（地球探测与信息技术专业论文）基于多波束和arcgis的数字海底地形研究及其实现.pdf

l 浙江火学硕十学位论文 基丁多波束和a r c g i s 的数字海底地形研究及其灾现 摘要 多波束系统是海底探测类声纳的最新形式之一，是目前进行水下地形勘测的 先进的声遥感技术手段。以多波束技术为代表的海底地形测量技术具有3s 集成应 用的特点。本文阐述了利用g i s 技术进行多波束数据处理和初步应用，系统平台采 用觚g i s ，空间数据库采用g e o d a 协a s e 技术来构建。结果表明，该方法提高了多 波束数据处理的效率和精度，可以建立大区域、高分辨率的海底d e m 并实现了数 据库管理。 本文将基于多波束的海底数字地形建立过程分为以下三个阶段： ( 1 ) 多波束数据预处理。包括数据滤波、吃水改正、声速改正、潮位改正、 声呐图像处理等步骤，本文采用带阈值的中值滤波结合均值滤波方法来识别和削弱 噪声影响，采用三角剖分算法来进行大区域范围的潮位改正，同时，根据多波束数 据集的特点，运用测量误差理论来提高多波束的测深精度； ( 2 ) 海底d e m 构建。多波束的d e m 采用规则格网的结构形式，为了充分发 挥其优点，采用尽可能高的分辨率而容忍数据冗余的存在，格网的计算采取距离加 权和波束加权的原则，针对大范围高分辨率的d e m 构建，采用层次细节模型技术 进行管理； ( 3 ) 空间数据库建立。数据库采用客户端，服务器的模式，本文讨论了利用 a r c g i s 的( 论o d a t a b a s e 技术建立矢量、影像、d e m 、属性一体化的空间数据库，并 且通过a r c s d e 存储在关系数据库中，并展示了部分应用成果； 通过进行二次开发，运用面向对象的方法设计并实现了进行水下地形测量数据 处理和建库的工具软件。该软件包已经进行实际应用并得出如下的经验：在觚g i s 框架体系下，基于组件的海洋地理信息系统可以采用如下的解决方案：通过 觚o b j e c t s 定制觚g i s 来实现集成的、可视化的、企业级的应用分析模块，而小型 的或者需要进行发布的应用程序如电子地图，则通过m a p o b j e c t s 来进行。 关键字：海底地形测量，多波束，数字高程模型，海洋地理信息系统，空间数 据库 a b s t r a c t m u lt i b e a me c h o s o u n d e rs y s t e mi san e ws t y leo fs o n a r ，a n di sah i g h e f f i c i e n c yt e c h o n 0 1o g y t oa b t a i a nb a t h y l n e t r i cd a t a h i g hr e s 0 1 u t i o n b a t h y m e t r i cd a t aa r ew i d e l yu s e df o ri n t e r p r e t a t i o no ft h em o r p h 0 1 0 9 yo ft h e s e af 1o o r ，f o rg e 0 1o g i c a l ，a n dg e o p h y s i c a lr e s e a r c h ， a n df o rt h ec r e a t i o n o fb a t h y m e t r i cm a p s t h i se s s a yd e s c r i b et h ea p p li c a t i o no fg t si nm u l t i b e a m b a t h y 皿e t r i cd a t ap r o c e s s i n ga n dm a n a g i n g a r c g i sg e o d a t a b a s ei s u s e dt o d e v e lo pas e a f lo o rt e r r a i nd a t a b a s e f o rt h ec o m p u t a t i o no fad i g i t a le l e v a t i o nm o d e ld i f f e r e n ts t e p sw e r e u n d e r t a k e n t h em o s ti m p o r t a n ts t e pw a st h eb a t h y m e t r i cd a t ae d i t i n ga n d c 】e a n i n g ， t or e m o v et h eo u t li e r s ， g r o s sa n ds y s t e m a t i ce r r o r s t h i s d a t a e d i t i n ga n dc l e a n i n gw a sp e r f o r m e du s i n gs t a t i s t i c a lm e t h o d s t t ni su s e dt o c o n d u c tt i d ec o r r e c t i o n t oi