CN104613945B - 一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的浅海大型复杂沙波区地形重构方法。本发明是利用浅海沙波地形在遥感图像中呈现的特征信息(沙波波纹和波脊)和沙波地形分布规律，对以间隔型测线方式获得的浅海大型复杂沙波区的多波束测深数据进行地形重构，从而获得完整的沙波地形信息。本发明针对广泛分布的浅海沙波地形区域的地形测绘需求，将遥感图像中的沙波纹理和沙波波脊线作为一个参考控制信息引入多波束测深数据地形重构中，并通过大型复杂沙波区的分区组合和重叠连续赋值处理，可实现浅海大型复杂沙波区的由间隔型测线方式获得的多波束测深数据的高精度地形重构，是遥感信息技术和多波束测深技术交叉应用方面的一项创新，具有极大的实用价值。

Description

一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法

技术领域

本发明属于遥感技术应用和海底地形测绘领域，具体是一种能够利用遥感图像中所含的沙波沙脊特征信息，如所希望那样对以间隔型测线方式获取的浅海大型复杂沙波区多波束测深数据进行有效地形重构的方法。

背景技术

海底地形测绘是探索和研究海洋的第一步，是开发和保护海洋的首要条件，也是现今海洋学研究的迫切需求。在回声测深仪发明之前，主要靠测深杆和测深锤来测量水深，测量精度较差。20世纪20年代回声测深仪出现之后，现代意义上海图的绘制才得以实现。但早期的测深仪为单波束发射，一次发射只能得到测量船正下方的水深，因而只能实现点、线测量，无法反映测线之间的地形地貌。1970年代中期出现的多波束测深技术实现了带状测量(最大宽度可达水深的7倍)，显著提高了测深效率。尽管如此，限于测量周期长、人力消耗大和资金需求高等方面的劣势，多波束测深仍然通常采用间隔型测线方式进行。获得的水深数据呈条带状分布，可用于大范围浅海地形地貌特征统计分析。而要构建全覆盖的浅海地形数字高程模型(DEM)须通过反距离权重法、Kriging插值法和样条插值法等空间数据插值方法等空间插值方法实现。但由于条带状多波束测深数据的不连续性，仅通过上述空间插值方法无法构建连续的浅海地在地形，因此仅依赖多波束测深方法仍然很难满足海底地形测绘需求。

已公开的发明专利(ZL201310043013.2)提出了一种基于遥感图像特征的浅海沙波区多波束测深地形重构方法，利用遥感技术方法的大范围覆盖和高频率重访的能力，基于遥感图像中所包含的因沙波地形对水动力调制而引起的灰度差异特征信息(亮暗条纹信息)，结合间隔型测线方式测量获取的多波束测深数据，解决了浅海沙波区的地形重构难题。但该发明方法仅对沙波形态简单且分布规律的小区域沙波区的地形重构能取得较好效果，而对复杂沙波区进行整体地形重构时，由于沙波形态各异、空间布局复杂，仍然无法满足高精度地形重构的要求。

本发明专门针对浅海大型复杂沙波区地形重构的需要，通过基于沙波信息的分区组合和重叠连续赋值处理，解决了浅海大型复杂沙波区地形重构的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供了一种新的浅海大型复杂沙波区地形重构方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法，其特征在于其包括以下步骤：

(1)获得多波束测深数据覆盖区域含有沙波信息的遥感图像，采用几何校正方法进行遥感图像定位配准，实现与多波束测深数据空间基本配准；

(2)根据遥感图像上沙波纹理分布特征，提取沙波波脊；

(3)根据提取的沙波波脊线的分布数值，确定工作区范围；

(4)评估多波束测深数据点的分布密度，在没有多波束测深数据分布的区域均匀生成一定数量的辅助点，生成工作区辅助点；

(5)在每一条沙波波脊线两端点分别绘制垂直于该沙波波脊线的辅助线，并延长至最近的其他沙波波脊线或工作区边界线；

(6)用全部沙波波脊线和辅助线将工作区分割成若干分区；

(7)对每一个分区进行子区划分，所有分区的子区划分大小保持一致；子区划分方法为：将每两条相邻的沙波波脊线之间的区域划分为若干个子区；

(8)辅助点水深估算赋值；

(9)将辅助点的水深值和多波束测深数据点水深值一起进行空间插值，获得工作区沙波地形数字高程模型，完成浅海沙波地形重构。

作为优选，上述一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法的步骤(3)中所述的工作区范围设置为矩形，矩形的四条边离沙波波脊线的最小距离在100m-200m之间，同时使得矩形的两条边尽可能平行于沙波波脊线走向，另两条边尽可能垂直于沙波波脊线走向。

