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CN116186492A - 一种深海水文环境数据拟合方法、装置及计算机介质 - Google Patents

一种深海水文环境数据拟合方法、装置及计算机介质 Download PDF

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CN116186492A
CN116186492A CN202310307920.7A CN202310307920A CN116186492A CN 116186492 A CN116186492 A CN 116186492A CN 202310307920 A CN202310307920 A CN 202310307920A CN 116186492 A CN116186492 A CN 116186492A
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CN
China
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salinity
temperature
segment
environment data
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Pending
Application number
CN202310307920.7A
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English (en)
Inventor
刘科峰
毛科峰
陈希
汪杨骏
李明
张明辉
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National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
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Publication date
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    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/18—Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis

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Abstract

本发明提出一种深海水文环境数据拟合方法、装置及计算机介质，该方法构建了独特的三阶插值函数以计算未知深度的盐度数据和温度数据，并最终通过声速拟合得到待测区域全域水声声速分布数据，计算结果更加准确，从而可进一步提高基于温度和盐度数据进行声速拟合所得的深海水声声速分布数据的精确度。

Description

一种深海水文环境数据拟合方法、装置及计算机介质
技术领域
本发明涉及水文测量技术领域，具体涉及一种深海水文环境数据拟合方法、装置及计算机介质。
背景技术
在目前的水文测量技术领域，通常采用MVP、XBT、XCTD等测量手段获取区域的水文数据水声场特性数据。但是这些测量方式只能获得有限深度的水文环境数据，无法获取全海域深度水文环境数据，因此需要对未能直接测量到的水文环境数据进行拟合。目前，通常是采用一阶插值计算方法获取温度、盐度数据，再通过声速拟合经验公式拟合出全域水声声速分布。
但是，随着深度增加，深海的盐度、温度数据并不是完全相同，导致一阶插值获取的盐度、温度随着深度的增加与对应参数的实测值之间的误差越来越大，进而导致拟合出的水声声速分布也有很大的误差。
发明内容
发明目的：本发明旨在针对现有水文测量中水声声速拟合方法准确度不足的技术缺陷，提出一种深海水文环境数据拟合方法、装置及计算机介质，以提高水声声速拟合结果的准确度。
技术方案：为实现上述目的，本发明第一方面提出一种深海水文环境数据拟合方法，包括步骤：
S1、采集目标区域的水文环境数据；
S2、基于采集到的所述水文环境数据，构建盐度数据计算函数和温度数据计算函数：
Figure BDA0004147512700000011
Figure BDA0004147512700000012
其中，S(hx)表示未知深度hx处的盐度，S0为已知深度h0处的盐度，a1、a2、a3、a4为三阶插值函数的待定系数；T(hx)表示未知深度hx处的温度，T0为已知深度h0处的温度，b1、b2、b3、b4为三阶插值函数的待定系数；
S3、从所述水文环境数据中选取连续N个采样点的采样数据，计算所述采样数据中盐度数据段的线性度σ0和温度数据段的线性度σ1；
S4、采用步骤S2所述方法分别计算所述盐度数据段和所述温度数据段的第N+1个数据；并计算出所述盐度数据段中第2个数据点至第N+1个数据点之间的N个点数据段的线性度σ2，以及所述温度数据段中第2个数据点至第N+1个数据点之间的N个点数据段的线性度σ3；