m p r o v et o t a la c c u r a c yo fs o u n d i n g s ，a d j u s t m e n t b a s e do nc h e c k li n ew a sp e r f o r m e d t oc o m p u t ead i g i t a le 1e v a t i o nm o d e l( d e m ) d i f f e r e n tm e t h o d sf o rt h e c o m p u t a t i o no fad i g i t a le l e v a t i o nm o d e lw e r ea n a l y s e d t h ei n v e r s ed i s t a n c e w e i g h t i n gi n t e r p 0 1 a t o rw a su s e dt oc o m p u t ed e mw i t ht h ew e i g h td e t e r m i n e d b yd i s t a n c ea n dp i n gn u m b e ra n dt h es e a r c hr a d i u sd e p e n d i n go nw a t e rd e p t h ，t o m a n a g i n gh i g hr e s 0 1 u t i o na n d1 a r g ea r e ad e m ，l e v e lo fd e t a i 1t e c h n 0 1o g yi s u s e d t h es p a t i a 】d a t a b a s eu s ec 1i e n t s e r v e rm o d e ，a n dg e o d a t a b a s et e c h n o 】o g y i su s e dt od e v e lo pav e c t o r 、p r o p e r t y 、d e ma n di m a g ei n t e r g r a t e dd a t a b a s e s t o r e di na nr d m st h r o u g ha r c s d e ，a 1s o ，s o m ee x a m p l e sa r eg i v e n as o f t w a r ei sd e v e l o p e dt op r o c e s s i n gm u l t i b e a mb a t h y m e t r i cd a t aa n d t r a n s p o r tt h e mi n t od a t a b a s e k e yw o r d s ：b a t h y m e t r y ，m u l t i b e a m ，d e m ，m a r i n eg i s ， s p a t i a ld a t a b a s e 2 乡浙江人学顾卜学位论义 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：日期： 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容 和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权浙江大学研究 生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 浙江人学硕十学位论文 基丁多波束和a r c g l s 的数字海底地形研究及其史现 第一章绪论 1 1 多波束发展现状 多波束侧深是一种具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形测量新技术。自 2 0 世纪7 0 年代问世以来，特别是最近十几年，在高性能计算机、高精度定位和各 种精密数字化传感器以及其它相关高新技术的介入和支撑下，代表当代海洋地形地 貌勘测最新研究成就的多波束测深技术不断变革，获得了极大的发展| l q j 。与传统的 单波束测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、分辨率高的特点， 从而使海底地形测量技术发展到一个较高的水平。 我国从2 0 世纪9 0 年代开始陆续从国外引进多套多波束测深系统，分别应用于 海道测量、海洋工程测量、海洋划界测量、海洋资源调查、港口维护、地质灾害监 测以及水下考古等多个领域，在国民经济建设中发挥了重要作用。实际上，我国早 在2 0 世纪8 0 年代中期就开始致力于多波束测深系统的研制与开发工作，并于1 9 9 7 年研制成功h h c s 0 1 7 型多波束测深系统。该系统的研制成功，标志着我国海道测 量技术装备水平已达到一定的高度协j 。 根据当代海洋测量技术发展的需要，国际海道测量组织( m o ，i i l t e m a t i o n a l h y d r o g r a p h yo r g a l l i z a t i o n ) 海道测量标准( s 4 4 ) 第4 版规定，在高级别的水深测 量中必须使用多波束全覆盖测量技术。