论文专区▏数字海底地形产品生产技术研究

【编者按】分析和总结近些年来在数字海底地形模型构建及应用领域的研究成果，结合实际生产应用中遇到的问题，对数字海底地形产品生产技术流程进行了深入探讨。详细论述了数字海底地形产品生产中涉及的关键技术，从作业工序上给出了不同技术处理阶段的解决方案。本文发表在《海洋测绘》2016年第1期上，现编发给朋友们阅读了解。贾俊涛，1978出生，男，天津人，高级工程师，硕士，主要从事数字海图和海洋地理环境仿真研究。

文/贾俊涛 谭冀川 王志梅 汪振华

一引言

我国海洋地理环境的数字化保障体系经过多年的建设与发展，已取得了重大的技术进展。海洋基础地理信息保障手段实现了数字化，海底地形图、海图、卫星影像等数据库工程正在实施。海洋地理信息产品已从单一的航海图向多层次、多品种、多形式方向发展，并形成了门类齐全的海洋地理信息产品体系；海洋地理信息保障方式也从单纯的图书产品保障向航海图书产品与服务相结合的保障方式发展。

对于海底地形，由于它的不可视，测量难度大，每年国家涉海部门测量的数据主要是成图，用来保障航行安全，而没有形成标准化的网格数据产品。随着科技信息化手段的提高以及相关部门对海洋地理环境信息需求的增大，近年来国家加大了对数字海底地形生产技术研究的力度，逐步建立与海洋测绘保障体系相匹配的数字海底地形产品生产技术流程。

目前，由于管理和技术上的原因，海洋基础地理信息还缺少数字化海底地形产品的保障，不能形成一个完整的海洋地理环境，导致数字化海底地形产品不能形成成熟的生产及发布体系的原因主要有：①数据源具有海量、异构的特点，不同单位及部门处理方法多样，难以实现对原始水深测量数据的统一管理；②数字化海底地形产品生产没有相关的国军标及行业标准可参考；③数字化海底地形产品生产没有形成成熟的技术体系，不能在一个软件平台下完成从离散数据到栅格化产品的自动操作，部分技术环节还需大量的人工处理。

本文针对数字海底地形产品生产需求，按照安全实用、重点突出的原则，对数字海底地形产品生产技术进行深入研究，目的是为该产品生产的业务化运行提供可靠依据。

二数字海底地形产品生产技术

海底地形环境是海洋地理环境的重要组成部分，数字海底地形产品是重建海底地形环境的基础数据。近些年来，国内相关学者在此领域进行了深入研究，水深数据源的不同，决定了网格产品制作的方法不同。针对海图中离散水深数据，可利用动态距离加权对海底地形数据进行格网DEM内插^[1]。针对多波束水深数据，可采用一种高效的适合海量、离散水深数据的预处理技术^[2-4]：通过建立空间索引数据块，同时采用Delaunay三角网技术和网格点双线性内插技术，构建出各块水深数据的DEM模型，使用扩展块技术，解决了相邻块DEM的接边问题。2009年，孙岚比较了基于多波束数据的几种建模技术，针对多波束数据量大的特点，提出了通过建立空间索引数据块并结合MQS插值方式来构建海底地形DEM模型^[5]。针对数字海图中的水深和等深线数据，可采用基于shp水深数据自动勾绘等深线模型的技术流程以及伯恩斯坦多项式内插来制作海底地形产品^[6]，这种方法很好的保证了等深线数据所反映的原始海底地形形态。

通过总结上述研究成果并结合实际应用，可以看出，在数字海底地形产品生产中包括多项关键技术，从技术流程上分析，主要由水深源数据处理、网格化产品制作两部分内容组成。见图1。

1水深源数据处理

目前，数字水深源数据主要有数字海图（海洋陆地层、水深底质层）、单波束水深、多波束水深等几种数据。数字海图中的水深数据比较离散、分辨率较低，在数字化和综合的过程中，产生了不确定的人为误差，它的数据主要是满足航海作业的需要。单波束的水深数据相对稀疏，多波束数据具有高精度、高分辨率的特点，但其结构复杂，数据量较大。

在数字化海底地形产品生产的实际过程中，需要根据制图作业范围对数据源的资料采用情况进行分析、整理、拼接和数据格式转换，主要包括以下几部分内容：

⑴确定源数据的技术指标，包括引入的规范和标准、基础指标、资料采用、数据采集形式、数据采集内容以及数据精度。

及数据作业要求，确定数据采集、拼接、处理的技术方案。

，主要是按照产品制作要求，通过分析水深资料整理情况，提供采用清单。

，包括进行源数据资料的详细分析，记录属性信息数据。

，包括建图、数据录入、数据裁切以及资料采用略图制作，剔除冗余数据，确保同一点位数据的唯一性、现势性和准确性。

和审查，对资料采用情况进行详细全面的校对与审查，包括数据位置和数值的准确性、数据表示的合理性、资料采用的正确性等方面。

和拼接，最终完成制图作业范围内水深数据的拼接、数据处理工作。

⑻数据格式转换，将处理好的水深源数据统一转换为CDC格式，其中海岸线、滩线、等深线等要素存储于海洋陆地层（ocldnt），离散水深数据存储于水深底质层（soudpt），这两个标准层的数据将作为海底地形等深线模型构建的水深源数据。如图2所示，采用的水深资料主要以图幅范围内的多波束成果水深和数字化水深测量黑样等最新测量资料为主，辅以大比例尺的海图水深数据来补充。

