基于分形理论的单探头单波束微地形探测系统研究
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摘要
随着陆地矿产资源的日趋枯竭和人类对海洋认识的日益深化，海洋资源的开发得到了越来越多的关注。由于海底富钴结壳具有巨大的经济价值和重要的战略意义，因此不论从经济效益还是维护国家海洋权益的政策方针角度上看，开发海底富钴结壳等矿产资源对我国都具有十分重要的战略意义，是实现国民经济建设可持续发展目标的重要战略。而钴结壳表面微地形监测技术是钴结壳最优化采集过程中不可绕过的关键技术。
本论文就是在这种背景和形势下，以国家自然科学基金资助项目“深海钴结壳微地形监测技术与最佳采集深度建模研究”(项目编号：50474052)为依托，为实现钴结壳开采寻求一种在当前阶段比较适合的水下微地形探测方法，并设计该微地形探测仪器，通过实验研究检验该探测仪器的精度及地形重构模型的可靠性，为实现钴结壳采集方法的要求提供理论和实验依据。本论文的主要研究内容是：
1、在查阅大量水下地形探测文献的基础上，提出了一种单探头单波束微地形探测方法，详细设计并建立基于此方法的探测仪的全套实验装置。
2、研制了基于研华PCL-839+运动控制卡的步进电机驱动系统以及微地形高程数据采集与处理软件系统。
3、研究了钴结壳微地形表面具有的各向异性特征，提出了此种地形的分形维数的计算方法，确定了微地形分形特征的无标度区域，并应用基于分形理论的中点随机移位插值算法对数据进行处理。
4、应用经过上述插值处理的微地形特征数据在计算机中重构出微地形图。通过在不同的地表特征下进行水池实验进一步检验该微地形探测仪的可靠性。
本论文进行了具有理论意义和工程实践价值的创新性研究探索，研究结果为监测深海富钴结壳微地形特征打下了良好的理论基础，并为将来实际钴结壳矿产资源开发设计中要建立的地形重构模型提供了技术原型。
Along with land mineral resources used up by human beings day by day and people knew more about the sea, marine resources development obtained more and more attention. Because the seabed cobalt-rich crusts encrustation has the huge economic value and the important strategic sense, so regardless of from the angle of safeguarding the country's maritime rights or economical benefits, developing cobalt-rich crusts and other mineral resources is of great strategic significance on the development of our country. And cobalt-rich crusts surface tiny-terrian monitoring technology is the key technology which can not pass by in acquisition process optimization.
Under this kind of background and situation, the project "Research on Detection Technology of Deep sea cobalt-rich crusts tiny terrain and best cutting-depth controlling model"(NO:50474052) is funded by National Natural Science Fund Committee. This paper tried to put forward one kind of tiny terrain detection method under water in the current stage and design the whole tiny terrain detection equipment model, After that, Through plenty of experimental research this paper examined the reliability of the reconstruction model and the accuracy of the detection equipment, which can provide theoretical and experimental evidence for cobalt crusts acquisition methods. The main contents of this paper are:
Firstly,through searching for a lot of documents about tiny terrain detecting underwater both domestic and foreign, the first single-beam rotating tiny-terrain detection method was put forward, and then, the detector based on the set of experimental devices were detailed designed..
Secondly, this paper developed step-motor driver software system based on Advantech motion controlling card PCL-839+ and tiny terrain elevation data acquisition and processing software system .
Thirdly, the paper proves direction-dissimilarity of the tiny terrain of cobalt-rich, giving a method of calculating the fractional dimension for this kind of tiny terrain, determines the fractal non-scale range of the fractional characteristics of tiny terrain, puts forward an approach to fractional characteristics of different direction
Finally, the tiny terrain map was reconstructed in computer by using the tiny terrain features data. After that, for verifying the accuracy and reliability of the entire system. Lots of further experimental study of different surface characteristics had been done.
This paper was a theoretical and practical value of innovative research and exploration projects. The results for the monitoring of deep-sea cobalt-rich crusts tiny terrain features laid a good theoretical basis, which establish a technology prototype model of the tiny terrain reconstruction for the real development of cobalt crusts and other mineral resources in the future.
