海洋论坛▏基于多波束数据的海底地形格网图制作关键技术研究

【编者按】本文基于对多波束水深数据的分析，对海底地形格网的数据生产技术路线进行了初步研究，总结归纳了海底地形格网的数据生产的基本方法和产品组织形式。最后以西沙群岛海区进行了实验海区，对该技术路线进行了实验生产，实验结果证实该方法可行有效。作者简介：①第一作者宁方辉，黑龙江齐齐哈尔人，高级工程师，2016年转业离开部队，成立海洋环境信息技术研究所，隶属中海油信息科技有限公司，主要从事智慧海洋、海上石油生产信息化以及海洋大数据应用方面的研究。②第二作者丁金挺，山东胶州人，工程师，中国航海图书出版社，主要从事海洋遥感制图、海图制图新技术方面的研究。

一、引言

当前，对海洋地形的描述主要采用离散水深点的表示方法，其目的是最大限度的保证舰船的航行安全。由于传统航海图中离散水深点是二维数据的表现形式，在数据点密度、排列规则、图幅载负量等因素的限制，仅能较为简单的表示海底地形，无法建立起模型与真实海底地形的一一对应关系，尽管在复杂海区采取了数据加密等促使，仍然无法精确有效的表示连续而复杂的海底地形，无法有效描述海底的坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的空间分布特征。海底地形格网数据，是用一组有序数值阵列形式表示海底深度的一种实体地形模型，一般为规则格网，由于其数据的密集度和精确度，使其能够直接或间接派生坡度、坡向等海底地形形态属性，是精确承载海底地形信息的理想数据模型。高精度的海底地形格网数据一般采用多波束水深测量数据为基础数据源。多波束水深测量数据是水深测量的主要承载形式，内容丰富，数据精度高，数据量大。多波束测深能获得一个条带覆盖区域内多个测量点的海底深度值，实现了从“点-线”测量到“线-面”测量的跨越。多波束水深数据接近于原始地形数据，在数据密度和精度上能够最大限度的保证海底地形还原的可靠性，能够真实、准确地表达海底地形地貌，是构建高精度的海底地形良好的数据源，对于航道、障碍物等需要高精度表示的海底区域来说具有重要意义。

二、数据生产应用现状

近年来，随着海洋测深和定位系统技术设备的不断发展，海洋测深成果质量不断提高。特别是全覆盖多波束测深系统的出现与应用，水深成果数据开始向高密度、高精度的方向发展，水深数据的精细化处理和网格化建模也开始倍受关注^[1-2]。如何有效利用多波束这一新兴的高密度、高精度的水深数据，构建出高质量的数字水深模型，已成为海洋测绘研究的一个新方向。贾俊涛等利用动态距离加权方法，实现了基于海量多波束数据的海底地形模型构建与可视化^[2]；2011年贾帅东针对当前水深模型构建缺少质量评估、未建立定量调控体系等不足，利用新兴的高密度多波束水深数据，探索了基于不确定度调控的高精度高安全性网格水深建模理论与方法^[3]。2012年丁金挺在航海图文集成系统中利用多波束数据构建了海底地形格网，实现了与电子海图等信息的集成^[4]。Arsenault等研究了基于网格系统的多波束水深数据动态显示，实现了海底地形的实时可视化^[5]；Smith等基于英吉利海峡区域的多源水深数据，构建了新一代的高精度水深模型，与传统海图水深模型相比，在海底细节地形表达的精度上有了明显的提高^[6]。与相关技术研究相比，高精度的海底格网数据的生产还有较大差距，主要表现在两个方面。一方面是缺乏海底地形网格产品的系列标准规范。在数据的组织形式、数学基础、数据格式、质量控制中没有一个统一的规范，网格产品数据的生产制作不成系列，数据组织不严谨，数据精度无法控制。虽然陆地部分的网格产品的生产已经有一套相对成熟的标准，但并不适用于海洋地形部分，可以借鉴和改进相关内容以适用于海洋地形部分。另一方面是海底格网数据的生产的技术路线不成熟，缺乏完善的技术流程和自动化的软件工具的支持，仅仅利用一些通用性的地理信息生产工具（如ArcGIS、Surfer）进行小批量的制作实验，生产方式很随意，生产无法形成规模。

