CN103389076B - 基于网格重建的海底地形地貌变化探测与分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网格重建的海底地形地貌变化探测与分析方法。本发明实现了不同时期、多种来源历史地形的数字化与标准化，以及海底多维时空网格的重建，进而实现了海底地形地貌变化的定量分析，给出了详细的技术流程与方法，在海洋测绘过程中，能有效利用多种来源数据，克服了近岸河口等地形高变区域的历史地形高效利用与统一标准对比问题，提升了历史数据质量和多种来源数据的综合利用效率，在海底监测、海洋测绘、计算机图形学与海底科学研究中具有非常重要的实际应用价值。

Description

基于网格重建的海底地形地貌变化探测与分析方法

技术领域

本发明涉及到海底监测、海洋测绘、计算机图形学和海底科学等技术领域。

背景技术

海底地形变化监测保障是海洋预报、工程设计、资源开发、海洋管理、海域划界、国防安全和海底科学研究的基础。中国近海60m以浅海域面积超过80多万平方公里，其中与人类活动紧密相关的航道、港湾、河口、水下三角洲、近海重大工程实施区等面积达到40万平方公里。受自然因素，如：泥沙运动、水动力（径流、潮流和海流）、天气过程（台风、洪水）和突发事件（地震、海啸）等，以及人类活动（如：围垦、填海、工程建设、采砂等）的复杂影响，导致这些区域海底地形地貌常发生剧烈变化，甚至引发致命后果：严重的海底灾害（骤冲、骤淤、港口和航道淤塞、海底滑坡、管线悬跨甚至折断等），环境恶化和生态系统失衡等，直接影响海洋经济发展、航道安全、海洋工程安全（管线、跨海大桥、石油平台等）和海防安全。

基于已有的历史海底数据资料，进行科学合理的处理与分析，揭示近海海底地形地貌的变化规律，尤其应加强对近岸河口等海底地形高度变化区进行研究，具有非常重要的实际应用价值，这些区域不仅与人类活动密切相关，同时它的变化进而影响和约束了人类的开发活动。

但是海底地形变化是个长周期的过程，影响的因素非常多，要揭示其规律，必须基于历史数据资料，这些历史数据资料可能来源不同、精度与分辨率也不同，使其应用受到了很大的限制。

发明内容

本发明针对存在的近岸河口等高变区域海底地形地貌无法定量分析问题，提出一种基于网格重建的海底地形地貌变化探测与分析方法，通过对不同时期、多种来源的历史地形进行数字化与标准化处理，进而进行海底DDTM保真重建，对不同时期的DDTM进行差值运算与分析，建立了完整的技术流程与方法。

本发明是通过下述技术方案得以实现的：

基于网格重建的海底地形地貌变化探测与分析方法，包括下列步骤：

步骤1：多时期系列的历史海底地形数字标准化

1.1）如果现有的历史海底地形地形图为电子版，直接转入步骤1.2)；

如果现有的历史海底地形地形图为纸质版，进行数字化，使用扫描仪扫描成电子版地形图，然后使用地理信息软件数字化该电子版地形图为矢量地形图；

1.2）标准化历史地形图：如果步骤1.1）中具有n个时期的历史海底地形图，则形成n个电子地形原始数据集合Raw＝{raw_i}_i＝1,n，n为自然数，每个时期的电子地形图raw_i均包含了坐标(x,y)、水深z与时间t等四维信息；检查各个时期的海底地形图的成图基本参数是否相同，所述的基本参数包括坐标系统、投影参数和基准面，如果上述任一参数不相同，则使用地理信息系统软件按照相同的坐标系统、投影参数和基准面参数将原始数据集合Raw＝{raw_i}_i＝1,n转换为标准化后的数据集合Proc＝{proc_i}_i＝1,n，转换后的每个时期的数字地形图proc_i均包含了坐标(x,y)、水深z与时间t等四维信息；

步骤2：构建多时期的DDTM

使用Kriging方法对所述的数据集合Proc＝{proc_i}_i＝1,n逐一进行网格化，形成n个时期的海底数字水深时间模型DDTM，DDTM＝{DDTM_i}_i＝1,n；

每个时期的

的网格参数，包括行数K、列数L、网格间距和范围，均相同，每个网格点包含了坐标(x,y)、水深z与时间t四维信息；

所述的Kriging插值计算公式为：

式中，为待插值点；dep(x_i)为已知深度点，由数据集Proc＝{proc_i}_i＝1,n离散为水深点所得；

为各已知深度点的权值系数，该系数可通过如下Kriging公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{j}y(x_i,x_j)-u=y(x_0,x_i)\\ \underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j=1\end{array}\right.i=\mathrm{1,2},...,n$

