CN112035429B - 一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，包括如下步骤：①水深数据标准化；②构建海底地形模型；③计算标准离散水深数据采样点间距，依据计算结果设置网格间距并输出；④依据绘制图幅幅面大小与数据分布范围计算系列水深图比例尺；⑤依据水深图比例尺，采用邻域统计法设置邻域范围构建新尺度下的网格数据；⑥以新尺度下的网格数据为基础，依据国家系列比例尺水深图编绘标准，提取不同间隔海底地形等深线；⑦判断等深线细节信息是否完整真实的反映基础网格地形特征；⑧碎片等深线剔除。该方法能依据系列制图比例提取等深线要素、减少人工交互操作、提高等深线生产效率且提取结果能够在相应比例尺下真实反映海底地形状况。

Description

一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法
技术领域
本发明属于海底地形研究领域，特别涉及一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法。
背景技术
海底地形图作为海洋研究的基础一直备受关注。《海底地形图编绘规范(GB/T17834-1999)》释义海底地形图为用等深线表示海底起伏状况且详细表示海底底质、礁石、海底管线等人工地物和其他基本地理要素的海图。等深线是海底地形图的必要要素。
以多波束和单波束为代表的主要的水深测量手段以较为密集的点云数据来表现地形。密集的点云数据在内插等深线时存在许多冗余的计算过程，还会导致生成的等深线在小范围区域内的连续抖动，无法满足等深线对平滑的要求，造成了数据冗余。在海底平坦地区还会造成自动勾绘的等深线线形破碎等问题，而解决这种问题的一般做法是采取人工目视判别水深变化趋势并手动提取等深线的方式，虽然这种方式可以有效解决等深线破碎等问题，但会因为加入大量人工操作导致效率大大降低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，而提供一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，该方法能依据系列制图比例提取等深线要素、减少人工交互操作、提高等深线生产效率且提取结果能够在相应比例尺下真实反映海底地形状况。
如上构思，本发明的技术方案是：一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，其特征在于：包括如下步骤：
①水深数据标准化：以离散水深数据为基础，提取构建海底地形模型所需的有效信息并输出为水深数据标准格式；
②构建海底地形模型：以标准离散水深数据为基础，采用克里金法构建海底地形模型；
③基础网格数据输出：计算标准离散水深数据采样点间距，依据计算结果设置网格间距并输出；
④水深图比例尺计算：依据绘制图幅幅面大小与数据分布范围计算系列水深图比例尺；
⑤基础网格数据邻域分析：依据水深图比例尺，采用邻域统计法设置邻域范围构建新尺度下的网格数据；
⑥等深线提取：以新尺度下的网格数据为基础，依据国家系列比例尺水深图编绘标准，提取不同间隔海底地形等深线；
⑦交互判定等深线细节信息：对比等深线与基础网格数据，判断等深线细节信息是否完整真实的反映基础网格地形特征，若为是，进行下一步，若为否，则重新进行基础网格数据邻域分析提取等深线并判别；
⑧碎片等深线剔除：利用完整体现海底地形特征的等深线，分别统计各等深线周长，基于水深图比例尺，设置周长阈值，剔除碎片等深线。
进一步，所述步骤③中的基础网格数据输出方法为：
I、提取相邻标准水深点α与β，α点经纬度分别为αx，αy，b点经纬度分别为βx，βy，采用Haversine算法计算α与β间距d，
haversin(d/R)＝haversin(βy-αy)+cos(αy)cos(βy)haversin(βx-αx)
其中haversin(d/R)＝sin2(d/2R)＝(1-cos(d/R))/2
R为地球半径，可取平均值6371km；
II、依据相邻标准水深点间距设置基础网格数据分辨率，分辨率≤水深点间距的1/2。
进一步，所述步骤④中的水深图比例尺计算方法为：
I、确定绘制图幅幅面大小，长度为Lenx，宽度为Widx(单位为mm)；确定水深图数据范围，长度范围为Leny，宽度范围为Widy(单位为km)；
II、确定绘制水深图比例尺L，
L＝(Leny×104/Lenx)＞(Widy×104/Widx)？(Leny×104/Lenx):(Widy×104/Widx)
进一步，所述步骤⑤中邻域统计分析邻域范围≤L/M，其中，L为水深图比例尺，M为基础网格分辨率。
进一步，所述步骤⑧中等深线周长阈值≤图上距离1-2cm。
本发明以多尺度等深线要素自动提取为目的，结合高精度海底地形模型特点，充分考虑等深线展布与地形模型相关性，首次通过综合考量系列制图比例，采用邻域统计方法，实现多尺度等深线要素的自动提取。结果表明，本发明提取等深线能够在相应比例尺下真实反映海底地形状况，相较于传统水深图等深线编绘方法，能够减少人工交互操作，提高等深线生产效率。
附图说明
图1是本发明的技术流程图；
图2某海域高精度海底地形模型图；
图3提取等深线与基础网格数据对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本技术方案的具体实施方式进行详细说明。
本发明提供一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，本实施例选取某海域实测多波束离散水深数据说明等深线自动提取步骤，流程如图1所示。