三、关键技术研究

⒈ 海底地形格网的数学基础海底地形格网是基础地理信息产品的一种，具有最基础的地理坐标，因此的生产首先应确定统一的数学基础。数学基础的内容包括：平面坐标系、网格数据的平面位置的表示方法、深度基准、高程基准。一般来说平面坐标系采用CGCS2000国家大地坐标系；网格数据的平面位置采用地理坐标的表示形式，这样可以避免投影因素；深度基准采用理论最低潮面。由于当前地图高程和深度基准的不统一，海洋格网的海陆部衔接部分方面必然会存在数据接边问题，需要进行基准面的统一换算，一般讲高程基准改为深度基准。⒉ 海底地形格网的数据组织形式海底地形格网的数据组织形式包括数据的规格和命名、数据产品的格式等内容。海底地形数字产品的规格可按不同的分辨率进行划分，一般划分为高精度网格数据、中精度网格数据和底精度网格数据等3个层次，其中包括6个分辨率型号，分别为0.1秒、0.5秒、1秒、10秒、30秒、60秒。根据海底地形的形态特征，可选用不同的分辨率格网。如沿岸地区或复杂岛礁地区可采用高分辨率格网，平台海底地形区域可采用底分辨率格网。海底地形数字产品的命名按照一定编码命名，如9位编码命名规则，第1位表示产品位于地理坐标的象限、2～4位表示左下角点的经度、5～6位表示左下角点的纬度、7～9位表示网格密度。数据产品的格式以规则格网进行存储，数据内容包括基本的元数据信息和数据存储信息。格网水深点排列规则，数据类型一致。网格模型建立后，海区地形的每一个点都将落于该模型中的某一网格内，如图1所示，数据点用实点表示。从图中可以看出每一数据点都将控制0.5秒×0.5秒的正方形区范围，该网格区域内的深度数据用该网格点数据来表示。

图1 海洋地形网格存储示意图

⒊ 基于多波束水深数据的海底地形格网生产水深测量数据基本覆盖我国海区，为我国海区地形格网的生产提供了良好的数据基础。多波束水深测量数据是海底地形的真实测量值，数据精度较高，1:1000的多波束测深成果数据分辨率优于10米，如果是原始是原始数据分辨率可达1米。该数据通过数据抽希、剔除异常点、数据内插、浅点加密等处理操作，可以构建高精度、高分辨率的海洋地形网格。基于多波束水深数据的海底地形格网构建采用以下技术路线：⑴多波束数据收集与分析。在生产设计之前，应按大于产品地理范围的1/4，收集资料源数据，源数据的水深密度应大于等于符合产品的分辨率密度。同时，对多波束数据的完整性、可靠性、精度及海底地形特点等进行全面分析，为图历表的填写提供依据。⑵图历表填写。图历表是网格数据产品生产的规范和依据，伴随数据产品从设计到生产的全过程。图历表的内容应包括：技术流程、产品元数据、资料元数据、水位改正参数、软件工具、源数据采用次序与略图、抄接边关系、海区概况和自然地理特点、特殊地形处理意见、技术问题处理、作业注意事项等内容。⑶多波束数据的预处理。将多波束数据转换为离散水深点，利用“海洋测量处理信息工程系统”对数据导出为TXT文件，坐标形式为地理坐标。然后将多个离散水深文件TXT数据导入到地图处理软件进行合并如（MapGlobe或ARCGIS软件），将分块的地形数据合并成完整的地形数据。对数据进行数据质量检查，符合要求后对数据进行数据内插重采样。⑷空间数据内插。数据内插是产生格网数据的重要过程。空间数据内插包含多种方法，如Shepard法、Kriging法、自适应变距加权拟合法、反距离加权平均法等，每种方法都有各自不同的优缺点。插值算法实算的性能与地形数据的数据量、分布、疏密程度、起伏程度等有密切的关系，必须根据地形数据的特点择优选择插值算法^[7]。⑸海底格网数据的编辑。利用DEM编辑软件（如PixlGrid）对生成的格网数据进行数据编辑，主要是通过人工判读，判断生成等深线显示海沟、山丘等走向是否与源数据显示保持一致，对格网数据的整体走向进行定性的分析。在此过程中可以进行剔除异常点、修整地形走势，以及编辑岛礁区浅点等操作。⑹海底格网数据质量控制。为了对网格产品进行质量控制，需要以量化的方法对数据进行评价。内容包括网格点深度中误差检测、网格点平面位置中误差检测、网格点是否出现异常深度检测。⒋ 海量海底地形格网数据的应用利用格网数据构建全覆盖的海洋地形，需要大量的格网数据作支撑。由于海底地形格网数据数据量巨大，数据的有效组织是首先要解决的问题。一般采用LOD四叉树金字塔模型进行海底格网数据的应用。金字塔是一种多分辨率层次模型。在地形场景绘制时，在保证显示精度的前提下为提高显示速度，不同区域通常需要不同分辨率的格网数据。分块的瓦片金塔模型还能够进一步减少数据访问量，提高系统的输入输出执行效率，从而提升系统的整体性能。当地形显示窗口大小固定时，采用瓦片金字塔模型可以使数据访问量基本保持不变。在构建地形金字塔时，首先把原始地形数据作为金字塔的底层，即第0层，并对其进行分块，形成第0层瓦片矩阵。在第0层的基础上，按每2×2个像素合成为一个像素的方法生成第1层，并对其进行分块，形成第1层瓦片矩阵。如此下去，构成整个瓦片金字塔。