本论文就是在这种背景和形势下，以国家自然科学基金资助项目“深海钴结壳微地形监测技术与最佳采集深度建模研究”(项目编号：50474052)为依托，为实现钴结壳开采寻求一种在当前阶段比较适合的水下微地形探测方法，并设计该微地形探测仪器，通过实验研究检验该探测仪器的精度及地形重构模型的可靠性，为实现钴结壳采集方法的要求提供理论和实验依据。本论文的主要研究内容是：
1、在查阅大量水下地形探测文献的基础上，提出了一种单探头单波束微地形探测方法，详细设计并建立基于此方法的探测仪的全套实验装置。
2、研制了基于研华PCL-839+运动控制卡的步进电机驱动系统以及微地形高程数据采集与处理软件系统。
3、研究了钴结壳微地形表面具有的各向异性特征，提出了此种地形的分形维数的计算方法，确定了微地形分形特征的无标度区域，并应用基于分形理论的中点随机移位插值算法对数据进行处理。
4、应用经过上述插值处理的微地形特征数据在计算机中重构出微地形图。通过在不同的地表特征下进行水池实验进一步检验该微地形探测仪的可靠性。
本论文进行了具有理论意义和工程实践价值的创新性研究探索，研究结果为监测深海富钴结壳微地形特征打下了良好的理论基础，并为将来实际钴结壳矿产资源开发设计中要建立的地形重构模型提供了技术原型。
Along with land mineral resources used up by human beings day by day and people knew more about the sea, marine resources development obtained more and more attention. Because the seabed cobalt-rich crusts encrustation has the huge economic value and the important strategic sense, so regardless of from the angle of safeguarding the country's maritime rights or economical benefits, developing cobalt-rich crusts and other mineral resources is of great strategic significance on the development of our country. And cobalt-rich crusts surface tiny-terrian monitoring technology is the key technology which can not pass by in acquisition process optimization.
Under this kind of background and situation, the project "Research on Detection Technology of Deep sea cobalt-rich crusts tiny terrain and best cutting-depth controlling model"(NO:50474052) is funded by National Natural Science Fund Committee. This paper tried to put forward one kind of tiny terrain detection method under water in the current stage and design the whole tiny terrain detection equipment model, After that, Through plenty of experimental research this paper examined the reliability of the reconstruction model and the accuracy of the detection equipment, which can provide theoretical and experimental evidence for cobalt crusts acquisition methods. The main contents of this paper are:
Firstly,through searching for a lot of documents about tiny terrain detecting underwater both domestic and foreign, the first single-beam rotating tiny-terrain detection method was put forward, and then, the detector based on the set of experimental devices were detailed designed..
Secondly, this paper developed step-motor driver software system based on Advantech motion controlling card PCL-839+ and tiny terrain elevation data acquisition and processing software system .
Thirdly, the paper proves direction-dissimilarity of the tiny terrain of cobalt-rich, giving a method of calculating the fractional dimension for this kind of tiny terrain, determines the fractal non-scale range of the fractional characteristics of tiny terrain, puts forward an approach to fractional characteristics of different direction
Finally, the tiny terrain map was reconstructed in computer by using the tiny terrain features data. After that, for verifying the accuracy and reliability of the entire system. Lots of further experimental study of different surface characteristics had been done.
This paper was a theoretical and practical value of innovative research and exploration projects. The results for the monitoring of deep-sea cobalt-rich crusts tiny terrain features laid a good theoretical basis, which establish a technology prototype model of the tiny terrain reconstruction for the real development of cobalt crusts and other mineral resources in the future.