S5、构建盐度数据相对偏差函数和温度数据相对偏差函数：
Figure BDA0004147512700000021
Figure BDA0004147512700000022
其中，ε1表示盐度数据相对偏差，ε2表示温度数据相对偏差；
S6、通过调整数据点的个数N，使得ε1和ε2最小，并计算出ε1和ε2取最小值时的a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4；将a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4的值代入步骤S2所述的盐度数据计算函数和温度数据计算函数；
S7、采用所述步骤S6确定的盐度数据计算函数和温度数据计算函数计算未知深度的盐度数据和温度数据，基于计算出的所述盐度数据和所述温度数据以及所述步骤S1采集的水文环境数据，进行声速拟合，得到待测区域的全域水声声速分布。
本发明第二方面提出一种存储介质，所述计算机介质上存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行所述的深海水文环境数据拟合方法。
本发明的第三方面提出一种深海水文环境数据拟合装置，所述装置包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，以实现所述的深海水文环境数据拟合方法。
有益效果：本发明使用三阶插值经验公式计算出未知深度的温度和盐度数据，计算结果更加准确，从而可进一步提高基于温度和盐度数据进行声速拟合所得的深海水声声速分布数据的精确度。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的深海水文环境数据拟合方法的流程图；
图2是采用一阶差值算法计算出的盐度数据与实测数据的对比图；
图3是采用一阶差值算法计算出的温度数据与实测数据的对比图；
图4是采用一阶差值算法计算出的温度数据和盐度数据拟合出的水声声速数据与采用实测数据计算出的水声声速数据的对比图；
图5是采用本实施例所述方法计算出的盐度数据与实测数据的对比图；
图6是采用本实施例所述方法计算出的温度数据与实测数据的对比图；
图7是采用本实施例所述方法计算出的温度数据和盐度数据拟合出的水声声速数据与采用实测数据计算出的水声声速数据的对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。
应当理解的是，在技术上可行的情况下，以下针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。
现有技术通常采用一阶插值计算方法计算未知深度的盐度和温度数据。以ARGO浮标获取海洋环境数据为例，对大于2000米的水文数据进行基本一阶插值计算获取温度、盐度和拟合水声声速计算。应用Mackenzie声速拟合经验公式拟合出全域水声声速分布，拟合公式如下所示：
c(D,S,T)＝1448.96+4.591T-5.304×10-2T-2+
2.374×10-4T2+1.340(S-35)+1.630×10-2D+
1.675×10-7D2-1.025×10-2T(S-35)-7.139×10-13TD3
其中，T表示温度，单位为℃；S表示盐度，单位为psu；D表示深度，单位m，c表示水声声速。
上述一阶插值的水声声速拟合结果与实际结果对比如图2至图4所示，其中，图2示出了盐度的一阶插值拟合值与实测盐度数值之间的对比结果；图3示出了温度的一阶插值拟合值与实测温度数值之间的对比结果；图4示出了水声声速的一阶插值拟合值与实测水声声速数值之间的对比结果。参考图2至图4可知，在对比结果中，由于达到一定深度之后(图2至4中是2000米左右)深海的盐度、温度数据并不是完全相同，导致一阶插值获取的盐度、温度随着深度的增加与对应参数的实测值之间的误差越来越大，进而导致拟合出的水声声速分布也有很大的误差。因此，采用一阶插值计算方法来拟合盐度、温度和水声声速分布数据准确度是比较低的。
为克服这一问题，本公开实施例提出一种深海水文环境数据拟合方法，以提高水声声速拟合结果的准确度。该方法的具体流程如图1所示，包括以下步骤：
S1、采集目标区域的水文环境数据；
S2、基于采集到的所述水文环境数据，构建盐度数据计算函数和温度数据计算函数：
Figure BDA0004147512700000041
Figure BDA0004147512700000042
其中，S(hx)表示未知深度hx处的盐度，S0为已知深度h0处的盐度，a1、a2、a3、a4为三阶插值函数的待定系数；T(hx)表示未知深度hx处的温度，T0为已知深度h0处的温度，b1、b2、b3、b4为三阶插值函数的待定系数；
S3、从所述水文环境数据中选取连续N个采样点的采样数据，计算所述采样数据中盐度数据段的线性度σ0和温度数据段的线性度σ1；
S4、采用步骤S2所述方法分别计算所述盐度数据段和所述温度数据段的第N+1个数据；并计算出所述盐度数据段中第2个数据点至第N+1个数据点之间的N个点数据段的线性度σ2，以及所述温度数据段中第2个数据点至第N+1个数据点之间的N个点数据段的线性度σ3；
S5、构建盐度数据相对偏差函数和温度数据相对偏差函数：