式中，y(x_i,x_j)为各已知深度点间的协方差；y(x₀,x_i)为待插值点与各已知点间的协方差；

步骤3：构建差值网格与时变网格

任选两个时期的DDTM，按照空间对应关系，逐个网格点进行差值运算并形成差值网格：ΔDDTM_i,j＝DDTM_i-DDTM_j，ΔDDTM_i,j的每个网格点均包含坐标(x,y)、水深差值Δz与时间差值Δt，网格范围及间距与参与运算的网格DDTM_i和DDTM_j完全相同；

将差值网格ΔDDTM_i,j的每个网格点的水深变化值Δz与时间变化值Δt逐一进行相除运算，获得时变海底网格

对于每个网格点δ_k,l＝Δz_k,l/Δt_k,l，当Δt_k,l＝0时为无效网格点；

基于差值网格ΔDDTM_i,j和地形时变网格Δddm_i,j绘制三维图形。

所述的基于网格重建的海底地形地貌变化探测与分析方法，进一步包括步骤4：构建时空变化地形剖面；

在DDTM内设计剖面L，分别在DDTM_i、DDTM_j、DDTM_i,j和ddm_i,j中提取并形成综合剖面L＝{dis_i,z1_i,z2_i,Δz_i,δ_i}_i＝1,m，dis_i、z1_i、z2_i、Δz_i和δ_i分别为距离剖面起点距离、DDTM_i和DDTM_j中的水深值、水深差值和水深变化率；

以距离dis_i为横轴，以水深z为纵轴绘制二维综合剖面。

本发明的有益效果

本发明实现了不同时期、多种来源历史地形的数字化与标准化，以及海底多维时空网格的重建，进而实现了海底地形地貌变化的定量分析与研究，给出了详细的技术流程与方法，在海洋测绘过程中，能有效利用多种来源数据，克服了近岸河口等地形高变区域的历史地形高效利用与统一标准对比问题，提升了历史数据质量和多种来源数据的综合利用效率，在海底监测、海洋测绘、计算机图形学与海底科学研究中具有非常重要的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

图2为本发明实施例中时期1历史地形重建图。

图3为本发明实施例中时期2历史地形重建图。

图4为本发明的实施例中时期1和2的地形变化图。

图5为本发明的实施例中时期1和2的地形变化速率图。

图6为本发明的实施例中时期1和2的地形剖面图。

图7为本发明的实施例中时期1和2的地形变化剖面图。

图8为本发明的实施例中时期1和2的地形变化速率剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

基于网格重建的近海海底地形地貌变化探测与分析方法，是按照下述步骤建立的：

完整的工作方法流程如图1所示。

步骤1：历史海底地形数字标准化

（1）数字化历史纸质地形图：如果现有的地形图（如海图）为纸介质地形图，可首先使用扫描仪扫描成电子版地形图，然后使用地理信息软件（如：ArcGIS或MapInfo等）数字化该电子版地形图为矢量地形图。对n个时期的海底地形图进行数字化，形成n个电子地形原始数据集合Raw＝{raw_i}_i＝1,n。

如果现有地形图为电子版，直接转入步骤1(2)。

（2）标准化历史地形图：检查各个时期的海底地形图的成图基本参数是否相同，包括坐标系统、投影参数和基准面等。如果这些参数不相同，使用地理信息系统软件按照相同的坐标系统、投影参数和基准面等参数转换原始数据集合Raw＝{raw_i}_i＝1,n为标准化后的数据集合Proc＝{proc_i}_i＝1,n。

步骤2：构建多时期的DDTM

使用Kriging方法对数据集合Proc＝{proc_i}_i＝1,n逐一进行网格化，形成n个时期的海底DDTM(Digital Depth Time Modal)，DDTM＝{DDTM_i}_i＝1,n。

每个时期的的网格参数均相同，包括行数K、列数L、网格间距和范围等均相同，每个网格点包含了坐标(x,y)、水深z与时间t等四维信息。

Kriging插值计算公式为：

式中，

为待插值点；dep(x_i)为已知深度点，由数据集Proc＝{proc_i}_i＝1,n离散为水深点所得；为各已知深度点的权值系数，该系数可通过Kriging公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{j}y(x_i,x_j)-u=y(x_0,x_i)\\ \underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j=1\end{array}\right.i=\mathrm{1,2},...,n$

式中，y(x_i,x_j)为各已知深度点间的协方差；y(x₀,x_i)为待插值点与各已知点间的协方差。

图2和图3为两个时期重建网格后绘制的海底地形图。

步骤3：构建差值网格与时变网格

任选两个时期的DDTM，按照空间对应关系，逐个网格点进行差值运算并形成差值网格：ΔDDTM_i,j＝DDTM_i-DDTM_j，ΔDDTM_i,j的每个网格点均包含坐标(x,y)、水深差值Δz与时间差值Δt，网格范围及间距与参与运算的网格DDTM_i和DDTM_j完全相同。