引文
[1] 简曲．中太平洋富钴结壳的研究．矿业研究与开发，1999，19(1)：25～27
[2] 菲尔莫尔．C F．埃尔尼．海洋矿产资源，翟国谦译，北京：海洋出版社，1991．1～3
[3] 张海峰．中国海洋经济研究．北京：海洋出版社，1986．1～4
[4] Claude P, Michel H. Characteristics of Co-rich ferromanganese nodules and crust sampled in French Polynesia. Marine Geology, 1987, 77: 109～119
[5] 国家海洋局发展战略研究所．“海洋采矿前景预测”．北京，1995．2～6
[6] 2001年中国大洋矿产资源研究开发学术研讨会论文集(上)．北京：中国大洋协会办公室，2001
[7] 沈裕军，钟祥．大洋钴结壳资源研究开发现状．矿冶工程，1999，19(2)：11～13
[8] 梁平，石海林．洋底富钴结壳的开采方法．金属矿山，2002，11：20～22
[9] F.T.Manheim. Marine Cobalt Resources. Science, 1986, 5(2): 600～608
[10] 中国大洋矿产资源勘察—DY95-6航次调查报告．中国大洋矿产资源研究开发协会，1999
[11] 中国大洋矿产资源勘察—DY95-8航次调查报告．中国大洋矿产资源研究开发协会，1999
[12] 石海林．我国富钴结壳矿床开采技术研究分析(上)．矿业快报，2000，15：15～16
[13] 中国大洋矿产资源勘察—DY105-11航次现场总结报告．中国大洋矿产资源研究开发协会，2000
[14] 武光海，周怀阳，陈汉林，等．大洋富钻结壳研究现状与进展．高校地质学报，2001，7(4)：379～389
[15] 陈建林，高水土．东太平洋中国开辟区环境调查的沉积特及其环境关系．东海海洋，1999，9：9～14
[16] 罗春雷，胡均平，刘伟，等．钴结壳开采装置及方法．中南工业大学学报，2002，33(6)：617～620
[17] 阳宁，夏建新．国际海底资源开发技术及其发展趋势．矿冶工程，2000，3：1～3
[18] 肖林京，方湄．大洋多金属结核开采研究进展与现状．金属矿山，2000，8：11～14
[19] 徐脉直，陈宗团．关于大洋多金属结核技术经济评价方法问题的探讨．海洋地质与第四纪地质，1994，12：79～87
[20] 徐传华．大洋多金属结核资源开发技术经济模型的研究．矿冶工程，2000，3：59～64
[21] 简曲，王明和．大洋金属结核开采集矿技术研究与发展．湖南有色金属，1997，1：6～9
[22] 简曲．21世纪的大洋采矿．矿山机械，2000，4：1～3
[23] 李全兴，潘国富．水深测量与海底面状况声探测技术的进展．海洋工程，
[24] 汪德昭，尚尔昌等．水声学．北京：科学出版社，1981
[25] 马大猷等．现代声学理论基础．北京：科学出版社，2004
[26] 李家彪．多波束勘测原理技术与方法．北京：海洋出版社，1999．1～9
[27] 梁开龙．水下地形测量．北京：测绘出版社，1995．1～5
[28] Yamazaki.T, Tsurusaki.K. Geotechnical Properties of the Pacific Seamount Sediments Measured by a Gravity Corer. Marine Geresources and geotechnology, 1996, 14: 3～17
[29] Yamazki.T, Sharma.R, Tsurusaki.K. Microtopographic Analysis of Cobalt_rich Manganese Deposits on a Mid-Pacific Seamount. Marine Georesources & Geotechnology, 1994, 12(1): 33～52
[30] Yamazaki.T, Sharma.R. Distribution characteristics of Co-rich manganese deposits on a seamount in the central Pacific Ocean. Marine Georesources & Geotechnology, 1998, 16(4): 283～305
[31] Yamazki.T, Sharma.R, Tsurusaki. Microtopographic Analysis of Cobalt_rich Manganese Deposits on a Mid-Pacific Seamount. Marine Georesources & Geotechnology, 1994, 12(1): 33～52
[32] 国家海洋局科技司．东太平洋多金属结核资源调查(1987～1990)．北京：海洋出版社，1996．158～162
[33] 谢龙水．我国深海采矿技术研究的阶段性成果及今后的发展方向．湖南有色金属，1999，1：1～5
[34] 长沙矿山研究院．“深海采矿中试集矿机技术设计”课题报告．长沙，2000
[35] 长沙矿冶研究院．《大洋多金属结核中试采矿系统研究》课题验收鉴定材料(二)．长沙，1999
[36] 国际海底区域研究开发“十五”计划项目总体设计．中国大洋矿产资源研究开发协会办公室，2001
[37] 深海资源开采技术子项目(DY105-03-02)．钴结壳采集关键技术及关键装备研究课题申请书．中南工业大学，长沙矿山研究院，长沙矿冶研究院，2004
