo)航區(qū)域邊緣位置的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從而減弱邊界效應(yīng)的影響；譚斌利用徑向基函數(shù)進(jìn)行邊界插值約束，減小了所構(gòu)建區(qū)域地磁場(chǎng)模型的預(yù)測(cè)偏差；楊云濤采用邊界插值約束的Tayler多項(xiàng)式擬合法進(jìn)行區(qū)域地磁場(chǎng)建模，有效改善了建模過(guò)程中存在的邊界效應(yīng)問(wèn)題；在空間數(shù)據(jù)多尺度分解方面，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法是非常優(yōu)秀且常用的方法，在二維空間數(shù)據(jù)分解過(guò)程中，受邊界效應(yīng)的影響，所構(gòu)建的包絡(luò)面產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致多尺度分解準(zhǔn)確性的降低，鏡像法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)、多項(xiàng)式外延法、灰度預(yù)測(cè)等方法被用來(lái)解決該問(wèn)題。但是這些方法都存在很強(qiáng)的局限性，尤其是對(duì)于隨機(jī)分布特性較強(qiáng)的地磁異常場(chǎng)，無(wú)論是支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰度預(yù)測(cè)等方法的模型預(yù)測(cè)能力，還是鏡像法、多項(xiàng)式外延等補(bǔ)償方法的準(zhǔn)確性都將大大降低。
[0004]本專利發(fā)明了一種全新的基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)相似性的邊界補(bǔ)償方法。地磁異常場(chǎng)作為一種廣泛分布的空間變量，分布不規(guī)則形強(qiáng)，同時(shí)又有著很強(qiáng)的自相似性，Spector等進(jìn)行了航磁數(shù)據(jù)譜的統(tǒng)計(jì)分析，表明地磁異常具有明顯的分形特征。本專利首先在對(duì)所研究地磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行零均值平移的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了形態(tài)特征的提取，避免了不同數(shù)據(jù)集之間由于磁異常強(qiáng)度不同從而導(dǎo)致的特征提取結(jié)果的差異；將數(shù)據(jù)集分割成眾多數(shù)據(jù)塊單元，在消除單元之間相似性冗余的基礎(chǔ)上，建立了具有普遍適用性的多層級(jí)地磁異常數(shù)據(jù)補(bǔ)償單元數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于任何待分析的地磁異常數(shù)據(jù)，均可以從該數(shù)據(jù)庫(kù)中提取補(bǔ)償單元進(jìn)行邊界補(bǔ)償。同時(shí)該數(shù)據(jù)庫(kù)具有良好的可擴(kuò)充性，隨著實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量的增多，可不斷對(duì)其進(jìn)行豐富。本方法極大的提高了邊界補(bǔ)償?shù)谋憬菪?；同時(shí)相比于已有方法，能夠更加有效的改善地磁異常數(shù)據(jù)分析時(shí)的邊界效應(yīng)問(wèn)題，增強(qiáng)分析結(jié)果的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種進(jìn)一步提高邊界補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性的基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法，
[0008](I)對(duì)實(shí)測(cè)地磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化處理:
[0009]選用克里金法作為網(wǎng)格化插值方法，網(wǎng)格化后所得規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)集DtlU, y)在測(cè)線方向上間隔為0.001°，在測(cè)線垂直方向上的間隔為0.002° ；
[0010](2)平移地磁異常網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，使均值為零:
[0011]計(jì)算規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)集Dtl(Xj)的均值Mtl，將數(shù)據(jù)集在xy平面垂直方向上平移|Mq|距離，使得平移后所得零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集D (x，y)的均值M為零；
[0012](3)對(duì)平移后的零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解:
[0013]對(duì)平移后的零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到本征模態(tài)函數(shù)分量和一個(gè)殘余項(xiàng)；
[0014](4)對(duì)二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果進(jìn)行形態(tài)特征提取:
[0015]利用直接微分法對(duì)分解所得前兩個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量進(jìn)行雙向瞬時(shí)頻率和幅值特征的提取，利用其他分量進(jìn)行趨勢(shì)項(xiàng)幅值特征的計(jì)算；
[0016](5)分割數(shù)據(jù)塊單元，實(shí)時(shí)消除相鄰單元的特征相似性冗余:
[0017]去除D(x，y)的邊界區(qū)域，確定構(gòu)建邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)塊單元的大小，在剩余區(qū)域中逐個(gè)進(jìn)行單元的分割；實(shí)時(shí)將分割出的每一個(gè)單元與周圍所有已分割出的單元塊進(jìn)行形態(tài)特征對(duì)比；
[0018](6)消除所有數(shù)據(jù)塊單元間的特征相似性冗余:
[0019]對(duì)所有樣本數(shù)據(jù)集完成特征提取和單元塊分割之后，將所有單元構(gòu)成一個(gè)序列，逐個(gè)進(jìn)行單元之間的形態(tài)特征差異性對(duì)比分析，逐步消除單元間的所有冗余信息；
[0020](7)構(gòu)建多層級(jí)地磁異常數(shù)據(jù)邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0021]對(duì)最終所得的所有數(shù)據(jù)塊單元計(jì)算地磁異常強(qiáng)度分布范圍、平均振幅、極值點(diǎn)數(shù)三個(gè)整體特征，分別對(duì)這三個(gè)特征劃分區(qū)間范圍，構(gòu)建多層級(jí)地磁異常數(shù)據(jù)邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0022](8)對(duì)待分析地磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界補(bǔ)償；
[0023]按照步驟(1)至步驟(4)提取待分析數(shù)據(jù)的形態(tài)特征，去除零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集的邊界部分，在剩余數(shù)據(jù)中劃分邊界補(bǔ)償區(qū)域，對(duì)每個(gè)補(bǔ)償區(qū)域，在地磁異常邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)塊單元與其進(jìn)行特征匹配，直至完成邊界補(bǔ)償。
[0024]對(duì)平移后的零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解包括，
[0025](3.1)初始化::Rη(χ，y) = D(x, y), i = I ；
[0026](3.2)抽取imf i (x, y)，即第i個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量；
[0027](3.2.1)初始化:h0(x，y) = Iy1 (x, y), j = I ；
[0028](3.2.2)計(jì)算 hji (x, y)的平均包絡(luò):[0029]a)確定Ii^1 (x, y)的極大值集合和極小值集合,并分別用徑向基函數(shù)插值法構(gòu)建極大值包絡(luò)面Euppot (x，y)和極小值包絡(luò)面E1otot (x，y)；
[0030]b)計(jì)算平均包絡(luò) (X，y) = (Eupper (x, y) +Elower (x, y))/2 ；
[0031](3.2.3) hj (x, y) = (x, y) -m^ (x, y),令 j = j+1 ；
[0032](3.2.4)當(dāng)滿足終止條件
【權(quán)利要求】
1.一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法，其特征在于: (1)對(duì)實(shí)測(cè)地磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格化處理: 選用克里金法作為網(wǎng)格化插值方法，網(wǎng)格化后所得規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)集DciUy)在測(cè)線方向上間隔為0.001°，在測(cè)線垂直方向上的間隔為0.002° ； (2)平移地磁異常網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，使均值為零: 計(jì)算規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)集Dtl(Xj)的均值Mtl，將數(shù)據(jù)集在xy平面垂直方向上平移IMcJ距離，使得平移后所得零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集D (x，y)的均值M為零； (3)對(duì)平移后的零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解: 對(duì)平移后的零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到本征模態(tài)函數(shù)分量和一個(gè)殘余項(xiàng)； (4)對(duì)二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果進(jìn)行形態(tài)特征提取: 利用直接微分法對(duì)分解所得前兩個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量進(jìn)行雙向瞬時(shí)頻率和幅值特征的提取，利用其他分量進(jìn)行趨勢(shì)項(xiàng)幅值特征的計(jì)算； (5)分割數(shù)據(jù)塊單元，實(shí)時(shí)消除相鄰單元的特征相似性冗余: 去除D(x，y)的邊界區(qū)域，確定構(gòu)建邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)塊單元的大小，在剩余區(qū)域中逐個(gè)進(jìn)行單元的分割；實(shí)時(shí)將分割出的每一個(gè)單元與周圍所有已分割出的單元塊進(jìn)行形態(tài)特征對(duì)比； (6)消除所有數(shù)據(jù)塊單元間的特征相似性冗余: 對(duì)所有樣本數(shù)據(jù)集完成特征提取和單元塊分割之后，將所有單元構(gòu)成一個(gè)序列，逐個(gè)進(jìn)行單元之間的形態(tài)特征差異性對(duì)比分析，逐步消除單元間的所有冗余信息； (7)構(gòu)建多層級(jí)地磁異常數(shù)據(jù)邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù): 對(duì)最終所得的所有數(shù)據(jù)塊單元計(jì)算地磁異常強(qiáng)度分布范圍、平均振幅、極值點(diǎn)數(shù)三個(gè)整體特征，分別對(duì)這三個(gè)特征劃分區(qū)間范圍，構(gòu)建多層級(jí)地磁異常數(shù)據(jù)邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)； (8)對(duì)待分析地磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界補(bǔ)償: 按照步驟(1)至步驟(4)提取待分析數(shù)據(jù)的形態(tài)特征，去除零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集的邊界部分，在剩余數(shù)據(jù)中劃分邊界補(bǔ)償區(qū)域，對(duì)每個(gè)補(bǔ)償區(qū)域，在地磁異常邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)塊單元與其進(jìn)行特征匹配，直至完成邊界補(bǔ)償。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法，其特征在于:所述的對(duì)平移后的零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集進(jìn)行二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解包括，
