基于規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)的海浪圖生成研究

許世城，盧 美，方琛亮，王 挺

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

海浪等值線圖，是將海浪站的觀測數(shù)據(jù)進行處理分析繪制生成等值線，再進行彩色渲染后生成的用于研究海洋表面海浪分布規(guī)律的圖形。它是進行海浪空間特征分析的強大工具，在海洋災(zāi)害預(yù)警分析上有著廣泛的應(yīng)用。

SuperMap是由北京超圖公司開發(fā)的一套大型地理信息系統(tǒng)軟件，功能強大，性能較高。本文將Supermap Deskpro作為海浪等值線圖計算生成的主要工具。

1 海浪實況數(shù)據(jù)表示方式—等值線圖

等值線圖是將相同數(shù)值點連線用來表示連續(xù)分布且逐漸變化的數(shù)量特征的一種圖型。在海洋災(zāi)害預(yù)警中，用戶需要了解海洋表面或海區(qū)平均海浪高的情況，常采用等值線圖來表現(xiàn)。

2 海浪原始數(shù)據(jù)的分析和處理

在生成等值線之前，需要對原始數(shù)據(jù)進行一定的處理，如坐標變換、規(guī)則化、抽稀等。本文采用的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)是東中國海區(qū)域等間距的規(guī)則網(wǎng)格，與浙江省海洋局采集的海浪數(shù)據(jù)坐標取值相同，采用球面坐標系，坐標固定，無需進行變換;研究的海浪原始數(shù)據(jù)是規(guī)則格網(wǎng)，不需要進行規(guī)則化，其數(shù)據(jù)格式為:x(經(jīng)度)，y(緯度)，z(浪高)。

規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)呈矩陣分布，一般無需直接給出所有數(shù)據(jù)值。因此只需在文件頭給出網(wǎng)格的空間坐標范圍 (經(jīng)緯度范圍)、網(wǎng)格行數(shù)、網(wǎng)格列數(shù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)屬性值編號范圍等，在文件內(nèi)只要給出每個網(wǎng)格點對應(yīng)的屬性值 (如海浪浪高)即可。

本文研究的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式如下:

本文研究的海浪計算范圍為 105°E—155°E，10°N—45°N，經(jīng)度橫跨50°，緯度跨35°，網(wǎng)格間距為0.1°，因此，所需計算網(wǎng)格點數(shù)量為501×301。然而，501×301的網(wǎng)格點數(shù)據(jù)較多，雖然以此生成的等值線圖精度更高，但導致海浪等值線圖生成效率低，海浪等值線圖需要在海洋災(zāi)害預(yù)警輔助分析系統(tǒng)中應(yīng)用，如此低下的計算效率顯然無法滿足實際需求，所以需要對原始數(shù)據(jù)進行處理，優(yōu)化等值線圖生成的算法。本文采用的是網(wǎng)格抽稀方法，它是將網(wǎng)格間距從0.1°增加到0.4°，這樣所需計算的網(wǎng)格點數(shù)量就只有126×76，較之前可以大幅度提升計算效率。

3 等值線生成的理論基礎(chǔ)

在等值線繪制中，一般采用下列方式描述已知的數(shù)據(jù)點:

X為點的經(jīng)度，Y為點的緯度，value為這一點上的屬性值(密度、溫度、鹽度等，本文表示的是海浪高)。

在函數(shù)P(X，Y，value)中，對于每個給出的數(shù)值value，其圖像都可以用z=f(x，y)來表示，這是一條平面曲線，也就是等值線。通過改變z值可以得到許多等值線 (本研究取海浪高2.5，3.5，5.0，6.0，9.0m)，將這些等值線投影到一個與XOY面平行的平面上，可得到一幅等值線圖。因此，等值線圖具有如下特性;

(1)等值線通常是一條光滑連續(xù)曲線;

(2)同一屬性值的等值線數(shù)量有可能大于1條;

(3)由于定義域是有界的，等值線可能閉合，也可能不閉合;

(4)等值線一般不相互交叉。

例3 如圖10，在Rt△ABC中，∠ABC=90°，AB=8，BC=6，四邊形DEFG是△ABC的內(nèi)接矩形，點E，F(xiàn)分別在邊AB，BC上，點D、G在邊AC上，H是矩形DEFG對角線的交點，求線段CH長度的最小值.

將不同數(shù)值的等值線繪制在一張圖上，就會產(chǎn)生多條等值線。本研究中，對所有等值點進行逐個遍歷，找出具有給定屬性值的所有等值線，而要達到一條等值線都不遺漏，必須有一個全面合理的方法。

本文采用網(wǎng)格序列法生成等值線，通過將原始海浪數(shù)據(jù)構(gòu)成空間網(wǎng)格，再按網(wǎng)格單元的排列次序，逐一處理每一單元，尋找每一單元內(nèi)相應(yīng)的等值線段，處理完所有單元后，就生成了該網(wǎng)格中的全部等值線。本研究的數(shù)據(jù)屬于規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)，采用矩陣網(wǎng)格法，算法簡單，生成等值線速度快。