①离散水深数据标准化：对收集的多波束离散水深数据进行无用头文件剔除、列筛选、水深值标化等步骤，获取标准离散水深数据，包括经度、纬度、水深值(负值)，共获取水深点32479775个。
②构建高精度海底地形模型：以标准离散水深数据为基础，利用普通克里金法构建海底地形模型，变异函数模型选取默认线性变差函数。
③基础网格数据输出：
I、提取相邻标准水深点α与β，α点经纬度分别为(131.1267386°E，15.5648341°N)，b点经纬度分别为(131.1269040°E，15.5647097°N)，采用Haversine算法计算α与β间距d，
haversin(d/R)＝haversin(βy-αy)+cos(αy)cos(βy)haversin(βx-αx)
其中haversin(d/R)＝sin2(d/2R)＝(1-cos(d/R))/2
R为地球半径，取平均值6371km；
经计算d＝137.52m。
II、依据相邻标准水深点间距d设置基础网格数据分辨率为100m，输出基础网格数据如图2所示。
④水深图比例尺计算：依据绘制图幅幅面大小A2(592mm×420mm)与获取多波束水深数据分布范围(数据覆盖长度约14587km，覆盖宽度约9655km)计算系列水深图比例尺L。
L＝(14587×104/592)>(9655×104/420)？(14587×104/592):(9655×104/420)
＝246402，取整得绘制水深地形图比例尺为25,0000。
⑤基础网格数据邻域分析：依据水深图比例尺25,0000，采用邻域统计法设置邻域范围构建新尺度下的网格数据。其中，邻域分析面采用圆形，像元半径9，统计类型MEAN。
⑥等深线提取：以新尺度网格数据为基础，依据系列比例尺水深图编绘要求，按照1000m间隔提取海底地形等深线。
⑦交互判定等深线细节信息：对比此等深线与基础网格数据，等深线细节能够完整真实的反映基础网格地形特征，进行碎片等深线剔除。
⑧碎片等深线剔除：利用完整体现海底地形特征的等深线，分别统计各等深线周长，基于水深图比例尺，设置周长阈值，剔除碎片等深线。
本发明是基于多波束水深数据形成的高精度海底地形模型，根据制图比例尺选取合适的因子，利用领域统计自动提取不同尺度等深线的方法，该方法可提高效率，减少人工成本，且所获得的等深线质量好，直观性强。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，其特征在于：包括如下步骤：
①水深数据标准化：以离散水深数据为基础，提取构建海底地形模型所需的有效信息并输出为水深数据标准格式；
②构建海底地形模型：以标准离散水深数据为基础，采用克里金法构建海底地形模型；
③基础网格数据输出：计算标准离散水深数据采样点间距，依据计算结果设置网格间距并输出；
④水深图比例尺计算：依据绘制图幅幅面大小与数据分布范围计算系列水深图比例尺；
⑤基础网格数据邻域分析：依据水深图比例尺，采用邻域统计法设置邻域范围构建新尺度下的网格数据；
⑥等深线提取：以新尺度下的网格数据为基础，依据国家系列比例尺水深图编绘标准，提取不同间隔海底地形等深线；
⑦交互判定等深线细节信息：对比等深线与基础网格数据，判断等深线细节信息是否完整真实的反映基础网格地形特征，若为是，进行下一步，若为否，则重新进行基础网格数据邻域分析提取等深线并判别；
⑧碎片等深线剔除：利用完整体现海底地形特征的等深线，分别统计各等深线周长，基于水深图比例尺，设置周长阈值，剔除碎片等深线。
2.根据权利要求1所述的一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，其特征在于：所述步骤③中的基础网格数据输出方法为：
I、提取相邻标准水深点α与β，α点经纬度分别为αx，αy，b点经纬度分别为βx，βy，采用Haversine算法计算α与β间距d，
haversin(d/R)＝haversin(βy-αy)+cos(αy)cos(βy)haversin(βx-αx)
其中haversin(d/R)＝sin2(d/2R)＝(1-cos(d/R))/2
R为地球半径，可取平均值6371km；
II、依据相邻标准水深点间距设置基础网格数据分辨率，分辨率≤水深点间距的1/2。
3.根据权利要求1所述的一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，其特征在于：所述步骤④中的水深图比例尺计算方法为：
I、确定绘制图幅幅面大小，长度为Lenx，宽度为Widx(单位为mm)；确定水深图数据范围，长度范围为Leny，宽度范围为Widy(单位为km)；
II、确定绘制水深图比例尺L，
L＝(Leny×104/Lenx)＞(Widy×104/Widx)？(Leny×104/Lenx)：(Widy×104/Widx)。
4.根据权利要求1所述的一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，其特征在于：所述步骤⑤中邻域统计分析邻域范围≤L/M，其中，L为水深图比例尺，M为基础网格分辨率。
5.根据权利要求1所述的一种基于海底地形模型的多尺度等深线自动提取方法，其特征在于：所述步骤⑧中等深线周长阈值≤图上距离1-2cm。
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大区域水深地形图编图处理手段及方法;徐晓达;曹志敏;张志;陆凯;;海洋地质前沿(12);全文 *

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