图2 瓦片金字塔构建示意图

四、生产实验与分析

为了验证该生产技术路线的可行性，同时也为了下一步大规模开展海洋地形格网数据的生产铺平道路，本文选用西沙群岛海域作为实验区域，来生产1秒分辨率的海底地形格网。该海区范围地理位置为北纬15°44′～17°12′，东经110°43′～113°25′，面积约48000平方千米。首先对该区域按照9位编码进行格网分幅，共分为6幅分别为111015010、111016010、111115010、111116010、111215010、111216010。见图3。

图3 西沙群岛海区格网分幅

资料采用1:1000多波束水深资料18份，1:5000多波束水深资料10分，由于多波束水深资料没有覆盖全整个海区，还采用了1:25000水深资料。此外，在岛屿陆地部分采用了相关专项的DEM成果数据。采用自适应变距加权拟合法进行深度数据的数值内插形成1″×1″的数据格网。图4为整个西沙群岛海域的格网图。

图4  西沙群岛海域格网图图5为采用该格网数据构建的海区地形模型，从图中可以看出，基于高密度测量水深数据的DEM在海底细节地形表达的精度上有了明显的提高，海底地形的表示形象直观，可以较清晰的反应出该区域的实际地貌的细节特征及危险程度。

图5  西沙群岛地形模型局部 

五、结论

本文以西沙群岛海区进行了实验海区，对该技术路线进行了实验生产，经过对实验结果进行分析得出以下结论：一是大比例尺多波束水深数据是良好的海洋地形格网数据生产的数据源，但小比例尺的多波束水深数据由于数据密度不够，还不适用于数据生产；二是多波束数据由于没有完全覆盖我国整个海区，在不少海区还不能利用多波束数据进行格网数据的生产作业 ，需要需找其他数据源。高精度的海底地形格网数据在海上作战、训练、潜艇航线设计、水下隐蔽航行及声纳、鱼雷等水下武器装备的使用等方面具有重要作用，开展大规模海底地形格网数据的生产具有重要意义。高精度的海底地形格网数据的生产能够填补海洋测绘地理信息产品空白，丰富航海保障产品内容，创新海洋测绘数据的表达形式，拓展航海图书保障服务的深度和广度。

参考文献：[1]曹鸿博.数字水深模型的精化及舰船导航应用[D].大连:海军大连舰艇学院,2010.[2]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,2008,25(4):255-259.[3]贾帅东.基于不确度调控的高精度高安全性网格水深建模[D].大连:海军大连舰艇学院.2011.[4]丁金挺.航海图文信息集成技术研究与实现[D].大连:海军大连舰艇学院.2012.[5]Arsenault R,Ware C.Frustum View Angle,Observer View Angle and VE Navigation[J/OL]..[6]Smith Alison.New High Resoluation Bathymetry Model of English Channel[J/OL].http://www.Geoconnexion .com/geo_online_article/New-Hi-Res-Bathymetry-Model-of-English-Channel/349,2010.[7]刘强等.海底地形数据格网化方法研究[J].船舶电子工程,2013,25(5):25-30.

■致谢：本文为作者原创文章，在此非常感谢中海油海洋环境信息技术研究所宁方辉所长对我微信公众平台的支持与厚爱。其他平台如需转载，务请备注作者及文章出处。

相关阅读推荐：