Figure BDA0004147512700000051
Figure BDA0004147512700000052
其中，ε1表示盐度数据相对偏差，ε2表示温度数据相对偏差；
S6、通过调整数据点的个数N，使得ε1和ε2最小，并计算出ε1和ε2取最小值时的a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4；将a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4的值代入步骤S2所述的盐度数据计算函数和温度数据计算函数；
S7、采用所述步骤S6确定的盐度数据计算函数和温度数据计算函数计算未知深度的盐度数据和温度数据，基于计算出的所述盐度数据和所述温度数据以及所述步骤S1采集的水文环境数据，进行声速拟合，得到待测区域的全域水声声速分布。
为验证本公开实施例所提出方法的技术效果，我们应用此方法对ARGO浮标获取的同一组海洋环境数据进行处理，并得到如图5至图7的处理结果。其中，图5是采用本实施例所述方法计算出的盐度数据与实测数据的对比图。图6是采用本实施例所述方法计算出的温度数据与实测数据的对比图。图7是采用本实施例所述方法计算出的温度数据和盐度数据拟合出的水声声速数据与采用实测数据计算出的水声声速数据的对比图。
通过图2至4与图5至7的对比可知，本公开实施例提供的深海水文环境数据拟合方法能有效提高盐度数据、温度数据和最终拟合出的水声声速分布数据的准确度，取得了良好的技术效果。
此外，本公开实施例还公开了一种深海水文环境数据拟合装置，所述装置包括处理器和存储器；
所述存储器，用于存储计算机程序；
所述处理器，用于执行计算机程序时，以实现所述的深海水文环境数据拟合方法步骤。
以及公开了一种存储介质，所述存储介质为计算机存储介质，其上存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行所述的深海水文环境数据拟合方法步骤。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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专利范围的限制。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，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种深海水文环境数据拟合方法，其特征在于，包括步骤：
S1、采集目标区域的水文环境数据；
S2、基于采集到的所述水文环境数据，构建盐度数据计算函数和温度数据计算函数：
Figure FDA0004147512680000011
Figure FDA0004147512680000012
其中，S(hx)表示未知深度hx处的盐度，S0为已知深度h0处的盐度，a1、a2、a3、a4为三阶插值函数的待定系数；T(hx)表示未知深度hx处的温度，T0为已知深度h0处的温度，b1、b2、b3、b4为三阶插值函数的待定系数；
S3、从所述水文环境数据中选取连续N个采样点的采样数据，计算所述采样数据中盐度数据段的线性度σ0和温度数据段的线性度σ1；
S4、采用步骤S2所述方法分别计算所述盐度数据段和所述温度数据段的第N+1个数据；并计算出所述盐度数据段中第2个数据点至第N+1个数据点之间的N个点数据段的线性度σ2，以及所述温度数据段中第2个数据点至第N+1个数据点之间的N个点数据段的线性度σ3；
S5、构建盐度数据相对偏差函数和温度数据相对偏差函数：
Figure FDA0004147512680000013
Figure FDA0004147512680000014
其中，ε1表示盐度数据相对偏差，ε2表示温度数据相对偏差；
S6、通过调整数据点的个数N，使得ε1和ε2最小，并计算出ε1和ε2取最小值时的a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4；将a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4的值代入步骤S2所述的盐度数据计算函数和温度数据计算函数；
S7、采用所述步骤S6确定的盐度数据计算函数和温度数据计算函数计算未知深度的盐度数据和温度数据，基于计算出的所述盐度数据和所述温度数据以及所述步骤S1采集的水文环境数据，进行声速拟合，得到待测区域的全域水声声速分布。
2.一种计算机介质，其特征在于，所述计算机介质上存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以使所述一个或者多个处理器执行权利要求1所述的深海水文环境数据拟合方法。
3.一种深海水文环境数据拟合装置，其特征在于，所述装置包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器用于执行所述计算机程序，以实现权利要求1所述的深海水文环境数据拟合方法。
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