CN110941688A - 一种基于多波束离散数据的航迹处理及空间化管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋地理信息技术领域，主要是基于多波束离散地形数据提取中央航迹，进行离散数据空间化查看和查询，方便离散数据检索与管理，尤其是一种基于多波束离散数据的航迹处理及空间化管理方法，包括如下步骤：⑴Python模块加载；⑵加载数据；⑶中央航迹计算；⑷数据矢量化；⑸矢量数据信息完善；⑹数据保存与导出；采用上述步骤可弥补现有技术的空白，以Python数据处理和空间化管理为目的，结合海底地形数据的特点，首次在GIS平台上实现了自动化离散数据航迹提取和空间矢量化的工作。节省了人力物力，解决了大量离散数据的查看和管理不便的难题。
Description
技术领域
本发明属于海洋地理信息技术领域，主要是基于多波束离散地形数据提取中央航迹，进行离散数据空间化查看和查询，方便离散数据检索与管理，尤其是一种基于多波束离散数据的航迹处理及空间化管理方法。
背景技术
海底地形离散数据空间化管理可以直观反映数据的分布情况。不同于栅格地形数据的覆盖面，离散地形数据可以直观反映数据的调查路线和分布情况，通过查看元数据实现离散地形数据的定位和查找。
传统的地形调查航迹是通过多波束采集处理软件对原始数据进行解析、处理、导出航迹数据，此过程需要的条件较为苛刻，且针对的主要是原始数据，离散数据不能处理。或者通过调查航次的GPS信息作为航迹，但这样不方便对单一的测线进行查找，只能适用于整个航次，而对于中途未调查或关机没有采集地形数据的地方，会带来错误判断。基于离散成果数据提取航迹线，不仅减弱了商业软件、参数条件等条件的限制，还能实现单一文件的管理，对数据覆盖情况表达更加清晰准确。相比于离散数据需要含有ping号和beams号，本方法提高了离散地形数据处理的适用性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的空白，提出基于离散数据提取测线航迹，实现数据的空间化管理方法。
本发明采取的技术方案是：
一种基于多波束离散数据的航迹处理及空间化管理方法，其特征在于包括步骤如下：
⑴Python模块加载：针对离散数据特点，加载python的os、numpy、arcpy模块，为数据聚合与矢量化提供支持；os模块用于与操作系统间的交互操作；Numpy用于离散数据读取、计算和写入；arcpy模块用于数据的矢量化工作；
⑵加载数据：加载的数据类型为原始多波束数据输出的xyz离散地形数据，数据格式为经度、纬度和水深；离散地形数据按照多波束采集时每ping顺序导出，数据格式保留原始样式；为实现数据批量自动化处理，分为加载文件夹和文件两种形式，os.path.isfile()判定路径为文件用于处理整个区块的离散数据、os.path.isdir()判定路径为文件夹，用于处理多个离散数据；
⑶中央航迹计算：根据多波束型号、每ping的波束数和后期数据处理的原因，可设置为2倍的波束数，计算中央经纬度的中值；
⑷数据矢量化：根据计算出来的近似中央航迹点，进行数据的空间化；
①创建XY事件图层：arcpy.MakeXYEvent_management()，将中央航迹坐标xy进行显示，即数据点集；
②点集转线：arcpy.PointsToLine_management()，将空间点集转成矢量线文件；
③数据平滑处理：arcpy.SmoothLine_cartography()，对矢量线文件进行平滑处理；
⑸矢量数据信息完善：为新建的属性字段添加属性值，属性值为矢量文件的名称或处理文件的名称，或者与调查航次元数据进行关联处理；
①添加新字段，并命名：arcpy.AddField_management()，为矢量线文件添加新字段，并统一命名为“Name”，类型为“Text”字符，字符长度默认；
②字段赋值：arcpy.CalculateField_management()，为新建字段赋值，其结果为矢量线的文件名；
③矢量数据合并：若以文件夹形式对多个离散数据进行矢量化，后期需要对一系列矢量线进行合并，通过arcpy.Merge_management()将文件夹下的矢量线文件合并为一个矢量线文件；
④航次元数据添加：若有建立调查任务的excel元数据信息文件，添加一列和矢量线文件同名的属性值，通过arcpy.AddJoin_management()将矢量线文件与元数据信息进行连接；
⑹数据保存与导出：为图层或者工程文件添加数据的描述信息，再使用arcpy.PackageLayer_management()或arcpy.PackageMap_management()对数据进行打包处理，获得完整的数据和符号化信息。
进一步的，所述步骤(3)中央航迹计算，即获取离散数据中央航迹和数据的矢量化，包括如下具体步骤：