4 海浪圖計算步驟

4.1 網(wǎng)格數(shù)據(jù)預(yù)處理

網(wǎng)格數(shù)據(jù)預(yù)處理包括網(wǎng)格數(shù)據(jù)抽稀以及特殊網(wǎng)格點的處理。特殊網(wǎng)格點指無效點，如陸地點，由于陸地不需要進行海浪計算，在計算之前需要通過空間分析方法將位于陸地上的點進行分析排除，最后的規(guī)則網(wǎng)格經(jīng)過抽稀及特殊點處理后將是類似于此種形式，未編號的位置表示處理過的點:

處理之后的實際網(wǎng)格數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 處理之后的點陣數(shù)據(jù)圖

4.2 帶Z值的高程點陣的生成

帶Z值的高程點陣的生成比較簡單，主要是通過便利網(wǎng)格數(shù)據(jù)的方式對點陣進行賦Z值。

4.3 高程點生成DEM

DEM，即數(shù)字高程模型，用一組數(shù)值陣列來表示地面要素變化 (可以是高程、風力、海浪等)，是一種實體地面模型。

通過高程點生成DEM，主要是依靠高程內(nèi)插來完成。高程內(nèi)插算法有:分塊內(nèi)插、剖分內(nèi)插和單點移面3種。分塊內(nèi)插:首先將研究區(qū)域按一定的方法分塊，然后對每個分塊進行曲面擬合和高程內(nèi)插，再將所有分塊進行無縫拼接生成DEM。剖分內(nèi)插:用通常不規(guī)則的平面格網(wǎng)完全覆蓋數(shù)字高程模型的水平投影。這種不規(guī)則網(wǎng)包括不規(guī)則三角網(wǎng) (TIN)、四邊形及其他泰森多邊形等，一般不考慮剖分間的平滑問題。單點移面內(nèi)插:需要判斷移面內(nèi)有否突變，如地性線等。若移面內(nèi)含有地性線，應(yīng)按地性線再分割，直到不含地性線為止。

4.4 DEM構(gòu)建等值線

生成DEM之后，需要根據(jù)高程點以及DEM來提取等值線。等值線的提取主要分3步:①等值線參數(shù)確定;②等值線連線;③平滑處理。一般來說等值線參數(shù)主要包括基準值、等值距，但由于海浪圖的特殊性，等間距的等值線并不能滿足需要，應(yīng)根據(jù)海浪特征將海浪值取5個屬性值:2.5、3.5、5.0、6.0、9.0。等值線的繪制是通過對屬性值的追蹤來進行的。通過給定的每個屬性值，根據(jù)上一步生成的DEM以及網(wǎng)格數(shù)據(jù)從左至右、從上至下遍歷，將屬性值相同的高程點用曲線連接繪制成等值線，最后是對等值線進行平滑處理，本文采用B樣條法。B樣條法以4個屬性點為單位，連接1、4兩點，在2、3位置附近擬合，既能保證等值線擁有較高的生成效率，也能保證其具有良好的光滑性。根據(jù)不同屬性值生成多條等值線后繪制在一個平面上則構(gòu)成了等值線圖。

4.5 等值線填充并生成專題圖

等值線能清楚地反映海浪高度分布情況，但單一的等值線效果并不明顯，需要通過顏色填充的方法對等值線圖進行渲染，使海浪分布情況更加清晰明顯。等值線彩色填充，是對研究范圍的每一個點填上不同色彩表示不同的數(shù)據(jù)值。本文對屬性值2.5、3.5、5.0、6.0、9.0的像素點分別填充淺藍、淺黃、橙黃、橙色、紅色等，達到良好的視覺效果。生成的效果圖見圖2。

圖2 最終生成的海浪圖

5 結(jié)語

本文通過對規(guī)則網(wǎng)格海浪數(shù)據(jù)進行研究分析建立算法，初步實現(xiàn)了海浪等值線圖的繪制，并在海洋災(zāi)害預(yù)警輔助分析系統(tǒng)中得到應(yīng)用。但由于研究時間及條件有限，還有一些不足之處，有待進一步研究。首先，在海浪圖繪制方面采用的是抽稀的規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式，并沒有對不規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行研究，繪制精度也有待進一步提高;其次，本文研究的數(shù)據(jù)是從相關(guān)業(yè)務(wù)部門的數(shù)據(jù)庫提取所得，因此數(shù)據(jù)在實時性上存在少許偏差。

［1］高志一，于福江，許富祥.海浪預(yù)報三維動畫計算原理與制作方法［J］.海洋通報，2011，30(2):172-178.

［2］唐艷紅.海洋環(huán)境信息等值線自動繪制方法研究 ［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007.

［3］唐新明，林宗堅，吳嵐.基于等高線和高程點建立DEM的精度評價方法探討［J］.遙感信息，1999(3):7-10.

［4］李加蓮.海浪數(shù)據(jù)分析及預(yù)報的數(shù)學模型研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2008.

［5］張進峰.典型海域的海浪數(shù)值模擬研究 ［D］.武漢:武漢理工大學，2005.

［6］劉洋.虛擬海浪實時仿真技術(shù)研究［D］.哈爾濱:燕山大學，2007.

［7］王忠，劉浩吾，柴賀軍.等值線的柵格圖形自動生成 ［J］.水利學報，2001(4):53-56.