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基于多面函数的局部地磁场模型构建方法

阅读:1022发布:2020-05-17

专利汇可以提供基于多面函数的局部地磁场模型构建方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及地 磁场 数据建模领域,公开了一种基于多面函数的局部 地磁场 模型构建方法,根据磁测数据的数据量,确定多面函数的中心 节点 数目,计算所述磁测数据的空间范围,根据子区的个数,计算各子区的空间范围,根据各子区内磁测数据的复杂程度,计算各子区权重,依次确定各子区内的多面函数的中心节点数目,根据各子区的空间范围和中心节点数目,计算各子区的多面函数中心节点的网格间距,以获得各子区交叉点的坐标,判断所述交叉点在预设范围内是否存在磁测点,当存在磁测点时,选取距所述交叉点最近的磁测点为子区内的多面函数的中心节点,获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标,建立多面函数模型方程组,利用最小二乘法对建立的多面函数模型方程组进行求解。本发明充分考虑了地磁场的空间分布特征,实现了自适应选取多面函数中心节点。,下面是基于多面函数的局部地磁场模型构建方法专利的具体信息内容。

1.一种基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,其特征在于,包括:
根据磁测数据的数据量,确定多面函数的中心节点数目;
计算所述磁测数据的空间范围,根据子区的个数,计算各子区的空间范围;
根据各子区内磁测数据的复杂程度,计算各子区权重,依次确定各子区内的多面函数的中心节点数目;
根据各子区的空间范围和中心节点数目,计算各子区的多面函数中心节点的网格间距,以获得各子区交叉点的坐标;
判断所述交叉点在预设范围内是否存在磁测点;
当存在磁测点时,选取距所述交叉点最近的磁测点为子区内的多面函数的中心节点;
当所述交叉点在预设范围内不存在磁测点时,则在所述交叉点的预设范围内,不选取中心节点,进行下一个交叉点的预设范围内是否存在磁测点的判断;
获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标,建立多面函数模型方程组;
利用最小二乘法对建立的多面函数模型方程组进行求解,得到基于多面函数的地磁场模型方程组的系数的解。
2.根据权利要求1所述的基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,其特征在于,所述利用最小二乘法对建立的多面函数模型方程组进行求解,得到基于多面函数的地磁场模型方程组的系数的解的步骤之后,包括:
将多个测点坐标输入基于多面函数的地磁场模型方程组的系数,计算多个测点的磁场模型值;
计算多个测点的磁场模型值与实测值的均方根;
判断所述均方根是否小于精度阈值,当所述均方根不大于精度阈值时,调整相关参数,重新建立并求解多面函数模型方程组。
3.根据权利要求1所述的基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,其特征在于,所述根据磁测数据的数据量,确定多面函数的中心节点数目,包括:
根据磁测数据的数据量,确定多面函数中心节点数目n,其中,取磁测点个数N的1/2倍,即n=N/2。
4.根据权利要求1所述的基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,其特征在于,所述根据各子区内磁测数据的复杂程度,计算各子区权重,依次确定各子区内的多面函数的中心节点数目,包括:
利用空间叠置分析,获取在各子区的空间范围内Rk的建模点Pj,其中,k=1,2,...K,j=
1,2,..q,K为子区个数,q为子区内的建模点数目;
统计各子区内建模点的磁场强度标准差Stdk - ,其中,k=1,2,...K,
计算各子区权重
利用加权平均法,确定各子区内多面函数的中心节点数目Mk=M*Wk,其中,k=1,2,...K。
5.根据权利要求4所述的基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,其特征在于,所述根据各子区的空间范围和中心节点数目,计算各子区的多面函数中心节点的网格间距,以获得各子区交叉点的坐标,包括:
根据各子区的横、纵范围ΔX,ΔY和中心节点数目Mk,计算各子区的多面函数中心节点的网格间距
通过公式xa=Xk0+a*Gk和yb=YK0+b*Gk,计算各子区交叉点的坐标(xa,yb),其中,(Xk0,YK0)为第k个子区左下坐标,a=1,2,...,Δx/Gk,b=1,2,...,ΔY/Gk。
6.根据权利要求1所述的基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,其特征在于,所述预设范围内为以交叉点为中心,以距离R为半径,形成的圆形缓冲区,其中,R=min[ΔX,ΔY]/20,min[ΔX,ΔY]为各子区横、纵范围两者中的最小值。
7.根据权利要求1所述的基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,其特征在于,所述获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标,建立多面函数模型方程组,包括:
获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标(xu,yv),通过多面函数
建立多面函数模型方程组,其中,βi为模型系数,Q(x,y,xu,yv)为
核函数,n为多面函数的中心节点数目,核函数Q(x,y,xu,yv)=[(x-xu)2+(y-yv)2+δ2]1/2,δ2为平滑因子。

说明书全文

基于多面函数的局部地磁场模型构建方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地磁场数据建模领域,尤其涉及一种基于多面函数的局部地磁场模型构建方法。