随着多波束测深技术应用范围的不断深入和 扩展，其独特的高效率测量方式已经被越来越多的使用者所认识，人们对于这种测 深技术的要求也越来越高。为了满足这种需求，多波束测深设备生产厂家正致力于 全海深测量技术、高精度测量技术、集成化与模块化技术以及高分辨率测量技术的 应用研究。但需要强调的是，多波束技术经过二十多年特别是最近几年的飞速发展， 其仪器设备不论是结构还是观测精度，都已经达到相当成熟和相对稳定的阶段，不 同类型仪器之间的性能差异也越来越小。目前在国际市场上，几乎所有的商用多波 束测深系统的观测精度都符合m os 4 4 标准。在这种新的形式下，随着多波束测深 技术的普及应用及其海量观测数据的不断积累，对多波束测深数据如何实施有效的 处理和管理，是当前特别值得重视和急待研究解决的主要问题。在数据管理方面， 由于目前各种原始多波束数据的存储格式极不统一，与各种多波束系统相配套的后 处理软件也自成体系，互不相干，已经给多波束数据的统一管理和综合处理造成极 大的网难。 浙江人学硕十学位论文基丁多波束羽la r c g l s 的数字海底地形研究及其实现 1 2 选题目的和意义 1 2 1 空间数据库 “数字地球 是美国前副总统戈尔1 9 9 8 年1 月在c a j i f 6 m i a 科学中心的演讲中 初次提出来的概念。基本上数字地球可视为一个巨大的g i s 系统架构，其中包括了 资料的收集、资料的处理、资料的分析、资料的应用等工作。在数字地球的大框架 下，又相继提出了“数字城市”和“数字海洋”等概念。 相对于陆地来讲，“数字海洋 的研究进展要慢得多，部分原因是海洋资料信息 获取很网难，这导致建设数字海洋所必须的数据本身缺乏现势性。2 0 0 5 年1 月7 日， 美国海军的“旧金山”号核潜艇在从关岛驶向澳大利亚布里斯班港的途中撞上了海 底山脉，就是因为所使用的海图存在重大漏洞，没有标明这座海山。这起事故提醒 人们，必须加大对洋底的勘察力度。 “数字海洋”发展的另一个瓶颈是海洋g i s 的数据模型非常复杂。海洋g i s 可 以分为许多专题，其中，海底地形地貌是进行海底研究的基础。因此，结合工作实 际，从海洋工程勘察g i s 的角度出发，以该专题作为研究对象。 对于水下地形测量数据的处理，国内的同行们进行了大量的研究，并取得了一 系列的成果。但是，从已经公开发表的文献来看，数据管理基本上采用基于文件的 方式( 如c a s 处理软件) ，而作为g i s 核心之一的空间数据库技术，并没有得到 有效的应用。 从数据应用的角度出发，建立基于主流g i s 的空间数据库，可充分利用其强大 的地形分析功能，后续应用更加方便。此外，在开放式g i s 的大背景下，数据共享 机制的建立也是非常重要的，一个基于丰流g i s 的空间数据库模型有助于解决这一 问题。目前，国土资源部以舡c g i s 作为主要的数据管理平台，实现非丰流g i s 平 台向觚g i s 的转移，从获得技术支持、人才培养、与陆地系统的对接等角度来讲， 都是非常有利的。 1 2 2 数字高程模型 数字地面模型是用数字形式描述的地形表面模型。2 0 世纪5 0 年代中期，美国 麻省理工学院摄影测量实验室主任clm i l l e r 首次将计算机与摄影测量技术结合在 一起，提出了一个一般性的概念“d 珥t a lt e r r a j nm o d e l ”，缩写为d t m ，比较成功 地解决了道路工程的计算机辅助设计问题，本文采用数字高程模型( d e m ，d i g i t a l 6 a 铤爹浙江大学硕十学位论文 基丁：多波束和a r c g i s 的数字海底地形研究及其实现 e l e v a t i o nm o d e l ) 来表示数字地形表面( d 1 m 是一个比d e m 更宽泛的概念，而这 两个术语的使用在海底数字地形研究中一直存在争议。由于采用d e m 这一术语， 对于基准面以下的高程数值采用负数来表示，即使所使用的基准面为深度基准面) 。 进入9 0 年代，随着g i s 的发展，d e m 成为空间信息系统的一个重要组成部分，是 工程建设、军事指挥、战场环境仿真、决策支持等多种系统中最重要的底层数据。 因此，系统地建立大区域的d e m 是当前的迫切任务。多波束海底地形测量的首要 目标就是建立大区域高分辨率的海底d e m 。而目前基于多波束的d e m 构建还存在 以下的两个主要问题：( 1 ) 基于海量数据的d e m 构建效率不高；在计算机资源有 限的情况下，如何快速建立大区域范围的高分辨率的d e m ，一直是近年来多波束测 深数据处理中一个重要的研究课题；( 2 ) 由于测深数据本身的误差而导致d e m 与 真实的海底面之间存在差别，这种差别甚至会使d e m 呈现出明显的条带状，这是 目前多波束数据处理中所面临的一个丰要难题。 1 2 3 本课题的任务 本课题的任务如下： ( 1 ) 在a r c g i s 平台上对测深数据处理技术进行整合和改进，并开发软件包； ( 2 ) 建立高效率的大区域高分辨率海底d e m 构建和管理机制； ( 3 ) 建立海底地形的空间数据库。 