作为优选，上述一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法的步骤(5)中所述的辅助线垂直于该沙波波脊线，然后分别向两侧延伸到最近的其他沙波波脊线或工作区边界线。

作为优选，上述一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法的步骤(8)中所述的辅助点水深估算赋值方法是：添加的每个辅助点为圆心、以多波束测线间距L为半径设置搜索范围；确定该辅助点所在的步骤(7)所划分的子区，将与该子区及全部相邻子区作为目标区域，搜索目标区域内的多波束测深数据点；采用反距离权重法确定该辅助点的水深值，即把搜索到的多波束测深数据点的水深值以距离平方的倒数为权重值叠加给该辅助点，叠加公式为：

$H=\frac{\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{h}_i}{\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i}$

其中H为该辅助点的估算水深，d_i为第i个多波束测深数据点到该辅助点的距离，h_i为第i个多波束测深数据点的水深值。

所述的一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法，其特征在于步骤(3)中根据沙波波脊线的分布情况，确定工作区范围。工作区范围通常设置为矩形，矩形的四条边离沙波波脊线的最小距离在100m-200m之间，同时使得矩形的两条边尽可能平行于沙波波脊线走向，另两条边尽可能垂直于沙波波脊线走向。

所述的一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法，其特征在于步骤(5)中在步骤(2)所提取的每一条沙波波脊线两个端点处分别绘制辅助线，使得辅助线垂直于该沙波波脊线。然后分别向两侧延伸到最近其他沙波波脊线或工作区边界线。

所述的一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法，其特征在于步骤(6)中由全部沙波波脊线和辅助线作为分割线将工作区分割为若干分区。

所述的一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法，其特征在于步骤(8)中以步骤(4)中添加的每个辅助点为圆心、以多波束测线间距L为半径设置搜索范围。确定该辅助点所在的步骤(7)所划分的子区，将与该子区及全部相邻子区作为目标区域，搜索目标区域内的多波束测深数据点。采用反距离权重法确定该辅助点的水深值，即把搜索到的多波束测深数据点的水深值以距离平方的倒数为权重值叠加给该辅助点，叠加公式为：

$H=\frac{\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{h}_i}{\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i}$

其中H为该辅助点的估算水深，d_i为第i个多波束测深数据点到该辅助点的距离，h_i为第i个多波束测深数据点的水深值。

具体来说，广泛分布的浅海沙波地形能在遥感图像上成像，呈现为清晰的亮暗条幅间或分布的沙波纹理信息。其原理是：浅海沙波区起伏的地形通过水动力作用调制了海表流场，被调制后的海表流场通过波-流相互作用改变了表面波的密度谱，表面波密度谱的改变导致海面粗糙度的改变，海面粗糙度的改变引起海-气界面太阳耀光散射强度的改变，从而在遥感图像上呈现亮暗条纹间或分布的沙波波纹信息，据此可获得沙波波脊线。而沙波地形作为浅海区域进过长期水动力过程作用形成的自然地貌形态，呈现波浪形连续分布，并在沙波波脊线两侧的水深呈单调变化趋势。上述的遥感图像的沙波波纹和波脊线等特征信息和沙波地形分布规律，可用于约束浅海沙波区多波束测深地形重构处理。

本发明利用浅海沙波地形在遥感图像中呈现的特征信息(沙波波纹和波脊)和沙波地形分布规律，通过对大型复杂沙波区的沙波进行分区组合、重叠连续赋值，对以间隔型测线方式获得的多波束测深数据进行地形重构，从而获得大型复杂沙波区的完整地形信息。

本发明的有益效果是：

多波束测深已成为当前浅海水深测量的主要手段。但受测量周期、人力消耗和资金的限制，通常无法采用全覆盖扫描，间隔型测线是大范围水深测量的主要工作方式。而由此种方式获得的多波束测深数据无法实现地形的有效重构。本发明针对广泛分布的浅海沙波地形区域的地形测绘需求，将遥感图像中的沙波纹理和沙波波脊线作为一个参考控制信息引入多波束测深数据地形重构中，并通过复杂沙波区的分区组合和重叠连续赋值处理，可实现浅海大型复杂沙波区的由间隔型测线方式获得的多波束测深数据的高精度地形重构，是遥感信息技术和多波束测深技术交叉应用方面的一项创新，具有极大的实用价值。