在实际应用中，需要根据不同需求来制定水深源数据处理方案，图2所示为最复杂情况，对于不同的水深资料，在进行网格化产品制作时需要采用不同的技术方法。

2网格化产品制作

网格化产品制作是数字海底地形产品生产的核心，按照可靠性、实用性、可发展性的技术原则，从工序上可分解为水深三角网模型构建、等深线模型构建、网格化水深模型构建三大组成部分，每一部分都需根据需要采取不同的技术处理方案。见图3。

⑴水深三角网模型

水深三角网可以真实表达海底地形地貌形态，通常使用逐步扩展算法来建立Delaunay三角网^[7]。Delaunay三角网只是在几何上将离散的顶点联结起来，要构建完整的水深三角网模型，还应将Delaunay三角网中三角形、边以及顶点间的拓扑关系存储起来。最后，要使用CDC海图中海洋陆地层的岸滩封闭多边形作为边界条件对Delaunay三角网进行约束重构，减少岸线周边大量冗余三角形的存在，提高水深三角网模型的精细化程度。见图4。

在实际应用中，如果水深源数据中多波束水深的比重较大，则会根据具体需求采用两种方法来解决数据量过大的问题：一是使用道格拉斯垂距法^[8]对离散数据进行特征点抽稀后构建水深三角网模型；二是采用数据分块、并行处理的方法来构建水深三角网模型。水深三角网模型将作为基础数据用于等深线模型和网格化水深模型的构建。

⑵等深线模型

构建等深线模型一般采用三角网内插或网格内插的方法，两种方法的相同点是都要使用网格序列法来自动生成等深线^[9]，不同点是在水深源数据数据量小且分布比较离散的情况下，三角网内插的等深线不如网格内插的等深线光滑，还需进行平滑处理^[10]。根据《海底地形图编绘规范》，在自动勾绘等深线时，等深距应按照制图比例尺来确定，是变距的。如果使用等深线模型来内插网格化水深模型，等深距应按照网格化水深模型的分辨率来确定，是等距的。

⑶网格化水深模型

使用不同的数据源，构建网格化水深模型的处理方法不同。首先要根据制图范围确定网格化水深模型的分辨率，建立初始网格。针对水深三角网模型，直接遍历Delaunay三角网中每个三角形，判断其可能包含的网格点，采用双线性差值算法计算其水深值。针对等距的等深线模型（等深线数据较多），采用基于距离加权拟合的逐点内插算法来计算网格点水深值^[11]，这种方法应用简便，但计算量较大，其关键问题在于如何快速搜索到对内插点产生影响的水深数据。针对变距的等深线模型（数字海底地形图，等深线数据较少），需采用伯恩斯坦多项式内插算法^[12]来计算网格点水深值，这种方法的优点是具有保形逼近特性，能够真实反映等深线的变化趋势。

三结束语

通过分析、总结近些年来在数字海底地形模型构建及应用领域的研究成果，结合实际生产应用中遇到的问题，对数字海底地形产品生产技术流程进行了深入探讨。除了数字海图以外，数字海底地形产品也是一个重要的海洋测绘产品，急需纳入目前的海洋测绘保障体系。数字海底地形产品的生产是一个完整的技术体系，不同于陆上DEM生产，二者的源数据不同，处理方法也不同，需要在一些核心技术上进行优化和完善。同时，要加快推进数字海底地形产品生产规范、产品质量评定细则等相关标准的制定，使数字海底地形产品应用有章可循，在国家海洋经济、海洋战略等研究领域发挥更为重要的作用。参考文献：

[1]贾俊涛,翟京生,谭冀川.海底地形数据的格网DEM内插方法[J].天津:海洋测绘,2003(6):24-26.

[2]高金耀,金翔龙,吴自银.多波束数据的海底数字地形模型构建[J].天津:海洋通报,2003(1):30-38.

[3]贾俊涛,翟京生,孟婵媛等:基于海量多波束数据的海底地形模型的构建与可视化[J].测绘科学技术学报,2008,(4):255-258.

[4]贾俊涛,孟婵媛,谭冀川等.基于海量海底地形数据的存储和可视化研究[J].海洋测绘,2009(1):31-33.

[5]孙岚,刘雁春,李明叁.基于多波束数据的海底地形建模技术[J].海洋测绘,2009(1):39-41.

[6]贾俊涛,孟婵媛,谭冀川等.基于shp水深数据的等深线模型建立[J].测绘通报,2010(增刊):484-487.

[7]李志林,朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社,2001.

[8]夏伟.多波束测深数据抽稀理论与方法研究[D].海军大连舰艇学院,2011.

[9]陈吉龙,刘洪斌,武伟.用等高线内插DEM的不同算法的误差分析[J],测绘科学,2009(34):172-174.

[10]黄石峰.复杂情况下等值线的生成和处理[D].长沙：中南大学,2008.

[11]胡鹏,杨传勇,吴艳兰,胡海.新数字高程模型理论方法标准和应用[M].北京:测绘出版社,2007.

[12]黄友谦.曲线曲面的数值表示和逼近[M].上海:上海科学技术出版社,1984.

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