①离散数据分组：使用python的numpy模块，对离散地形数据按照调查设备采集波束数进行分组依据，每波束数个水深点分为一组；每组数据均为二维矩阵；默认波束数设置为800,约合2Ping；
②计算每组数坐标中值：中值受坐标异常点影响较小，因此利用每组数据的经纬度坐标计算数据的经度中值和纬度中值np.median()，得到近似中央波束的经纬度坐标。
进一步的，所述步骤(4)数据矢量化，即近似中央波束航迹数据批量自动矢量化处理，包括如下具体步骤：
①数据点矢量化：通过arcpy模块的数据管理函数对数据点进行基于坐标的可视化展示，arcpy.MakeXYEvent_management()；
②点集转线：通过arcpy.PointstoLine_management()，将中央航迹点根据点的先后顺序转换为矢量线文件，收尾部闭合；
④矢量线平滑：通过arcpy.SmoothLine_cartography()对矢量线进行平滑处理，提高数据可视化展示效果，提高数据后期运算速度，降低存储空间。
进一步的，所述步骤(5)矢量数据信息完善，即为矢量文件批量自动添加属性和属性值，包括如下具体步骤：
①通过arcpy.AddField_management()建立新的属性字段，以文本格式为其赋值为“Name”；
②新字段赋值：通过arcpy.CalculateField_management()，将文件名赋值到新建的属性字段；
③矢量文件合并：通过arcpy.Merge_management()，将多波束导出的每条测线的离散数据的矢量线文件合并到一个矢量文件中，实现数据的直观空间展示，便于存储携带；
④完善数据信息：针对航次离散数据，若有相关文件或调查任务的元数据信息，建立元数据的excel格式文件，通过arcpy.AddJoin_management()为矢量线添加对应的属性信息。
进一步的，所述步骤(6)数据保存与导出中，所述导出图层文件为保留了环境信息的lpk、mpk文件包，为图层或者工程文件添加数据的描述信息；图层包(PackageLayer)将单个图层文件进行打包处理，保存文件数据和符号化信息；地图包(PackageMap)将工程文件内所有文件打包到一个mpk文件内，保留所有加载的数据，并保留配置好的符号信息。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明中，加载os、numpy、arcpy模块，其中os模块用于与操作系统间进行交互操作；Numpy用于离散数据读取、计算和写入；arcpy模块用于数据的矢量化工作。
2、本发明中，加载离散地形数据，与现有技术所用的格栅数据相比，其数据格式保留了原始样式，可提供相应的中央航迹，另外，为实现数据的批量化自动处理，其采用加载文件夹和文件两种形式来实现不同区块和数量的离散数据。
3、本发明中，采用2倍的波束数，对多波束型号、每ping的波束数和后期数据进行处理，并计算中央经纬度的中值，可有效防止数值设置过大或过小，避免引起中央航迹点的过大偏移。
4、本发明中，根据计算出来的近似中央航迹点进行数据的空间化，首先创建数据点集，之后将数据点集转换成为矢量线文件，最后进行平滑处理，可降低线文件曲折频率，提高可视化效果，减少存储空间。
5、本发明中，对于矢量数据信息进行完善，首先添加新字段并对字段进行赋值，之后将矢量数据合并形成矢量线文件，实现数据的直观空间展示，便于存储携带；最后将矢量线文件与元数据信息进行连接添加对应的属性信息。
6、本发明中，对于相应数据进行保存与导出，有利于获得完整的数据和符号化信息。
7、本发明的意义在于，以Python数据处理和空间化管理为目的，结合海底地形数据的特点，首次在GIS平台上实现了自动化离散数据航迹提取和空间矢量化的工作。节省了人力物力，解决了大量离散数据的查看和管理不便的难题。
附图说明
图1是本发明中离散数据航迹空间化管理的流程图；
图2是本发明中离散海底数据航迹提取和GPS数据对比制作的实例成果图；
图3是本发明中离散海底数据航迹提取和多波束导航数据对制作的实例成果图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
一种基于多波束离散数据的航迹处理及空间化管理方法，其特征在于包括步骤如下：
⑴Python模块加载：针对离散数据特点，加载python的os、numpy、arcpy模块，为数据聚合与矢量化提供支持；os模块用于与操作系统间的交互操作；Numpy用于离散数据读取、计算和写入；arcpy模块用于数据的矢量化工作。