1 3 研究架构和流程 以多个实际的单波束和多波束海底地形测量所获取的测深数据集为基础，以主 流的g i s 软件觚g i s 为平台，并进行二次开发。多波束是目前先进的海底地形探 测方法，因此以多波束数据集作为丰要的研究对象，而传统的单波束测深可看作多 波束测深的一种特殊形式。 本课题进行的是应用研究，需要探讨一些基本的原则和实用方法，并利用c + + 语言进行实现。利用面向对象的方法维护一个可扩展的对象模型，新的研究成果可 以方便地加入到这个模型中去，因此可以更快地应用于生产实践活动。 整个研究照流程可分为四个阶段：第一阶段确定研究丰题后，进行相关的文献 研究，并规划研究方法及架构；第二阶段对测深数据处理方法进行整合和改进，同 时设计出空间数据库模型；第三阶段进入软件开发阶段，利用面向对象的程序语言 结合g i s 组件开发测深数据处理和地形建库工具包；第四阶段利用多个测深数据集 进行实例研究并综合讨论得出结论及未来发展的可能性。 浙江火学硕十学位论文 基丁多波来羽ia r c g l s 的数字海底地形研究及其实现 第二章相关领域进展和文献回顾 2 1 空间数据库建设 2 1 1g i s 发展的背景 地理信息系统( g e o 鲫1 1 i c a li n f o n n a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是在计算机硬件和软 件支持下，运用地理信息系统和系统理论，科学管理和综合分析各种地理数据，提供管 理、模拟、决策、规划、预测和预报等任务所需要的各种地理信息的技术系统。广 义理解的地理信息系统由四部分组成：管理与使用地理信息系统的人；描述地球表 面事物属性与空间分布的数据( 包括地理属性数据和地理空间数据) ；管理与分析地 理数据的软件，如a r c 玳f o 软件和m a p g i s 软件等；输入输出、存储管理、处理和 分析地理数据的硬件，如工作站、各类微型计算机、数字化仪、扫描仪与绘图仪等。 一般认为地理信息系统是具有地理数据采集、管理、查询、计算、分析与可视表现 等多种功能的计算机动技术系统1 6 j 。 地理信息系统的发展始于6 0 年代。它的诞牛，受到加拿大测量学家诺基尔汤姆 林逊( r o g e rf t o i i d i n s o n ) 博士在1 9 6 0 年提出的数字地图思想的推动。世界上第一个 地理信息系统( c g i s ) 由加拿大地土地管理局于1 9 7 1 年实现。1 9 6 5 年，w l 加瑞森 ( g a 而s o n ) 在一个国际会议上提出地理信息系统这一术语，为与会者接受，并得以广泛 采用。由于当时计算机的存储量小、磁带存取速度慢，使得g i s 带有更多的机助制图 的色彩，其地学分析功能极其简单。另外，在6 0 年代成立了许多与g i s 有关的组织机 构，例如，美国的城市和区域信息系统协会( i j l r l s a ) 、州信息系统全国学会( n a s i s ) 、 国际地理联合会( i g u ) 下设的地理数据收集和处理委员会( c g d s p ) 等。进入7 0 年代， 由于计算机软硬件技术飞速发展，国际环保运动的兴起迫使不少西方国家政府投资， 采用g i s 制作各种规划，这从学术、技术准备与资金等方面推动了g i s 的发展。与此 同时，一些商业公司开始开发g i s 产品。从2 0 世纪8 0 年代起，地理信息系统在各国 进行推广和普及，不少研究机构和管理部门开始应用g i s 。目前g i s 丰要总体上呈现 网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性的发展趋势。 2 1 2 地理基础数据库与专题数据库的建设 我国的地理信息系统是在制图和遥感的基础上发展而来的，其基础数据库的建 设准备工作在g t s 进入我国之前就已开始。例如，从2 0 世纪5 0 年代至8 0 年代，总参 测绘局和国家测绘局系统开展了一系列航空摄影测量和地形测图，进行了两次几乎 浙江人学硕十学位论文 基丁多波求羽la r c g l s 的数字海底地形研究及其实现 覆盖全国的航空摄影，并完成了全国1 ：2 5 万和1 ：1 0 万比例尺基本地形图的测制。 l ：2 0 万、1 ：5 0 万和1 ：1 0 0 万比例尺地形图也进行了第二代更新，这为地理基础数据 库的建立提供了重要的数据来源。7 0 年代初期在测量、遥感和制图领域开始推广使 用计算机，在1 9 7 7 年诞生了第一张由计算机输出的全要素地图，1 9 7 8 年，国家计委在 黄山召开了第一届数据库学术会议盯1 。从这一年开始，我国开展了若干单项和样区的 数据采集预研究。1 9 8 2 年，中科院地理研究所建成全国县界数据库。1 9 8 4 年，中国国 家基础地理信息系统( n f g i s ) 开始立项，该系统包括核心要素数据库( d i 。g ) 、数字高程 模型数据库( d e m ) 、数字栅格地图数据库( d r g ) 、数字影像数据库( d o m ) 、地名数据库、 大地数据库、土地覆盖数据库等七个数据分库，其中地理数据库的建设被放到重要地 位。