[发明专利]一种深海全水柱多环境要素信息融合方法及处理终端

摘要

本发明涉及一种深海全水柱多环境要素信息融合方法及处理终端，所述方法包括以下步骤：步骤S1：获取包括压力、温度、盐度、电导率、溶解氧、PH、叶绿素、声速、船载ADCP的声速、垂向速度、速度剪切、相对流速、相对回波强度和生物量数据的原始数据；步骤S2：根据获得的原始数据进行数据处理；步骤S3：对经过步骤S2处理获得的数据进行数据融合，生成统一公共深度轴下的数据表格。本发明对环境要素信息进行修正，提高各个参数的正确性和垂向分辨率；组合不同设备采集的数据，处理生成新的环境要素，延展了调查数据的科研价值；并将所有环境要素信息融合到统一深度公共深度轴，交互性强。

主权项

1.一种深海全水柱多环境要素信息融合方法，其特征在于：其包括以下步骤：步骤S1：获取包括压力、温度、盐度、电导率、溶解氧、PH、叶绿素、声速、船载ADCP的声速、垂向速度、速度剪切、相对流速、相对回波强度和生物量数据的原始数据，其中压力、温度、盐度、电导率和声速直接由CTD获得，溶解氧、PH和叶绿素均通过水样观测获得，船载ADCP的声速由船载ADCP根据温度探头获得，垂向速度、速度剪切、相对流速由LADCP测得，相对回波强度由LADCP和船载ADCP获得，生物量数据通过生物拖网获得；步骤S2：根据获得的原始数据进行数据处理，包括：001)压力修正，修正公式为：压力真实值＝原始压力值‑甲板压力，其中原始压力值为步骤S1中的压力，甲板压力为CTD回收后在甲板处所测得的压力；002)温度修正，修正公式为：offset＝b*residual/n，式中，*为乘法运算，b表示“从航次校正时间起至当前对温度修正之间的天数”，residual表示“航次前与航次后的温度差”，n表示“航次前与航次后温度校正的间隔天数”；003)盐度修正，首先对电导率数据进行校正，校正公式如①：式中，n表示校正所用的水化学分析样本数，α_i表示第i个水化学分析样本由CTD测出的电导率，β_i表示第i个水化学分析样本由水化学分析实验获得的电导率，slope表示修正后的电导率，根据公式②获得电导率真实值：电导率真实值＝电导率读数*slope‑‑‑‑‑‑②电导率读数是由步骤S1中获得的电导率，获得电导率真实值后，根据海水状态方程计算出盐度，该盐度即为修正后的盐度值；004)溶解氧、PH和叶绿素修正，溶解氧的修正首先根据公式③计算出斜率修正参数：式中，slope_DO表示斜率修正参数，DO_水样表示在某一深度的水化学样本通过水化学实验分析获得的溶解氧值，DO_CTD表示与DO_水样同一深度由CTD获得的溶解氧，DO_水样为直接从步骤S1中获得的溶解氧原始数据中读取到同一深度下的溶解氧数值；获得斜率修正参数后，按公式④计算：溶解氧真实值＝溶解氧读数*slope_DO‑‑‑‑‑‑④溶解氧读数是由CTD获得的从海面到海底的所有溶解氧的原始数据，溶解氧真实值即是斜率修正后的溶解氧；PH和叶绿素的修正同样按公式③和④进行计算，获得修正后的PH和叶绿素；005)声速校正，获得校正后的相对流速值，根据公式⑤进行计算：V_corrected＝V_relative*(C_ctd/C_ADCP)‑‑‑‑‑‑⑤式中，V_relative表示未校正的相对流速，由步骤S1中获得，C_ADCP表示船载ADCP的声速，由步骤S1中获得，C_ctd是步骤S1中获得的声速，由步骤S1中获得，V_corrected表示因声速引起误差而经过校正后的相对流速值；006)低散射校正，获得校正后的速度剪切值，根据方程组⑥进行计算：V_修正＝V₀+△V‑‑‑‑‑‑⑥式中，EI表示相对回波强度，由步骤S1获得，k为比例系数，为常数，△V表示修正值，V₀表示LADCP获得的速度剪切，由步骤S1获得，V_修正表示经过低散射引起相对流速偏差而校正后的速度剪切值；007)绝对流速计算：首先通过剪切法计算出参考流速，计算公式如⑦：式中，T表示LADCP下放的总时长，t表示时间，V_ship表示船舶航速，V_refer表示参考流速，获得V_refer后按公式⑧计算，获得绝对流速V_absolute：V_absolute＝V_relative+V_refer‑‑‑‑‑‑⑧式中，V_absolute表示绝对流速；008