⑵加载数据：加载的数据类型为原始多波束数据输出的xyz离散地形数据，数据格式为经度、纬度和水深；离散地形数据按照多波束采集时每ping顺序导出，数据格式保留原始样式；为实现数据批量自动化处理，分为加载文件夹和文件两种形式，os.path.isfile()判定路径为文件用于处理整个区块的离散数据、os.path.isdir()判定路径为文件夹，用于处理多个离散数据；
⑶中央航迹计算：根据多波束型号、每ping的波束数和后期数据处理的原因，可设置为2倍的波束数，计算中央经纬度的中值；
本实施例中，所述步骤(3)中央航迹计算，即获取离散数据中央航迹和数据的矢量化，包括如下具体步骤：
①离散数据分组：使用python的numpy模块，对离散地形数据按照调查设备采集波束数进行分组依据，每波束数个水深点分为一组；每组数据均为二维矩阵；默认波束数设置为800,约合2Ping；
②计算每组数坐标中值：中值受坐标异常点影响较小，因此利用每组数据的经纬度坐标计算数据的经度中值和纬度中值np.median()，得到近似中央波束的经纬度坐标。
⑷数据矢量化：根据计算出来的近似中央航迹点，进行数据的空间化；
①创建XY事件图层：arcpy.MakeXYEvent_management()，将中央航迹坐标xy进行显示，即数据点集；
②点集转线：arcpy.PointsToLine_management()，将空间点集转成矢量线文件；
③数据平滑处理：arcpy.SmoothLine_cartography()，对矢量线文件进行平滑处理；
本实施例中，所述步骤(4)数据矢量化，即近似中央波束航迹数据批量自动矢量化处理，包括如下具体步骤：
①数据点矢量化：通过arcpy模块的数据管理函数对数据点进行基于坐标的可视化展示，arcpy.MakeXYEvent_management()；
②点集转线：通过arcpy.PointstoLine_management()，将中央航迹点根据点的先后顺序转换为矢量线文件，收尾部闭合；
④矢量线平滑：通过arcpy.SmoothLine_cartography()对矢量线进行平滑处理，提高数据可视化展示效果，提高数据后期运算速度，降低存储空间。
⑸矢量数据信息完善：为新建的属性字段添加属性值，属性值为矢量文件的名称或处理文件的名称，或者与调查航次元数据进行关联处理；
①添加新字段，并命名：arcpy.AddField_management()，为矢量线文件添加新字段，并统一命名为“Name”，类型为“Text”字符，字符长度默认；
②字段赋值：arcpy.CalculateField_management()，为新建字段赋值，其结果为矢量线的文件名；
③矢量数据合并：若以文件夹形式对多个离散数据进行矢量化，后期需要对一系列矢量线进行合并，通过arcpy.Merge_management()将文件夹下的矢量线文件合并为一个矢量线文件；
④航次元数据添加：若有建立调查任务的excel元数据信息文件，添加一列和矢量线文件同名的属性值，通过arcpy.AddJoin_management()将矢量线文件与元数据信息进行连接；
本实施例中，所述步骤(5)矢量数据信息完善，即为矢量文件批量自动添加属性和属性值，包括如下具体步骤：
①通过arcpy.AddField_management()建立新的属性字段，以文本格式为其赋值为“Name”；
②新字段赋值：通过arcpy.CalculateField_management()，将文件名赋值到新建的属性字段；
③矢量文件合并：通过arcpy.Merge_management()，将多波束导出的每条测线的离散数据的矢量线文件合并到一个矢量文件中，实现数据的直观空间展示，便于存储携带；
④完善数据信息：针对航次离散数据，若有相关文件或调查任务的元数据信息，建立元数据的excel格式文件，通过arcpy.AddJoin_management()为矢量线添加对应的属性信息。
⑹数据保存与导出：为图层或者工程文件添加数据的描述信息，再使用arcpy.PackageLayer_management()或arcpy.PackageMap_management()对数据进行打包处理，获得完整的数据和符号化信息。
本实施例中，所述步骤(6)数据保存与导出中，所述导出图层文件为保留了环境信息的lpk、mpk文件包，为图层或者工程文件添加数据的描述信息；图层包(PackageLayer)将单个图层文件进行打包处理，保存文件数据和符号化信息；地图包(PackageMap)将工程文件内所有文件打包到一个mpk文件内，保留所有加载的数据，并保留配置好的符号信息。
本发明的工作过程是：
本发明使用时，按照如图1所示的步骤：
⑴Python模块加载：针对离散数据特点，加载python的os、numpy、arcpy模块，为数据聚合与矢量化提供支持；os模块用于与操作系统间的交互操作；Numpy用于离散数据读取、计算和写入；arcpy模块用于数据的矢量化工作。