(3.1)初始化=Iv1 (X，y) = D(x, y), i = I ； (3.2)抽取imfi (X，y),即第i個(gè)本征模態(tài)函數(shù)分量；
(3.2.1)初始化:h0(x, y) = rj_! (x, y), j = I ； (3.2.2)計(jì)算(x, y)的平均包絡(luò): a)確定h^U’y)的極大值集合和極小值集合,并分別用徑向基函數(shù)插值法構(gòu)建極大值包絡(luò)面Euppot (x，y)和極小值包絡(luò)面E1otot (x，y)；
b)計(jì)算平均包絡(luò)IV1 (X，y) = (Eupper (X，y) +Elower (x, y))/2 ；
(3.2.3) hj (x, y) = (x, y) -m^ (x, y),令 j = j+1 ；(3.2.4)當(dāng)滿足終止條件
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法，其特征在于:所述的對(duì)二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果進(jìn)行形態(tài)特征提取包括: 獲取在MF1和MF2中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)在橫、縱雙向上的瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率特征s (t)為IMFJP MF2中的網(wǎng)格線數(shù)據(jù)集，確定網(wǎng)格線數(shù)據(jù)集的極大值點(diǎn)集合和極小值點(diǎn)集合，并分別構(gòu)建上包絡(luò)線Luppct和下包絡(luò)線L1ot?，A(t)表示此網(wǎng)格線方向上的瞬時(shí)振幅，t表示X或y方向；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法，其特征在于，所述的分割數(shù)據(jù)塊單元，實(shí)時(shí)消除相鄰單元的特征相似性冗余包括: 在零均值網(wǎng)格數(shù)據(jù)集中劃定邊界區(qū)域，分割成數(shù)據(jù)塊單元，并保證IMF1和IMF2中每條網(wǎng)格線數(shù)據(jù)集的兩端在邊界區(qū)域內(nèi)至少有一個(gè)極小值點(diǎn)和極大指點(diǎn)，將邊界區(qū)域去除，保留中心區(qū)域作為有效區(qū)域，確定數(shù)據(jù)塊單元在兩個(gè)方向上均包含10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用弓字形分割方式進(jìn)行數(shù)據(jù)塊單元的分割，且相鄰數(shù)據(jù)塊單元的對(duì)應(yīng)邊界之間為I倍的網(wǎng)格間距，計(jì)算其與相鄰已分割出數(shù)據(jù)塊之間形態(tài)特征的差異性:

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法，其特征在于，所述消除所有數(shù)據(jù)塊單元間的特征相似性冗余包括: (5.1)將數(shù)據(jù)塊單元構(gòu)建成一個(gè)序列U1, U2,…，Un ； (5.2)將仏作為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，依次與后面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特征差異性比較，如果差異性小于0.05，則將被比較的節(jié)點(diǎn)舍棄，否則保留，比較完成后得到一新序列U1, U2, -,Uffl, m^n； (5.3)依次在新序列中將U2，U3，…作為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，與后面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特征差異性比較，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都作為基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)被比較過(guò)之后，得到最終序列U1, U2,…，Uk。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于地磁異常數(shù)據(jù)形態(tài)特征的邊界補(bǔ)償方法，其特征在于，所述構(gòu)建多層級(jí)地磁異常數(shù)據(jù)邊界補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)包括: (6.1)若對(duì)測(cè)線垂直方向的邊界進(jìn)行補(bǔ)償，則將數(shù)據(jù)塊單元?jiǎng)澐譃樯舷聝蓚€(gè)5X10的匹配區(qū)域，即區(qū)域1、區(qū)域3; (6.2)若對(duì)測(cè)線方向的邊界進(jìn)行補(bǔ)償，則將數(shù)據(jù)塊單元?jiǎng)澐譃樽笥覂蓚€(gè)5X10的匹配區(qū)域，即區(qū)域2、區(qū)域4 ; (6.3)若對(duì)數(shù)據(jù)集四個(gè)拐角處進(jìn)行補(bǔ)償，則將數(shù)據(jù)塊單元?jiǎng)澐譃?個(gè)5 X 5的匹配區(qū)域，即區(qū)域5、區(qū)域6、區(qū)域7、區(qū)域8，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊單元進(jìn)行強(qiáng)度分布范圍AR、平均振幅AM，、極值點(diǎn)數(shù)EN三個(gè)總體特征計(jì)算，
【文檔編號(hào)】G06F17/30GK103577607SQ201310585653
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】趙玉新, 常帥, 萬(wàn)程程, 韓自發(fā), 李旺, 吳迪, 杜雪, 賈韌鋒 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)