基础数据库的建设是个庞大的系统工程，至1 9 9 4 年已完成1 ：1 0 0 万基础地理数 据库，1 ：2 5 万数据库从1 9 9 4 年立项研究，到1 9 9 6 年已开始大规模生产，1 9 9 8 年1 1 月完成并通过验收。目前，1 ：5 万数据库的建设正在进行中，并预计2 0 0 5 年底建成， 一些省份也正在开展1 ：1 万地形图更新和建库工作。此外，国家基础影像数据库的 构建也正处于进行论证和初步建设之中懈1 。国家基础地理数据已经在许多领域发挥 了重要作用。这些基础工作的开展，为我国地理信息系统的起步打下了坚实的基础。 根据不同部门的需要，我国一些科研单位先后建成了多个地理专题数据库，它们 包括：全国土壤分类数据库( 1 9 9 1 年，中科院南京土壤研究所) 。4 0 0 0 年时间跨度的地 震灾害数据库( 1 9 9 5 ) ，中国5 0 0 年旱涝灾害数据库( 1 9 9 5 ) ，5 0 年多种灾害数据库、全国 地形要素数据库和地名数据库、重力数据库，全国七大江河流域重点防范区l ：1 万 数字高程模型( d e m ) 数据库| 9 l ，中国l ：1 0 0 万土壤数据库i l 川，全国油气资源分布空间 数据库l i l l ，中国大陆地壳应力环境基础数据库i l2 1 ，此外，根据实际需要，完成了全国遥 感土地覆盖数据库建库与更新( 1 9 8 5 ，1 9 9 0 ，1 9 9 6 ) 。这些数据库在建设过程中所获得的 经验成果，对于海洋空间数据库的建设有很大的借鉴作用 2 1 3 海洋领域数据库建设 相对陆地来讲，针对海洋领域的空间数据库研究要少得多其中，赵时宁从海 上航运的角度，以电子海图显示与信息管理系统为基础，从海上空间数据库的信息内 容、空间数据库的结构设计、空间数据库的要素编码及空间数据库的数据处理模型 等几个方面，探讨如何构筑数字海洋空间数据库的基本框架| 13 1 ；李巧稚针对海洋管理 的实际需要，根据沿海地区资源环境的空间分布特性和对信息系统技术的利用水平， 系统勾画了海洋功能区划管理信息系统的摹本框架，介绍了各类空间数据的组织原 理与组织方法，建立了系统建设应遵循的技术标准体系，对系统建设的关键技术环节 提出了指导性解决方案1 ；张勇以渤海区域地质信息符理系统空间数据库为例，概述 9 浙江大学硕十学位论文 基丁多波束羽ia n c g i s 的数字海底地形研究及其实现 了利用地理信息工具平台m a p i n f 0 建设渤海信息毹；理系统区域地质空间数据库的方 法，包括空间数据库的分类、分层方案，命名及编码规则引；张彪阐述了基于o r a c l e s p a t i a l 的电予海图数据库构建和实现方法6 1 。可以发现，这些研究采用的主要是 基于矢量的建库方案。 2 1 4g t s 数据库理论的探索 针对地理摹础数据库与专题数据库建设中面临的问题，国内不少学者从不同角 度开展了地理数据库研究与开发工作，例如：面向目标数据模型在地理属性数据库中 的应用n7 1 ；地理信息数据库实现n8 | ；面向对象的三维矢量g i s 数据模型及拓扑关系 的建立1 1 9 1 ：面向对象的多媒体空间数据库系统设计脚1 ；基于关系数据库的地籍空间数 据存储结构1 2 ；基于中间件技术的网格g i s 体系结构i z 2 ；基于面向对象空间数据 库的三维地景可视化研究1 2 驯；虚拟g i s 数据模型的设计及其主动式面向对象数据库 系统的实现i 州；r t r e e 的查询代价模型分析及算法改进1 ；大型g i s 空间数据库的有 效索引结构q r 树1 2 6 1 ；空间数据库索引管理系统的设计与实现1 2 川；s d m l ：基于空间数 据库的空间数据挖掘语言团1 ；基于实体对象树f o o t 模型和四层体系结构的g i s 方 法研究四1 ：基于群集技术的多服务器地理空间数据管理限；空间数据精度的检查和评 价方法研究。“l 等等，这些研究工作从技术上推动了数据库的建设。 2 2 数字高程模型 2 2 1d e m 的结构 通过对国内外公开发表的文献进行检索，目前常用的d e m 数据结构大体有 以下几种： ( 1 ) 离散点 离散点d e m 是将连续的地球表面形态离散成在某一区域上的以三维坐标形 式存储的高程点的集合。离散点d e m 往往是通过测量直接或取地球表面的原始 或没有被整理过的数据，采样点往往是非规则离散分布的地形特征点。特征点之 间相互独立，彼此间没有任何联系。因此，高程点往往存储的是绝对坐标。它是 d e m 中最简单的数据组织形式，但是基于这种数据结构的空间运算非常复杂，所 以极少直接采用而转换为其它的形式。经处理后的多波束测深离散点集实际上就 是这种结构形式。 ( 2 ) 断面线 1 0 浙江火学硕十学位论文 基于多波水和a r c g l s 的数字海底地形研究及其实现 断面线d e m 是对地球表面进行断面扫描形成的。断面线常常按照等距离方 式采样，断面线上按等距离方式或等时间方式记录断面线上点的坐标。断面线 d e m 往往是利用解析型测图仪、附有自动记录装置的立体测图仪和激光测距仪等 航测仪器或从地形图上所获取的地球表面的原始数据来建立，单波束的海底地形 测量是典型的断面线d e m 建立方法。 