⑵加载数据：加载的数据类型为原始多波束数据输出的xyz离散地形数据，数据格式为经度、纬度和水深；离散地形数据按照多波束采集时每ping顺序导出，数据格式保留原始样式；为实现数据批量自动化处理，分为加载文件夹和文件两种形式，os.path.isfile()判定路径为文件用于处理整个区块的离散数据、os.path.isdir()判定路径为文件夹，用于处理多个离散数据；
⑶中央航迹计算：根据多波束型号、每ping的波束数和后期数据处理的原因，可设置为2倍的波束数，计算中央经纬度的中值；
本实施例中，所述步骤(3)中央航迹计算，即获取离散数据中央航迹和数据的矢量化，包括如下具体步骤：
①离散数据分组：使用python的numpy模块，对离散地形数据按照调查设备采集波束数进行分组依据，每波束数个水深点分为一组；每组数据均为二维矩阵；默认波束数设置为800,约合2Ping；
②计算每组数坐标中值：中值受坐标异常点影响较小，因此利用每组数据的经纬度坐标计算数据的经度中值和纬度中值np.median()，得到近似中央波束的经纬度坐标。
⑷数据矢量化：根据计算出来的近似中央航迹点，进行数据的空间化；
①创建XY事件图层：arcpy.MakeXYEvent_management(文件,经度，纬度，点集文件名)，经纬度为十进制度格式，指定经纬度所在列的头文件，将中央航迹坐标xy进行显示，即数据点集；
②点集转线：line＝arcpy.PointsToLine_management(点集文件名，线文件名)，将点集转成矢量线文件；
③数据平滑处理：arcpy.SmoothLine_cartography(线文件，导出线文件，平滑算法，容差)，对矢量线文件进行平滑处理，降低线文件曲折频率，提高可视化效果，减少存储空间。主要的平滑算法有PEAK(Polynomial Approximation with Exponential Kernel)，该算法需要指定容差，其单位为输入数据的线性单位，可根据实际水深进行设置，本例以十进制度为长度单位，水深大于3000m容差设置为0.01约1000m。本实施例中，还可采用另一种算法，即Beizier_Interpolation，但该算法不需要指定容差，只是将折点处进行圆滑，因此效果一般。
⑸矢量数据信息完善：为新建的属性字段添加属性值，属性值为矢量文件的名称或处理文件的名称，或者与调查航次元数据进行关联处理；
①添加新字段，并命名：arcpy.AddField_management(线文件，字段名，字段类型)，为矢量线文件添加新字段，并统一命名为“Name”，类型为“Text”字符，字符长度默认。
②为新建的字段赋值：arcpy.CalculateField_management(文件，字段，属性值表达式，表达式类型)，使用python表达式对新字段进行赋值，“！字段名！.replace(原属性值,新属性值)”，表达式类型主要有三种VB、PYTHON和PYTHON9.3。
③矢量数据合并：arcpy.Merge_management(线文件列表，输出文件名)，将多个矢量线文件合并为一个shapefile文件，自定义shapefile名，实现按照任务名的调查。
④添加元数据信息：将调查任务的元数据信息建立excel文件，添加一列和矢量线文件同名的属性值，通过arcpy.AddJoin_management(线文件，字段，excel文件，字段)，完善矢量数据的属性信息。
⑹数据保存与导出：为图层或者工程文件添加数据的描述信息，再使用arcpy.PackageLayer_management(图层，存储文件名，{version＝版本号})或arcpy.PackageMap_management(工程名.mxd，存储文件名)，获得完整的数据和符号化信息，方便数据迁移查看。
Claims (5)
1.一种基于多波束离散数据的航迹处理及空间化管理方法，其特征在于：
包括步骤如下：
⑴Python模块加载：针对离散数据特点，加载python的os、numpy、arcpy模块，为数据聚合与矢量化提供支持；os模块用于与操作系统间的交互操作；Numpy用于离散数据读取、计算和写入；arcpy模块用于数据的矢量化工作；
⑵加载数据：加载的数据类型为原始多波束数据输出的xyz离散地形数据，数据格式为经度、纬度和水深；离散地形数据按照多波束采集时每ping顺序导出，数据格式保留原始样式；为实现数据批量自动化处理，分为加载文件夹和文件两种形式，os.path.isfile()判定路径为文件用于处理整个区块的离散数据、os.path.isdir()判定路径为文件夹，用于处理多个离散数据；
⑶中央航迹计算：根据多波束型号、每ping的波束数和后期数据处理的原因，可设置为2倍的波束数，计算中央经纬度的中值；