[38] Larson, D.A., Tandanand, S., Boucher, M.L., etal. PHYSICAL PROPERTIES AND MECHANICAL CUTTING CHARACTERISTICS OF COBALT-RICH MANGANESE CRUSTS. Report of Investigations-United States. Bureau of Mines, 1987
[39] John P. Latimer, Raymond Kaufrnan. PRELIMINARY CONSIDERATIONS FOR THE DESIGN OF COBALT CRUST MINING SYSTEMS IN THE U.S. EEZ. Oceans. New York, 1985. 378～399
[40] John E.Halkyard. Technology for mining cobalt rich manganese crusts from seamounts. New York, 1985.352～374
[41] Chung.Jin S. Deep-ocean mining: Technologies for manganese nodules and crusts. International Journal of Offshore and Polar Engineering. Dec., 1996, 6(4):80～85
[42] Chung. Jin S.. Tsurusaki. Katsuya. Advance in deep-ocean mining systems research. Proc of the International Offshore and Polar Engineering Conference. 1994, 1:56～58
[43] Chung.JS. Deep-Ocean Cobalt-rich Crust. Mining Systems Concepts. Proc of MTS 94, Washingto DC, Marine Tech Soc, 1994.95～101
[44] Chung. Jin S., Tsurusaki, Katsuya. Advance in deep-ocean mining systems research. Proc of the International off shore and Polar Engineering Conference, 1994
[45] Aoshika, Katsuyuki Zaitsu, Masaru, etal. Experimental study of cutting the cobalt-rich manganese crusts. NKK Techinical Reviewn 59 Aug, 1990. 61～67
[46] Ohkubo, Satoru Yamazaki, Tetsuo. Summary of "environmental impact research on marine ecosystem for deep-sea mining" conducted by metal mining agency of Japan Proceedings of the ISOPE Ocean Mining Symposium, 2003.200～207
[47] Cronan DS. Marine minerals in the EEZ. Chapman and Hall, 1992. 208～209
[48] 李志林，朱庆．数字高程模型．武汉：武汉大学出版社，2001．1～9
[49] 高力．利用数字高程模型生成地形三维仿真图．西安工程学院学报．2002，22(3)：17～19
[50] 汤国安，龚健雅．数字高程模型地形描述精度量化模拟研究．测绘学报，2001，11(4)：38～45
[51] 朱庆，数字高程模型(DEM)建库方案．测绘信息与工程，1999，5(2)：40～47
[52] 李杰，陈锦昌．3D面控制在三维分形地形中的应用．工程图学学报，2001，1：113～117
[53] 秦宣云，卜英勇．基于分形理论的微地形重建．国防科技大学学报，2002，25(3)：44～47
[54] 黄培之．数字地面模型的应用开发：[硕士学位论文]．武汉：测绘科技大学出版社，1995
[55] 卜英勇，罗柏文．AVS数据可视化技术对微形地貌模拟初探．矿山机械，2003，31(323)：9～10
[56] 秦宣云．基于微地形重构的深海钴结壳最佳采集切削深度控制模型研究：[博士学位论文]．长沙：中南大学，2005
[57] 罗柏文．四轮驱动履带式海底钴结壳采矿车及其采集过程可视化研究：[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2003
[58] 刘勇．深海钴结壳螺旋滚筒切削法采掘头设计理论与方法虚拟研究：[博士学位论文]．长沙：中南大学，2001
[59] 唐蒲华．螺旋切削式深海钴结壳采矿头动力学特性研究：[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2005
[60] 杨杰．分形插值及其分形维数研究．武汉工业学院学报，2006，3：33～36
[61] 曹云刚．基于分形原理的DEM数据内插及其三维显示技术：[硕士学位论文]．成都：西南交通大学，2003
[62] 林海立．基于数字信号处理技术的河工模型超声地形仪的开发：[硕士学位论文]．北京：清华大学，2003
[63] 周建中．基于分形算法的三维地形快速精细重建：[硕士学位论文]．武汉：华中科技大学，2003
