淺議海道測深數(shù)據(jù)管理軟件的應(yīng)用

張丹+李忠新

摘要：本文介紹了目前國內(nèi)海道測深數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀，闡述了CARIS BDB軟件的特點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了CARIS BDB軟件工作流程。

關(guān)鍵詞：海道測深 數(shù)據(jù)管理 多波束 BDB

0 引言

隨著陸地資源的減少，人們對海洋資源的重視日益提高，開發(fā)海洋資源應(yīng)首先進(jìn)行海底地形測量。近年來，海底地形測量技術(shù)獲得了快速發(fā)展，測量方式由最初的單波束測深發(fā)展為各種規(guī)模的多波束測深技術(shù)。多波束測深最大的特點(diǎn)是測點(diǎn)多、全覆蓋、精度高、能夠準(zhǔn)確全面反映水下地形起伏變化情況，但同時(shí)會產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，對這些數(shù)據(jù)的處理、管理和二次開發(fā)利用成為當(dāng)前亟待研究解決的問題。

盡管目前海事測繪中心提供的數(shù)據(jù)以單波束測深為主，但許多重要的港口和航道已向多波束測深方向發(fā)展，這些數(shù)據(jù)被檢查確認(rèn)后，需要有一個(gè)水深管理數(shù)據(jù)庫進(jìn)行預(yù)處理、分析和保存。加拿大的Universal System公司開發(fā)的Caris Bathymetric processing and data management軟件（簡稱BDB軟件）是目前全球最先進(jìn)的水深數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一，本文以BDB 軟件為例，重點(diǎn)探討了海道測深數(shù)據(jù)如何進(jìn)行管理，以滿足不同用戶的需求。

1 BDB軟件功能介紹

1.1 BDB軟件概況

BDB是Caris產(chǎn)品家族中針對測深數(shù)據(jù)管理分析的一個(gè)軟件包，包括客戶端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)和數(shù)據(jù)庫管理工具。處理工具都在客戶端，可以脫離數(shù)據(jù)庫服務(wù)單獨(dú)應(yīng)用。它與HIPS&SIPS、Hydrographic Production Database（HPD）、S-57 Composer和Spatial Fusion Enterprise等共同構(gòu)成Caris Ping-to-Chart工作流（見圖1）。

基于ORACLE數(shù)據(jù)庫（或開源的PostgreSQL），BDB可以有效地存儲、管理和檢索大量的水深數(shù)據(jù)。另外，BDB具有一套靈活的工具集，能對水深數(shù)據(jù)分析、預(yù)處理和管理，經(jīng)過預(yù)處理和確認(rèn)的數(shù)據(jù)可以提供給海圖生產(chǎn)（如HPD）使用。

圖1 Caris Ping-to-Chart工作流

1.2 BDB軟件主要特點(diǎn)

1.2.1 操作的靈活性

為滿足不同用戶的需求，BDB采取了靈活的操作方案：

BDB客戶端（BASE Editor）：用戶可結(jié)合多種有效的水深數(shù)據(jù)分析，比如其自身的CSAR格式、通用的網(wǎng)格格式（如BAG）或?qū)隭YZ數(shù)據(jù)格式等。

BDB數(shù)據(jù)庫（Bathy DATABASE）：對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，用戶可通過多種自定義查詢條件獲取數(shù)據(jù)。

1.2.2 可兼容多種數(shù)據(jù)格式

BDB支持多種格式數(shù)據(jù)，如矢量數(shù)據(jù)（DWG、DXF、S-57、HOB）、柵格數(shù)據(jù)（GeoTIFF、BSB、TFW）和其他類型的數(shù)據(jù)（XYZ、LAS、BAG）等都可導(dǎo)入到系統(tǒng)中，并可根據(jù)用戶的需求輸出多種格式的數(shù)據(jù)。

1.2.3 CSAR架構(gòu)

為了高效管理大量測深數(shù)據(jù)，Caris采用CSAR架構(gòu)為網(wǎng)格數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)開發(fā)了新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。CSAR架構(gòu)通過將數(shù)據(jù)拆分為小塊，確保大量多維數(shù)據(jù)的存儲和可視化。網(wǎng)格和點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以多種分辨率存儲以便于快速獲取數(shù)據(jù)，通過這種方式，數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)無論是否顯示都可隨時(shí)獲取，用戶也可不被水深數(shù)據(jù)集的文件大小或最多記錄數(shù)所限制。

2 Caris BDB軟件的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

BDB可以編輯操作多種數(shù)據(jù)來源的水深數(shù)據(jù)格式，最常見的包括XYZ格式和CARIS數(shù)據(jù)格式，即目前海事測繪中心提供的數(shù)據(jù)格式。XYZ文件導(dǎo)入BDB有兩步：1.創(chuàng)建info文件，即包含XYZ數(shù)據(jù)集位置和屬性信息的XML文件；2.用戶需定義導(dǎo)入和輸出的坐標(biāo)系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)是以點(diǎn)云或網(wǎng)格格式導(dǎo)入。

2.2 面操作

為便于用戶管理水深數(shù)據(jù)，BDB將水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定格式—Base Surface，并有一系列工具進(jìn)行編輯操作。