⑷数据矢量化：根据计算出来的近似中央航迹点，进行数据的空间化；
①创建XY事件图层：arcpy.MakeXYEvent_management()，将中央航迹坐标xy进行显示，即数据点集；
②点集转线：arcpy.PointsToLine_management()，将空间点集转成矢量线文件；
③数据平滑处理：arcpy.SmoothLine_cartography()，对矢量线文件进行平滑处理；
⑸矢量数据信息完善：为新建的属性字段添加属性值，属性值为矢量文件的名称或处理文件的名称，或者与调查航次元数据进行关联处理；
①添加新字段，并命名：arcpy.AddField_management()，为矢量线文件添加新字段，并统一命名为“Name”，类型为“Text”字符，字符长度默认；
②字段赋值：arcpy.CalculateField_management()，为新建字段赋值，其结果为矢量线的文件名；
③矢量数据合并：若以文件夹形式对多个离散数据进行矢量化，后期需要对一系列矢量线进行合并，通过arcpy.Merge_management()将文件夹下的矢量线文件合并为一个矢量线文件；
④航次元数据添加：若有建立调查任务的excel元数据信息文件，添加一列和矢量线文件同名的属性值，通过arcpy.AddJoin_management()将矢量线文件与元数据信息进行连接；
⑹数据保存与导出：为图层或者工程文件添加数据的描述信息，再使用arcpy.PackageLayer_management()或arcpy.PackageMap_management()对数据进行打包处理，获得完整的数据和符号化信息。
2.根据权利要求1所述的基于离散地形数据的航迹空间化管理方法，其特征在于：
所述步骤(3)中央航迹计算，即获取离散数据中央航迹和数据的矢量化，包括如下具体步骤：
①离散数据分组：使用python的numpy模块，对离散地形数据按照调查设备采集波束数进行分组依据，每波束数个水深点分为一组；每组数据均为二维矩阵；默认波束数设置为800,约合2Ping；
②计算每组数坐标中值：中值受坐标异常点影响较小，因此利用每组数据的经纬度坐标计算数据的经度中值和纬度中值np.median()，得到近似中央波束的经纬度坐标。
3.根据权利要求1所述的基于离散地形数据的航迹空间化管理方法，其特征在于：
所述步骤(4)数据矢量化，即近似中央波束航迹数据批量自动矢量化处理，包括如下具体步骤：
①数据点矢量化：通过arcpy模块的数据管理函数对数据点进行基于坐标的可视化展示，arcpy.MakeXYEvent_management()；
②点集转线：通过arcpy.PointstoLine_management()，将中央航迹点根据点的先后顺序转换为矢量线文件，收尾部闭合；
④矢量线平滑：通过arcpy.SmoothLine_cartography()对矢量线进行平滑处理，提高数据可视化展示效果，提高数据后期运算速度，降低存储空间。
4.根据权利要求1所述的基于离散地形数据的航迹空间化管理方法，其特征在于：
所述步骤(5)矢量数据信息完善，即为矢量文件批量自动添加属性和属性值，包括如下具体步骤：
①通过arcpy.AddField_management()建立新的属性字段，以文本格式为其赋值为“Name”；
②新字段赋值：通过arcpy.CalculateField_management()，将文件名赋值到新建的属性字段；
③矢量文件合并：通过arcpy.Merge_management()，将多波束导出的每条测线的离散数据的矢量线文件合并到一个矢量文件中，实现数据的直观空间展示，便于存储携带；
④完善数据信息：针对航次离散数据，若有相关文件或调查任务的元数据信息，建立元数据的excel格式文件，通过arcpy.AddJoin_management()为矢量线添加对应的属性信息。
5.根据权利要求1所述的基于离散地形数据的航迹空间化管理方法，其特征在于：
所述步骤(6)数据保存与导出中，所述导出图层文件为保留了环境信息的lpk、mpk文件包，为图层或者工程文件添加数据的描述信息；图层包(PackageLayer)将单个图层文件进行打包处理，保存文件数据和符号化信息；地图包(PackageMap)将工程文件内所有文件打包到一个mpk文件内，保留所有加载的数据，并保留配置好的符号信息。
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- 2019-10-29 CN CN201911036190.1A patent/CN110941688B/zh not_active Expired - Fee Related
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