附图说明

图1是浅海大型复杂沙波区地形重构方法的技术路线图；

图2是典型沙波的遥感图像灰度剖面线；

图3是根据遥感图像获得的沙波波脊线；

图4是分区划分示意图；

图5是辅助点水深值估算示意图；

图6是应用实例的沙波波脊线和多波束数据区域示意图；

图7是应用实例的沙波地形重构结果示意图(等深线分布图)。

具体实施方式

下面对本发明的实施作具体说明：

实施例1

根据本发明的浅海大型复杂沙波区地形重构方法进行实验，如图1所示，具体包括如下步骤：

(1)采用发明专利方法(ZL201310043013.2)中第1步的方法，获得多波束测深数据覆盖区域含有沙波信息的遥感图像，采用几何校正方法进行遥感图像定位配准，实现与多波束测深数据空间基本配准：

选取研究区具有较高分辨率的遥感图像，检查图像沙波纹理信息的清晰度和完整性。在提取沙波波脊线信息之前进行遥感图像与多波束测深数据之间的空间配准。图像配准采用地面控制点同名点方式，即在遥感图像上的陆地区域选择一定数量的相同地物点，建立控制方程。地面控制点法回避传感器成像时的实际几何状态，直接对遥感图像进行几何校正，该方法的校正精度依赖于地面控制点精度。典型的地面控制点校正法是多项式校正，将遥感图像的总体变形看作是平移、缩放、旋转、偏扭以及更高次的基本变形综合作用结果，校正前后图像相应点之间坐标关系可以用一个适当的多项式来表达。遥感图像几何校正完成后，可将遥感图像与多波束测深数据进行空间叠置分析评估，确保两者空间位置基本一致。

(2)采用发明专利方法(ZL201310043013.2)中第2步的方法，根据遥感图像上沙波纹理分布特征，提取沙波波脊：

考察遥感图像上沙波纹理分布特征，沙波区通常呈现亮暗条纹间隔分布。根据沙波地形遥感成像机理，亮暗条纹相接处为沙波波脊线的位置。图2显示了遥感图像中垂直于沙波波脊线的灰度坡面线，并标注了沙波波脊线的位置。据此可采用人机交互方法绘制相应的沙波波脊线。图3显示了根据遥感图像获得的沙波波脊线示意图。

(3)根据提取的沙波波脊线的分布情况，确定工作区范围：

根据步骤(2)提取沙波波脊线分布情况，确定工作区范围。工作区范围通常设置为矩形，矩形的四条边离沙波波脊线的最小距离在100m-200m之间，同时使得矩形的两条边尽可能平行于沙波波脊线走向，另两条边尽可能垂直于沙波波脊线走向。工作区范围示意图如图3所示。

(4)采用发明专利方法(ZL201310043013.2)中第3步的方法，生成工作区辅助点：

将多波束测深数据和沙波波脊线叠加显示，对工作区域内中无多波束测深数据的区域，补充一定数量的辅助点。辅助点的分布密度与多波束测深数据的分布密度基本一致。辅助点的位置确定方法，采用均匀分布法生成：首先以多波束测深数据的间隔大小(r)为网格大小建立覆盖工作区域的网格，将网格中心点作为辅助点的位置。将与已有多波束测深数据点的距离小于(r)的辅助点删除，剩下的即为所需的辅助点。

(5)在每一条沙波波脊线两端点分别绘制垂直于该沙波波脊线的辅助线，并延长至最近的其他沙波波脊线或工作区边界线：

在每一条沙波波脊线两个端点处分别绘制辅助线，使得辅助线垂直于该沙波波脊线，并向两侧延长至最近的其他沙波波脊线或工作区边界线。如图4所示。

(6)用全部沙波波脊线和辅助线将工作区分割成若干分区：

将全部沙波波脊线和辅助线作为分割线将工作区分割为若干分区，其中一个分区如图4中的竖线填充区所示。

(7)对每一个分区进行子区划分，所有分区的子区划分大小保持一致，子区划分方法采用发明专利方法(ZL201310043013.2)中第4步的方法：

对每一个分区(如图4中的竖线填充分区)进行子区划分。由于沙波地形的水深在沙波波脊垂直方向上变化较大，而沿波脊线方向变化较小，因此以平行于沙波波脊线的方向将相邻两条沙波波脊线之间的区域划分为若干子区，这样子区内具有较为接近的水深值和变化趋势。子区划分采用欧几里德距离均分法。操作步骤如下：1)首先在基本垂直于沙波波脊线的方向上，均匀设置一定数量的直线(辅助线)，辅助线的间距设为多波束测深点间隔(r)的5-10倍。2)根据辅助线与沙波波脊线的交叉点，计算中心点位置，将所有辅助线上的中心点连起来就得到第一次划分的划分线，实现将沙波波脊线之间的区域划分为两个子区。3)继续用2)中所述的方法得到第一次划分线与沙波波脊线之间的划分线，依次划分，直到满足子区划分的要求。