背景技术

[0002] 地磁是地球本身固有的特征,随着现代信息技术和导航技术的发展,地磁场以其独特的优势在国家地球物理科学研究、国防和国民经济建设中所发挥的日益重要作用已越来越被大家所重视。在地磁的各项应用中,地磁匹配导航,因具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域等特点,是地下、下和室内导航的重要发展方向,在国防和国民经济建设中具有巨大的发展潜和应用空间。
[0003] 地磁场模型作为地磁匹配导航的基准,是实现地磁匹配导航的平台和基础。目前,地磁场模型主要有国际地磁场参考模型IGRF(International Geomagnetic Reference Field)和中国地磁场模型CGRF(China Geomagnetic Reference Field),但其精度难以满足地磁匹配导航的应用要求。因此,建立高精度的地磁场模型是实现地磁匹配导航不可或缺的一部分。
[0004] 对于地磁场模型的构建方法,国内外学者进行了大量研究。局部地磁场模型的构建通常采用多项式建模方法,该方法具有简单方便,易于实现的优点,但是在地磁复杂的大区域范围内,由于地磁数据的复杂性,难以通过单一的拟合曲面实现较高精度的地磁场拟合。1971年,Hardy提出了多面函数拟合方法,该方法是利用一系列有规则的数学表面的总和、以任意精度逼近实际曲面,从而获得较高的拟合精度。其中,多面函数中心节点数目和位置的选取,对其拟合精度具有决定性作用。通常,在不考虑磁测数据的分布特征的情况下,采用均匀或随机方式选择多面函数中心节点,该方法对于数据场变化平缓的情况拟 合精度较好,对于数据场变化复杂的情况拟合精度较差。此外,均匀选取中心节点的间距难以控制,若间距过大,会造成计算的复杂性,若间距过小,会降低函数拟合精度。

发明内容

[0005] 本发明提供一种基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,解决现有技术中多面函数拟合方法,采用均匀或随机方式选择多面函数中心节点,造成计算复杂性大、精度低的技术问题。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0007] 一种基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,包括:
[0008] 根据磁测数据的数据量,确定多面函数的中心节点数目;
[0009] 计算所述磁测数据的空间范围,根据子区的个数,计算各子区的空间范围;
[0010] 根据各子区内磁测数据的复杂程度,计算各子区权重,依次确定各子区内的多面函数的中心节点数目;
[0011] 根据各子区空间范围和中心节点数目,计算各子区的多面函数中心节点的网格间距,以获得各子区交叉点的坐标;
[0012] 判断所述交叉点在预设范围内是否存在磁测点;
[0013] 当存在磁测点时,选取距所述交叉点最近的磁测点为子区内的多面函数的中心节点;
[0014] 获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标,建立多面函数模型方程组;
[0015] 利用最小二乘法对建立的多面函数模型方程组进行求解,得到基于多面函数的地磁场模型方程组的系数的解。
[0016] 通过本发明提供的一种基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,根据磁测数据的数据量,确定多面函数的中心节点数目,计算所述磁测数据的空间范围,根据子区的个数,计算各子区的空间范围,根据各子区内磁测数据的复杂程度,计算各子区权重,依次确定各子区内的多面函数的中心节点数目,根据 子区空间范围和中心节点数目,计算各子区的多面函数中心节点的网格间距间隔,以获得各子区交叉点的坐标,判断所述交叉点在预设范围内是否存在磁测点,当存在磁测点时,选取距所述交叉点最近的磁测点为子区内的多面函数的中心节点,获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标,建立多面函数模型方程组,利用最小二乘法对建立的多面函数模型方程组进行求解,得到基于多面函数的地磁场模型方程组的系数的解。本发明充分考虑了地磁场的空间分布特征,实现了自适应选取多面函数中心节点,提高了多面函数的地磁场模型构建的精度。附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可根据这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1为本发明实施例提供的一种基于多面函数的局部地磁场模型构建方法的流程图