断面线数字高程模型的基本信息包括d e m 起始点( 一般为左下角) 坐标， 断面线d e m 在x 方向或y 方向的间隔d x 或d y ，以及断面线上记录的举标个 数n x 或n y 和坐标系列等。 ( 3 ) 等高线 等高线既是一种地图符号，同时也是一种d e m 数据结构。等高线是通过对地 球表面的水平切割而产牛的联系曲线，在相同曲线上的高程值相同。用等高线表 示连续的地球表面的丰要不足之处是，在经过不同的高程面进行水平切割的过程 中丢失了大量详细的地表信息，这些地表信息是不可能从等高线中恢复的，也就 是说，利用等高线重新构建的地球表面只能近似的表示真实的地球表面；另一个 不足之处是，单条等高线无法直接反映地貌形态，必须通过等高线组间接地表示 地貌形态。常用的等高线的存储结构有两种形式：链条数据结构和等高线的拓扑 结构。链条数据结构是简单的矢量数据结构，没有拓扑关系。而拓扑数据结构的 等高线之间不是孤立的，可以利用拓扑邻近关系建立等高线树，利用这种树结构 可以实现等高线的层次检索。 数字形式的等高线主要由两种方式得到：从已经存在的地图上数字化或者从 其它的d e m 数据结构形式派生得到，因此，等高线又可以看作一种d e m 的派生 产品。 ( 4 ) 不规则三角网( t r i a i l g u l a t ei 盯e g u l a rn e 铆o r k ，t ) t i n 是另外一种表示d e m 的方法，它既具有较少的数据冗余，同时在计算( 如 坡度) 效率上又优于纯粹基于等高线的方法”z | 。 1 1 n 的数据结构基于以下的两种基本元素：具有x ，y z 三维嫩标的点，和一系列 连接这些点的边，它们构成三角形的顶点和边。通常，对于给定的离散点集( 如果 是等高线，则把线段中的结点当作离散点对待) ，使用d e l a u n a y 三角剖分的方法来 建立不规则三角网。所以，正确而快速地建立d e l a u n a y 三角网，就能够得到我们所 需要的t 烈模型。 相对于其它的三角剖分方法，d e l a u n a y 方法具有如下的优点”3 | ： ( 1 ) 所得到的三角形是尽量等角的，也就是说如果将平面三角网中的每个三 角形的最小角相加，则d e l a u n a y 三角网所得到的数值是最大的，这就是所渭的“最 ( 浙江人学硕十学位论文 基丁多波求和la r c g l s 的数字海底地形研究及其实现 大最小角属性”，从这一点说，d e l a u n a y 网是“最接近于规则化”的三角网，这样 可以尽量避免因分析计算细长三角形所带来的数值精度问题。在三维或者更高维数 的情况下，这一特点有所改变，不过，在大多数情况下，d e l a u n a y 三角剖分依然是 最佳选择； ( 2 ) 保证了三角网面上任何点尽量靠近结点( 已知数据点) ： ( 3 ) 三角剖分的结果与原始点集的处理顺序无关，也就是说，对于给定的数 据点集，在不加约束条件的情况下，其d e l a u n a y 三角网是唯一的。 在一些应用中，空间目标并非总是仅由点状目标构成的，同时还可能包含线状 目标和面状目标( 多边形) ，基于这种条件下的三角剖分就不能仅仅对平面上的点集 进行剖分，同时还应该考虑对目标之间的空间关系特征进行保持，因而需要加入一 些相关的限制条件，与之相适应的即为限制性d e l a u n a y 三角剖分，最常见的就是给 三角网附加一个外壳( 而不是根据点集计算出来的包含所有点的外壳) ，最后生成的 三角网要包含在此外壳内。此外，也可以对三角形的边长和角度加以限制，如要求 生成的三角形边长不超过一定的长度，三角形的最小角不能小于某一角度值等等， 或者在网中加入中断线，这些约束条件，使得最终结果会发牛变化。 ( 5 ) 规则格网 规则格网( g 刚 d ) d e m 是一种十分重要的数据结构，许多国家的d e m 数据都 是以g 剐d 的数据矩阵形式提供的( 如美国u s g s 提供分辨率为3 0 m 、9 0 m 的d e m ； 澳大利亚、日本、英国均提供5 0 m 分辨率的d e m ；而加拿大为9 3 m 的d e m ，法国 为1 0 0 m 的d e m ) 。可见，目前大多数的地形特征提取算法都是基于g 剐d 的 g i 将空间区域切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上 可以表示为一个矩阵，在计算机实现中则是一个二维数组。每个格网单元的一个元 素，对应一个高程值。计算任何不是网格中心的数据点的高程值，使用周围4 个中 心点的高程值进行插值得到。由于矩阵格网存储量小( 还可以进行压缩存储) ，非常 便于使用且容易管理，因而是目前运用最广泛的一种数据结构形式。但其缺点是不 能准确地表示地形的结构，在格网大小一定的情况下，无法表示地形的细部。因此， 选择格网的大小非常重要。 g r i d 的大小需要根据地形的起伏来确定，格网过密对于平坦地区造成数据冗 余，格网过疏对于起伏复杂的地区不能表示地貌细部。此外，格网的大小与探测技 术本身所能够提供的分辨率有关系。多波束提供了比单波束要高得多的原始数据分 辨率，对于多波束测深数据集，应尽量提高格网模型的分辨率而容忍数据冗余的存 在，以提供尽可能多的地形细节，充分发挥多波束系统的性能。 