(8)辅助点水深估算赋值。

以每个辅助点为圆心、以多波束测线间距L为半径设置搜索范围。确定该辅助点所在的步骤(7)所划分的子区，将与该子区及全部相邻子区作为目标区域，搜索目标区域内的多波束测深数据点，如图5所示。采用反距离权重法确定该辅助点的水深值，即把搜索到的多波束测深数据点的水深值以距离平方的倒数为权重值叠加给该辅助点，叠加公式为：

$H=\frac{\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i{h}_i}{\underset{i-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i}$

其中H为该辅助点的估算水深，d_i为第i个多波束测深数据点到该辅助点的距离，h_i为第i个多波束测深数据点的水深值。

(9)采用发明专利(ZL201310043013.2)方法中第6步的方法，将辅助点的水深值和多波束测深数据点水深值一起进行空间插值，获得工作区沙波地形数字高程模型，完成浅海沙波地形重构：

完成每一个辅助点的水深估算后，将其与工作区内的多波束测深数据一起进行水深数据空间插值计算，构建连续的栅格化浅海地形数字高程模型(DEM)。空间插值方法可以采用反距离权重法或Kriging空间插值法。

实验结果如图6和图7所示，图5显示了沙波波脊线和多波束测深数据分布图，图7显示了重构地形的等深线示意图。从图7可以看出，用本发明的方法得到的重构地形能完整表达沙波区地形，取得了较好的地形重构效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法，其特征在于其包括以下步骤：

(1)获得多波束测深数据覆盖区域含有沙波信息的遥感图像，采用几何校正方法进行遥感图像定位配准，实现与多波束测深数据空间基本配准；

(2)根据遥感图像上沙波纹理分布特征，提取沙波波脊；

(3)根据提取的沙波波脊线的分布数值，确定工作区范围；所述的工作区范围设置为矩形，矩形的四条边离沙波波脊线的最小距离在100m-200m之间，同时使得矩形的两条边尽可能平行于沙波波脊线走向，另两条边尽可能垂直于沙波波脊线走向；

(4)评估多波束测深数据点的分布密度，在没有多波束测深数据分布的区域均匀生成一定数量的辅助点，生成工作区辅助点；

(5)在每一条沙波波脊线两端点分别绘制垂直于该沙波波脊线的辅助线，并延长至最近的其他沙波波脊线或工作区边界线；所述的辅助线垂直于该沙波波脊线，然后分别向两侧延伸到最近的其他沙波波脊线或工作区边界线；

(6)用全部沙波波脊线和辅助线将工作区分割成若干分区；

(7)对每一个分区进行子区划分，所有分区的子区划分大小保持一致；子区划分方法为：将每两条相邻的沙波波脊线之间的区域划分为若干个子区；

(8)辅助点水深估算赋值；

(9)将辅助点的水深值和多波束测深数据点水深值一起进行空间插值，获得工作区沙波地形数字高程模型，完成浅海沙波地形重构。

2.如权利要求1所述的一种浅海大型复杂沙波区地形重构方法，其特征在于步骤(8)中所述的辅助点水深估算赋值方法是：添加的每个辅助点为圆心、以多波束测线间距L为半径设置搜索范围；确定该辅助点所在的步骤(7)所划分的子区，将与该子区及全部相邻子区作为目标区域，搜索目标区域内的多波束测深数据点；采用反距离权重法确定该辅助点的水深值，即把搜索到的多波束测深数据点的水深值以距离平方的倒数为权重值叠加给该辅助点，叠加公式为：

$H=\frac{\underset{i-1}{\overset{N}{\Σ}}{W}_i{h}_i}{\underset{i-1}{\overset{N}{\Σ}}{W}_i}$

其中H为该辅助点的估算水深，d_i为第i个多波束测深数据点到该辅助点的距离，h_i为第i个多波束测深数据点的水深值。