具体实施方式

[0019] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0020] 如图1为本发明实施例中提供一种基于多面函数的局部地磁场模型构建方法的流程图,包括:
[0021] 步骤101、根据磁测数据的数据量,确定多面函数的中心节点数目;
[0022] 其中,多面函数中心节点数目为M,并取其为磁测点个数N的1/2倍,即M=N/2;
[0023] 步骤102、计算所述磁测数据的空间范围,根据子区的个数,计算各子区的空间范围;
[0024] 其中,获取磁测数据的空间范围R(X1,Y1,X2,Y2),(X1,Y1)R,(X1,Y1)为磁测数据空间范围左下坐标,(X2,Y2)为磁测数据空间范围右上角坐标,根据子区个数K,计算各子区的空间范围Rk=(k=1,2,...K),例如确定子区个数为4,取K=4,则
[0025] 步骤103、根据各子区内磁测数据的复杂程度,计算各子区权重,依次确定各子区内的多面函数的中心节点数目;
[0026] 其中,步骤103具体可以包括:
[0027] 步骤103-1、利用空间叠置分析,获取在各子区的空间范围内Rk=(k=1,2,...K)的建模点Pj=(j=1,2,..q),其中,K为子区个数,q为子区内的建模点数目,统计各子区内建模点的磁场强度标准差Stdk(k=1,2,...K), 
[0028] 步骤103-2、计算各子区权重
[0029] 步骤103-3、利用加权平均法,确定各子区内多面函数的中心节点数目Mk=M*Wk(k=1,2,...K)。
[0030] 步骤104、根据各子区的空间范围和中心节点数目,计算各子区的多面函数中心节点的网格间距,以获得各子区交叉点的坐标;
[0031] 其中,步骤104包括:
[0032] 步骤104-1、根据各子区的横、纵范围ΔX,ΔY和中心节点数目Mk,计算各子区的多面函数中心节点的网格间距
[0033] 步骤104-2、通过公式xi=Xk0+i*Gk和yj=Yk0+j*Gk,计算各子区交叉点的坐标(xi,yj)),其中,(Xk0,Yk0)为第k个子区左下角坐标,i=1,2,...,ΔX/Gk,j=1,2,...,ΔY/Gk。
[0034] 步骤105、判断所述交叉点在预设范围D内是否存在磁测点;
[0035] 其中,所述预设范围内为以交叉点为中心,以距离R为半径,形成的圆形缓冲区,其中,R=min[ΔX,ΔY]/20,min[ΔX,ΔY]为各子区横、纵范围两者中的最小值。
[0036] 步骤106、当存在磁测点时,选取距所述交叉点最近的磁测点为子区内的多面函数的中心节点;
[0037] 其中,子区交叉点(xi,yj)在范围D内是否有磁测点,若没有,则在所述交叉点的预设范围内,不选取中心节点,进行下一个交叉点的预设范围内是否存在磁测点的判断,若有,则选取距该子区交叉点最近的磁测点为多面函数中心节点;
[0038] 步骤107、获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标,建立多面函数模型方程组;
[0039] 其中,步骤107具体可以包括:
[0040] 获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标(xi,yj),通过多面函数 建立多面函数模型方程组,其中,z(x,y)为磁场模型值,βi为模型
系数,Q(x,y,xi,yi)为核函数,n为多面函数的中心节点数目,核函 数Q(x,y,xi,yi)=[(x-xi)2+(y-yi)2+δ2]1/2,δ2为平滑因子,模型精度受δ2的影响较小,一般取δ2=0。
[0041] 步骤108、利用最小二乘法对建立的多面函数模型方程组进行求解,得到基于多面函数的地磁场模型方程组的系数的解。
[0042] 其中,步骤108之后,包括:
[0043] 将多个测点坐标输入基于多面函数的地磁场模型方程组的系数,计算多个测点的磁场模型值;
[0044] 计算多个测点的磁场模型值与实测值的均方根;
[0045] 判断所述均方根是否小于精度阈值,当所述均方根是否大于精度阈值时,调整相关参数,重新建立并求解多面函数模型方程组。
[0046] 设(xi,yi,zi)为测区内一实测点,将测点坐标(xi,yi)输入步骤108求得的模型方程式,计算模型值 按此方法计算其它实测点的模型值。将均方根RMS作为评价模型精度的指标,计算公式如下:
[0047] 其中,m为实测点个数。
[0048] 如果均方根未达到精度要求,分析精度降低原因,调整中心节点个数、分区个数等参数,若部分特征点未被选取,考虑增加多面函数中心节点,若建模区域过大,则考虑增加分区个数,重新选取多面函数中心节点,建立多面函数的方程组。
[0049] 通过本发明提供的一种基于多面函数的局部地磁场模型构建方法,根据磁测数据的数据量,确定多面函数的中心节点数目,计算所述磁测数据的空间范围,根据子区的个数,计算各子区的空间范围,根据各子区内磁测数据的复杂程度,计算各子区权重,依次确定各子区内的多面函数的中心节点数目,根据子区空间范围和中心节点数目,计算各子区的中心节点的网格间距,以获得各 子区交叉点的坐标,判断所述交叉点在预设范围内是否存在磁测点,当存在磁测点时,选取距所述交叉点最近的磁测点为子区内的多面函数的中心节点,获取多个子区内的多面函数的中心节点的坐标,建立多面函数模型方程组,利用最小二乘法对建立的多面函数模型方程组进行求解,得到基于多面函数的地磁场模型方程组的系数的解。本发明充分考虑了地磁场的空间分布特征,实现了自适应选取多面函数中心节点,提高了多面函数的地磁场模型构建的精度。
[0050] 通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现,当然也可以全部通过硬件来实施,但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解,本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0051] 以上对本发明进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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