将差值网格ΔDDTM_i,j的每个网格点的水深变化值Δz与时间变化值Δt逐一进行相除运算，获得时变海底网格每个网格点δ_k,l＝Δz_k,l/Δt_k,l，当Δt_k,l＝0时为无效网格点。

基于差值网格ΔDDTM_i,j和地形时变网格Δddm_i,j绘制三维图形，以可视方式展示海底地形的时空变化特征。

图4为两个时期海底地形变化图。

图5为两个时期海底地形变化速率图。

步骤4：构建时空变化地形剖面

在网格范围内设计剖面L，分别在DDTM_i、DDTM_j、DDTM_i,j和ddm_i,j中提取并形成综合剖面L＝{dis_i,z1_i,z2_i,Δz_i,δ_i}_i＝1,m，dis_i、z1_i、z2_i、Δz_i和δ_i分别为距离剖面起点距离、DDTM_i和DDTM_j中的水深值、水深差值和水深变化率。

以距离dis_i为横轴，以水深z为纵轴绘制综合二维剖面，分别用不同线型或颜色示意不同时期的水深（如图6所示）、水深变化（如图7所示）及水深变化率（如图8所示）。通过该剖面可量化展示海底地形在剖面上的时空变化。

Claims (2)

1.一种基于网格重建的海底地形地貌变化探测与分析方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：多时期系列的历史海底地形数字标准化1.1）如果现有的历史海底地形地形图为电子版，直接转入步骤1.2)；

如果现有的历史海底地形地形图为纸质版，进行数字化，使用扫描仪扫描成电子版地形图，然后使用地理信息软件数字化该电子版地形图为矢量地形图；1.2）标准化历史地形图：如果步骤1.1）中具有n个时期的历史海底地形图，则形成n个电子地形原始数据集合Raw＝{raw_i}_i＝1,n，n为自然数，每个时期的电子地形图raw_i均包含了坐标(x,y)、水深z与时间t等四维信息；检查各个时期的海底地形图的成图基本参数是否相同，所述的基本参数包括坐标系统、投影参数和基准面，如果上述任一参数不相同，则使用地理信息系统软件按照相同的坐标系统、投影参数和基准面参数将原始数据集合Raw＝{raw_i}_i＝1,n转换为标准化后的数据集合Proc＝{proc_i}_i＝1,n，转换后的每个时期的数字地形图proc_i均包含了坐标(x,y)、水深z与时间t等四维信息；

步骤2：构建多时期的DDTM

使用插值方法对所述的数据集合Proc＝{proc_i}_i＝1,n逐一进行网格化，形成n个时期的海底数字水深时间模型DDTM集合，DDTM＝{DDTM_i}_i＝1,n；

每个时期的

的网格参数，包括行数K、列数L、网格间距和范围，均相同，每个网格点包含了坐标(x,y)、水深z与时间t四维信息；

所述的插值方法计算公式为：

式中，

为待插值点；dep(x_i)为已知深度点，由数据集Proc＝{proc_i}_i＝1,n离散为水深点所得；

为各已知深度点的权值系数，该系数可通过如下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{j}y(x_i,x_j)-u=y(x_0,x_i)\\ \underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j=1\end{array}\right.i=\mathrm{1,2},...,n$

式中，y(x_i,x_j)为各已知深度点间的协方差；y(x₀,x_i)为待插值点与各已知点间的协方差；

步骤3：构建差值网格与时变网格

任选两个时期的DDTM，按照空间对应关系，逐个网格点进行差值运算并形成差值网格：ΔDDTM_i,j＝DDTM_i-DDTM_j，ΔDDTM_i,j的每个网格点均包含坐标(x,y)、水深差值Δz与时间差值Δt，网格范围及间距与参与运算的网格DDTM_i和DDTM_j完全相同；

将差值网格ΔDDTM_i,j的每个网格点的水深变化值Δz与时间变化值Δt逐一进行相除运算，获得时变海底网格

对于每个网格点δ_k,l＝Δz_k,l/Δt_k,l，当Δt_k,l＝0时为无效网格点；

基于差值网格ΔDDTM_i,j和地形时变网格Δddm_i,j绘制三维图形。

2.根据权利要求1所述的基于网格重建的海底地形地貌变化探测与分析方法，其特征在于，进一步包括步骤4：构建时空变化地形剖面；

在DDTM内设计剖面L，分别在DDTM_i、DDTM_j、DDTM_i,j和ddm_i,j中提取并形成综合剖面L＝{dis_i,z1_i,z2_i,Δz_i,δ_i}_i＝1,m，dis_i、z1_i、z2_i、Δz_i和δ_i分别为距离剖面起点距离、DDTM_i和DDTM_j中的水深值、水深差值和水深变化率；

以距离dis_i为横轴，以水深z为纵轴绘制二维综合剖面。

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