此外，为了充分利用t 】n 和规则格网的优点，德国慕尼黑工业大学的e b n e r 教 1 2 浙江人学硕十学位论文 基丁多波求和a r c g i s 的数字海底地形研究及其实现 授提出了嘶d t 矾混合结构，即一般地区采用g 砌d ，沿地形特征处附加t 矾数据 结构。 在利用多波束来构建海底d e m 时，t 】 n 和g 剐 d 是两种最常用的数据结构。由 于海底地形测量相对于陆地来讲有其特殊性，因此讨论一下t 矾和g 刚d 适宜的应 用场合还是非常必要。根据实验结果，下列情形适合于采用删来构建d e m ： ( 1 ) 数据点较为稀疏时，尤其是进行单波束测深时； ( 2 ) 进行航道测量时； ( 3 ) 声速改正较为完善时。 但是，当t i n 中三角形很多时，t 矾的可视化效率非常低下，为了解决这一问 题，可以将1 1 n 转换为高分辨率的g 刚d 。因此，尽毹；构建方法不同，d e m 的最终 的数据结构形式都采用g 刚d 。 2 2 2 三角网牛成算法回顾 t s a i 根据实现过程，把牛成d e l a u n a y 三角网的各种算法分为三类3 4 3 5 3 6 1 ：分治 算法；逐点插入法：三角网生长法。 ( 1 ) 分治算法 s h a i n o s 和h o e y 提出了分治算法思想，并给出了一个牛成v 图的分治算法。 k w i s 和r o b i n s o n 将分治算法思想应用于牛成d e l a u n a y 网。他们给出了一个“问题 简化”算法，递归地分割点集，直至了集中只包含三个点而形成三角形，然后自下而 上地逐级合并生成最终的三角网。以后k 和s c h a c h t e r 又改进和完善了l e w i s 和 r o b i n s o n 的算法。 k e 和s c h a c h t e r 算法的基本步骤是： 把点集v 以横舭标为主，纵坐标为辅按升序排序，然后递归地执行以下步骤： 把点集v 分为近似相等的两个子集v l 和v r ； 在v l 和v r 中生成三角网； 用l a w s 伽提出的局部优化算法l o p 优化所生成的三角网，使之成为d e l a u n a y 三角网； 找出连接v l 和v r 中两个i l 壳的底线和项线； 由底线至顶线合并v l 和v r 中两个三角网。 以上步骤显示，分治算法的基本思路是使问题简化，把点集划分到足够小，使 其易于生成三角网，然后把予集中的三角网合并牛成最终的三角网，用l o p 算法保 证其成为d e l a u n a y 三角网。不同的实现方法可有不同的点集划分法、子三角网生成 法及合并法。 浙江大学硕十学位论文 基丁多波束和a r c g i s 的数字海底地形研究及其实现 ( 2 ) 逐点插入法 l a w s o n 提出了用逐点插入法建立d e l a u n a y 三角网的算法思想。k 和 s c h a c h t e r ，b o w y e r ，w a t s o n ，s l o a i l ，m a c e d o n j o 和p a r e s c l l i ，f l o a n i 和p u p p o ，t s a i 先后进行了发展和完善。 逐点插入算法的基本步骤是： 定义一个包含所有数据点的初始多边形； 在初始多边形中建立初始三角网，然后迭代以下步骤，直至所有数据点都被 处理： 插入一个数据点p ，在三角网中找出包含p 的三角形t ，把p 与t 的三个顶点 相连，生成三个新的三角形； 用l o p 算法优化三角网。 从上述步骤可以看出，逐点插入算法的思路非常简单，先在包含所有数据点的 一个多边形中建立初始三角网，然后将余下的点逐一插入，用l o p 算法确保其成为 d e l a u n a v 三角网。各种实现方法的差别在于其初始多边形的不同以及建立初始三角 网的方法不同。 ( 3 )三角网牛长法 c e n 和s i b s o n 首次实现了一个牛成d i r i c h l e t 多边形图的牛长算法。b r a s s e l 和 r e i f 稍后也发表了类似的算法。m c c u l l a 曲和r o s s 通过把点集分块和排序改进了点 搜索方法，减少了搜索时间。m a u s 也给出了一个非常相似的算法。 三角网牛长算法的基本步骤是： 以任一点为起始点； 找出起始点最近的数据点相互连接形成d e l a u n a y 三角形的一条边作为基 线，按d e l a u n a y 网的判别法则( 即它的两个基本性质) ，找出与基线构成d e l a u n a y 三角形的第三点； 基线的两个端点与第三点相连，成为新的基线； 迭代以上两步直至所有基线都被处理。 上述过程表明，三角网生长算法的思路是，先找出点集中相距最短的两点连接 成为一条d e l a u n a y 边，然后按d e l a u n a y 网的判别法则找出包含此边的d e l a u n a y 三 角形的另一端点，依次处理所有新牛成的边，直至最终完成。各种不同的实现方法 多在搜寻“第三点”上做文章。 2 2 3 规则格网生成算法回顾 规则格网牛成的过程也就是空间数据内插的过程。