)双LADCP绝对流速平均：将下看LADCP按步骤007)计算获得绝对流速，并按照深度单元进行平均，获得V′_absolute(i),i＝1,2,3……,n；同时，将上看LADCP按步骤007)计算绝对流速，并按照深度单元进行平均，获得V″_absolute(λ),λ＝1,2,3……,m；将V″_absolute(λ),λ＝1,2,3……,m线性插值到下看LADCP的深度单元轴上，然后再对两者求算术平均，获得平均绝对流速其中，m表示上看LADCP的深度单元个数，n表示下看LADCP的深度单元个数；009)去潮：通过软件求取正压潮剖面，从步骤007)获得的绝对流速V_absolute减去所述正压潮剖面，即获得去潮后的结果；010)理查森数计算，获得理查森数R_i，按公式⑨进行计算：式中，g表示重力加速度，m表示m米深度，n表示n米深度，ρ_m表示m米深度处的海水密度，ρ_n表示n米深度处的海水密度，u_m、v_m分别表示m米深度处的绝对水平流速东向分量和绝对水平流速北向分量，u_n、v_n分别表示n米深度处的绝对水平流速东向分量和绝对水平流速北向分量；011)垂向扩散系数计算，获得垂向扩散系数，计算公式如公式⑩所示：式中，v₀取10^‑2m²/s，α取5，v_b取10^‑4m²/s，k_b取10^‑5m²/s，K_T是垂向扩散系数；012)CTD深度数据低通滤波：采用截断频率为6Hz的低通滤波器对CTD深度数据进行低通滤波，得到6Hz的CTD深度数据；013)CTD垂向运动速度计算，获得CTD的垂向运动速度ω_CTD，按公式进行计算：式中，z(t)表示012)中获得的6Hz的CTD深度数据，t表示时间；014)绝对垂向速度计算，获得绝对垂向速度，按公式进行计算：式中，ω_ADCP表示垂向速度，由步骤S1中通过LADCP获得的垂向速度，ω表示绝对垂向速度；015)双LADCP绝对垂向速度平均，获得平均绝对垂向速度，即将包括上看LADCP和下看LADCP两台设备中的下看LADCP按公式获得绝对垂向速度，并按照深度单元进行平均，获得ω′_absolute(i),i＝1,2,3……,n；同时，将上看LADCP按公式获得绝对垂向速度，并按照深度单元进行平均，获得ω″_absolute(λ),λ＝1,2,3……,m；将ω″_absolute(λ)，λ＝1,2,3……,m线性插值到下看LADCP的深度单元轴上，然后再对两者求算术平均，获得平均绝对垂向速度其中，m表示上看LADCP的深度单元个数，n表示下看LADCP的深度单元个数；016)绝对回波强度计算，获得绝对回波强度，首先根据公式计算深度单元距离R：式中，B是船载ADCP盲区，为常数；P是宣称脉冲长度，为常数；W是深度单元厚度，N是深度单元个数，θ是波束角，c_ave是船载ADCP某一深度单元的观测范围内的平均声速；根据公式计算发射能量K₁：式中，K_1c、a、b和c₂均是船载ADCP的出厂参数，均为常数，V_s是整个投放过程中高电压值的平均值，高电压值直接从船载ADCP获得，K₁为船载ADCP发射能量；根据公式计算声吸收系数e：其中，P₂＝1‑1.37×10^‑4z+6.2×10^‑9z²，P₃＝1‑1.383×10^‑5z+4.9×10^‑10z²，式中，PH、S、T和z为船载ADCP在第i个深度单元相应的海水PH、盐度、温度、深度值，由步骤S1获得，c_i表示第i个深度单元对应的声速，freq表示船载ADCP的声音频率，为常数，然后，根据公式计算绝对回波强度：式中，K₂是系统噪声因子，为常数，K_s是与船载ADCP频率有关的系统固定项，为常数，T_x是当前船载ADCP探头所处位置的海水温度，由步骤S1获得，E_a为步骤S1中LADCP测量获得的相对回波强度，E_r为有效剖面末端的RSSI值，为常数，S_V是绝对回波强度；017)生物量反演，获得反演生物量，选取相同数量的若干个生物量数据和绝对回波强度数据进行数据拟合，根据拟合公式计算出回归系数项a₁和b₁：式中，DW为步骤S1中获得的生物量数据，经过公式计算出a₁和b₁后，输入所有绝对回波强度数据，根据公式得到反演生物量：步骤S3：获得上述经过处理后的各个数据后，对经过步骤S2处理获得的数据进行数据融合，生成统一公共深度轴下的数据表格。