2.2.1 面合并

根據(jù)需要BDB可以將相鄰區(qū)域或者有重疊區(qū)域的surface合并成連續(xù)無縫的surface，數(shù)據(jù)集可以是不同來源（單波束、多波束等）、不同分辨率、不同區(qū)域，數(shù)據(jù)重疊區(qū)域用戶可定義取舍規(guī)則避免沖突（見圖2）。

圖2 面合并重疊區(qū)域取舍規(guī)則

2.2.2 面差異比較

用戶可使用覆蓋同一區(qū)域，使用相同投影和坐標(biāo)系統(tǒng)的surface進(jìn)行比較，創(chuàng)建一個(gè)新的差異面，此功能可用于分析某地區(qū)在一段時(shí)間周期內(nèi)水深變化情況。

2.2.3 面插值

插值是通過函數(shù)計(jì)算水深點(diǎn)之間的系數(shù)并生成面的過程。用戶通過三角格網(wǎng)（Tin）插值生成面，計(jì)算數(shù)據(jù)密度來確定適合的分辨率。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 統(tǒng)計(jì)工具

BDB統(tǒng)計(jì)工具可方便用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，除數(shù)據(jù)集的最小值、最大值、平均水深等基本參數(shù)外，還可以生成柱狀圖直觀分析數(shù)據(jù)分布，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以PDF、Tiff等格式輸出（見圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.3.2 3D圖像顯示

BDB的3D Viewer工具可顯示數(shù)據(jù)3D影像，可通過鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)放大縮小和漫游（見圖4）。用戶根據(jù)Properties里的Filter定義水深范圍值來有選擇的顯示surface 3D影像，并可對3D影像漫游錄像。

圖4 BDB的三維顯示

2.4 水深產(chǎn)品輸出

2.4.1 等深線和等深面

等深線可以通過surface面或三角格網(wǎng)生成，用戶根據(jù)需要選取等深線范圍和間隔。生成的等深線需要做平滑處理，但不管是平滑前后，等深線都可能有交疊情況，方便的情況下可以手動檢查。如果數(shù)據(jù)量較大，可以利用CARIS HPD Source Editor進(jìn)行等深線交疊檢查。首先將等深線層導(dǎo)出hob文件，在CARIS HPD Source Editor中使用validation功能，查明等深線交疊區(qū)域并加以改正，再導(dǎo)出hob文件到BDB中，這樣可以得到初步光滑并無交疊的等深線。endprint

經(jīng)過平滑的等深線可以生成等深面。

2.4.2 水深提取

用戶可以從點(diǎn)云或surface文件提取水深，可先由系統(tǒng)自動提取再進(jìn)行人工修正。自動提取須新建一個(gè)S57要素層，通過設(shè)定水深選擇規(guī)則和屬性條件來提取水深。

生成的水深部分與生成surface的最原始水深相同，但有部分是插值出來的新水深，這樣跟最原始水深并不是完全一致，提取的水深可以hob格式導(dǎo)出。這里只能實(shí)現(xiàn)對一個(gè)完整surface文件提取水深。如果需要提取其中部分surface的水深，可以先提取出目標(biāo)水深所在的surface再執(zhí)行操作。

2.5 數(shù)據(jù)導(dǎo)出

BDB軟件可導(dǎo)出多種格式的數(shù)據(jù)，surface可導(dǎo)出ASCII、BAG、HTF、TIFF、點(diǎn)云等多種數(shù)據(jù)格式，方便滿足用戶的不同需求；矢量數(shù)據(jù)（如等深線和提取的水深）可導(dǎo)出S-57、Shape file、GML、KML和DXF格式，KML格式可使用戶通過Google Earth瀏覽要素。

3 結(jié)束語

測深數(shù)據(jù)的存儲和管理對于海道測量具有重要意義，對于單波束測深成果，我國已研究和開發(fā)出一整套完善的數(shù)據(jù)處理和成圖軟件系統(tǒng)；而對于多波束測深數(shù)據(jù)的后處理技術(shù)尚處于跟蹤研究階段。BDB作為一套現(xiàn)成的商業(yè)化多波束數(shù)據(jù)后處理軟件，在測深數(shù)據(jù)的加工、集中管理和綜合應(yīng)用方面可以為用戶提供滿意的解決問題方案，具有較高的利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸秀平，黃謨濤，霍國君等.多波束測深數(shù)據(jù)處理及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].海洋測繪，2006，26（6）：1～5.

[2] Caris BASE Editor Training Manual 4.0[M]. October 2012.

[3] Daniel Kruimel，Christian Fellinger. Bathymetric Data Management： The Ports and Waterways Environment[C].Proceeding of the SURVEYING&SPATIAL SCIENCES BIENNIAL CONFERENCE.2011.

[4] 李忠新.海道測深數(shù)據(jù)管理研究[C].中國航海學(xué)會航標(biāo)專業(yè)委員會測繪學(xué)組學(xué)術(shù)研討會學(xué)術(shù)交流論文集.2008.

[5] 侯世喜，黃謨濤，歐陽永忠等.多波束數(shù)據(jù)處理軟件的應(yīng)用與啟示[J]. 海洋測繪，2003，23（6）：14～17.endprint