所谓空间数据内插，就是根 1 4 浙江火学硕十学位论文基丁i 多波水和a r c g i s 的数字海底地形研究及其实现 据一组已知的离散数据，按照某种数学关系推求出其它未知点或未知区域数据的数 学过程。进行空间数据内插的算法多种多样，可以从内插时使用已知采样点的范围 分为两大类：整体拟合和局部拟合。所谓整体拟合，是指内插模型是基于研究区域 内的所有采样点的特征观测值建立的，如趋势面法、最小二乘法、傅立叶极数法等。 整体拟合的特点是不能提供内插区域的局部特征，其结果一般具有粗略性特点。 局部拟合是指仅用邻近于未知点的少数己知采样点的特征值来估算该未知点的 特征值，如舀n g 法、样条函数法、距离反比权重法等。局部拟合的特点是可以提 供内插区域的局部特征，且不受其它区域的内插影响，其结果具有精确性特点。 在基于多波束的d e m 构建中，主要采用下面的局部拟合算法，而趋势面法等 整体拟合法丰要应用于数据滤波： ( 1 )三角网转换算法 在已经建立起t i n 的前提下，可以将其转换为的规则格网。方法是按要求的分 辨率大小和方向生成规则格网而格网插值可以有两种方案：第一种是将t 烈中的 三角形顶点作为离散点来对待，采用其它的空间插值算法进行插值；第二种方案是 将三角形视为平面，按线性内插方式计算出落在每个三角形中的格网点的高程值， 这种方案考虑了三角形之间的拓扑关系，缺点是内插后的格网质量不高，具体表现 为在三角形公共边( 尤其是小夹角时) 容易出现异常的地形棱角。为了消除这些棱 角，王家耀| 37 1 基于所定义的磨光函数，提出了一种在三角形公共边附近的一定区域 内，由1 1 附到规则格网光滑内插的算法。 ( 2 ) 妯酉n g 法 陆酉n g 法又称空间自协方差最佳内插法。该法是南非矿业工程师d gk r i g e 针对矿业特色与地质推估问题创立的矿石品位最佳内插法。碰g i n g 的基本原理与最 小二乘法类似。其实质是既考虑采样表面的总体趋势变化( 统计特征) ，又考虑采样 表面特征的相关变化和随机变化。k 一百n g 将上述三项分别称为采样表面的结构顶、 相关项和随机噪声。其一般拟合函数为： 厂( 工，y ) = ( 工，y ) + 厂2 ( 工，y ) + c， l lj 式中：f l ( x ，y ) 为结构项，f 2 ( x ，y ) 为相关项，c 为随机噪声。 近年来，国内外许多学者对最初的l 函g i n g 法进行了演绎和推广，已经成为一 系列k n g i n g 内插方法的代名词。其中，普通k r i g i n g 法( o r d i n a r yk r i n g i n g ) 与最 小二乘的推估法类似，而广泛l 百n g 法( u m v e r s a lk r i 酉n g ) 与最小二乘的配置法 类似。所不同的是两者所采用的协方差函数不同；而且在配置法与推估法中，插值 的方差一协方差是严格数学意义上的方差一协方差阵，而l ( r i 百n g 法是采用半方差 1 5 浙江大学硕十学位论文基丁多波束硐1a r c g i s 的数字海底地形研究及其实现 ( 或称半变异函数) ，来构造推估用的方差协方差阵。因为要进行半变异函数的计算， 所以l 研垂n g 算法的计算速度比较慢，这是该算法的一个主要缺点。 ( 3 ) 移动内插法 最小距离反比权重法( i n v e r s ed i s t a i l c ew 色i 曲t e d ，d w ) 是一种典型的移动内 插算法( 祥见第四章) 。移动内插的实质是：首先以内插点p 为中心，按某一半径r 作圆；然后选定某一多项式内插函数，用落在该圆内的采样点的特征观测值来拟合 该范围的特征值曲面；进而求得待插点的特征值。多项式内插函数的典型代表为二 次多项式： 厂( 工，y ) = 6 0 + 6 i z + 6 2 y + 6 3 石2 + 6 4 砂+ 易5 _ ) ，2 ( 2 ) 上式有六个待定系数，因此只要采样半径内有六个采样点，即可以确定这6 个未知数。当采样点不足6 个时，需要扩大取样半径；当采样点超过6 个时，需要 列出n 个采样点的误差方程矩阵( 法方程) 进行二次曲面的系数解算。 值得注意的是：由于解的稳定性决定法方程的状态，而法方程的状态又与点位 分布有关，所以当地形起伏较大时，半径r 不能太大。尤其是数据较稀疏或分布不 均匀时，二次多项式移动内插法容易产牛很大的误差。这就是为什么单波束数据集 使用移动内插算法的效果不如人意的原因。 2 2 4d e m 的精度 d e m 的精度涉及到d e m 的使用者和生产者，具有十分重要的意义。d e m 的 精度主要考虑两个方面： ( 1 ) 格网计算导致的精度损失； 常用的格网插值算法有克里金法( k 订百n g ) 、距离反比权重法( 1 1 1 v e r s ed i s t a i l c e w d 曲t ，d w ) 、不规则三角网转换法、样条函数法、趋势面等几种，具体的算法选 择应当根据数据集的实际特征来选择，不恰当的算法可以导致严重的精度损失。 p e t e rp s i s k a 和i k u a ih u n g 对于a r c i l l f o 所提供的趋势面分析、泰森多边形、 d e l a u n a y 三角网、d w 、姘百n g