[64] 胡少林．基于DEM数据的三维地形建模方法研究与实现：[硕士学位论文]．长沙：国防科技大学，2003
[65] 谢和平，薛秀谦．分形应用中的数学基础与方法．北京：科学出版社，1997
[66] 李现勇．Visual C++串口通信技术与工程实践．北京：人民邮电出版社，2004
[67] 杨锋，桂卫华，陈锋等．基于VC++串口通信编程在深海底自动采矿系统中的应用．电脑开发与应用，2004，17(10)：6～8
[68] 谢和平等．分形插值曲面理论及其应用．应用数学和力学，1998，19(4)：138～143
[2] 菲尔莫尔．C F．埃尔尼．海洋矿产资源，翟国谦译，北京：海洋出版社，1991．1～3
[3] 张海峰．中国海洋经济研究．北京：海洋出版社，1986．1～4
[4] Claude P, Michel H. Characteristics of Co-rich ferromanganese nodules and crust sampled in French Polynesia. Marine Geology, 1987, 77: 109～119
[5] 国家海洋局发展战略研究所．“海洋采矿前景预测”．北京，1995．2～6
[6] 2001年中国大洋矿产资源研究开发学术研讨会论文集(上)．北京：中国大洋协会办公室，2001
[7] 沈裕军，钟祥．大洋钴结壳资源研究开发现状．矿冶工程，1999，19(2)：11～13
[8] 梁平，石海林．洋底富钴结壳的开采方法．金属矿山，2002，11：20～22
[9] F.T.Manheim. Marine Cobalt Resources. Science, 1986, 5(2): 600～608
[10] 中国大洋矿产资源勘察—DY95-6航次调查报告．中国大洋矿产资源研究开发协会，1999
[11] 中国大洋矿产资源勘察—DY95-8航次调查报告．中国大洋矿产资源研究开发协会，1999
[12] 石海林．我国富钴结壳矿床开采技术研究分析(上)．矿业快报，2000，15：15～16
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[37] 深海资源开采技术子项目(DY105-03-02)．钴结壳采集关键技术及关键装备研究课题申请书．中南工业大学，长沙矿山研究院，长沙矿冶研究院，2004
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[42] Chung. Jin S.. Tsurusaki. Katsuya. Advance in deep-ocean mining systems research. Proc of the International Offshore and Polar Engineering Conference. 1994, 1:56～58
[43] Chung.JS. Deep-Ocean Cobalt-rich Crust. Mining Systems Concepts. Proc of MTS 94, Washingto DC, Marine Tech Soc, 1994.95～101
[44] Chung. Jin S., Tsurusaki, Katsuya. Advance in deep-ocean mining systems research. Proc of the International off shore and Polar Engineering Conference, 1994
[45] Aoshika, Katsuyuki Zaitsu, Masaru, etal. Experimental study of cutting the cobalt-rich manganese crusts. NKK Techinical Reviewn 59 Aug, 1990. 61～67
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[56] 秦宣云．基于微地形重构的深海钴结壳最佳采集切削深度控制模型研究：[博士学位论文]．长沙：中南大学，2005
[57] 罗柏文．四轮驱动履带式海底钴结壳采矿车及其采集过程可视化研究：[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2003
[58] 刘勇．深海钴结壳螺旋滚筒切削法采掘头设计理论与方法虚拟研究：[博士学位论文]．长沙：中南大学，2001
[59] 唐蒲华．螺旋切削式深海钴结壳采矿头动力学特性研究：[硕士学位论文]．长沙：中南大学，2005
[60] 杨杰．分形插值及其分形维数研究．武汉工业学院学报，2006，3：33～36
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[62] 林海立．基于数字信号处理技术的河工模型超声地形仪的开发：[硕士学位论文]．北京：清华大学，2003
[63] 周建中．基于分形算法的三维地形快速精细重建：[硕士学位论文]．武汉：华中科技大学，2003
[64] 胡少林．基于DEM数据的三维地形建模方法研究与实现：[硕士学位论文]．长沙：国防科技大学，2003
[65] 谢和平，薛秀谦．分形应用中的数学基础与方法．北京：科学出版社，1997
[66] 李现勇．Visual C++串口通信技术与工程实践．北京：人民邮电出版社，2004
[67] 杨锋，桂卫华，陈锋等．基于VC++串口通信编程在深海底自动采矿系统中的应用．电脑开发与应用，2004，17(10)：6～8
[68] 谢和平等．分形插值曲面理论及其应用．应用数学和力学，1998，19(4)：138～143