SURFER軟件在多波束測深數(shù)據(jù)處理分析中的應用研究

魏榮灝,張　杰,蔣小海，史永忠

(浙江省河海測繪院，浙江　杭州　310008)

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SURFER軟件在多波束測深數(shù)據(jù)處理分析中的應用研究

魏榮灝,張杰,蔣小海，史永忠

(浙江省河海測繪院，浙江杭州310008)

多波束測深系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)具有全覆蓋、數(shù)據(jù)密度高、成果精細和輸出數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的特征，需要研究其數(shù)據(jù)的處理和分析方法。而Surfer軟件作為快捷的網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理和成果輸出軟件，已在地質、氣象等領域得到了廣泛應用，但在多波束數(shù)據(jù)處理方面研究較少。主要研究采用Surfer軟件對多波束測深成果進行數(shù)據(jù)插值、容積計算與沖淤分析和圖件繪制，研究結果表明，Surfer在多波束數(shù)據(jù)處理方面具有良好的應用前景。

多波束測深數(shù)據(jù);Surfer;容積計算;三維可視化

1　問題的提出

隨著近年來材料科學和計算機處理技術的快速發(fā)展，海洋測繪設備和技術也得到了長足發(fā)展，多波束測深系統(tǒng)以其高效率、高精度和全覆蓋等特征，在水下大比例尺測量領域正逐漸取代傳統(tǒng)的單波束測深儀并成為未來的主要發(fā)展方向。多波束測深系統(tǒng)可輸出海量的標準網(wǎng)格數(shù)據(jù)，常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法效率較低，而傳統(tǒng)的CAD圖件也難以反映出多波束測深數(shù)據(jù)的優(yōu)勢與特點，非常有必要研究新的數(shù)據(jù)處理分析方法。美國Golden軟件公司的Surfer軟件主要用于處理網(wǎng)格數(shù)據(jù)，且具有強大的數(shù)據(jù)插值、處理和分析及可視化能力，已經(jīng)廣泛應用于生物、礦業(yè)、工程、地學和氣象等領域[1-2]，但在多波束測深數(shù)據(jù)處理及分析中的研究較少。因此本文主要研究采用Surfer軟件處理和分析多波束測深數(shù)據(jù)，并取得了一些初步成果。

2　數(shù)據(jù)處理和分析

Surfer軟件主要處理格式為ascii碼的(x,y,z)離散點數(shù)據(jù)，也可以直接導入各種行業(yè)標準格式文件(如AutoCAD的dxf格式文件、ERSI的shp格式文件和Google Earth的kml格式文件等)等，數(shù)據(jù)導入后可以進行多種操作，如數(shù)據(jù)插值、圖件繪制和計算分析等，并可通過腳本文件編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化處理，功能強大，且相對于其他的地理信息軟件具有體積小、操作簡便等特點，便于用戶進行數(shù)據(jù)處理及分析。

2.1數(shù)據(jù)插值

多波束測深系統(tǒng)能獲取全覆蓋的水下地形數(shù)據(jù)，但在內(nèi)業(yè)處理過程中可能存在誤刪數(shù)據(jù)的情況，導致部分區(qū)域存在數(shù)據(jù)空缺；另外，由于多波束測深系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的網(wǎng)格間距可能與實際工程應用有所不同，需要進行數(shù)據(jù)抽稀或加密，因此需要對數(shù)據(jù)進行插值。Surfer支持的插值方法共12種：反距離加權插值法、克里金插值法、最小曲率插值法、改進的謝別德插值法、自然鄰點插值法、最近鄰點插值法、多元回歸插值法、徑向函數(shù)插值法、線性插值三角網(wǎng)法、移動平均插值法、局部多項式插值法和數(shù)據(jù)度量法。其中數(shù)據(jù)度量方法主要用于提取處理數(shù)據(jù)的信息，不用于數(shù)據(jù)內(nèi)插。關于這些插值算法的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果[3-4]可以根據(jù)實際研究和工程應用要求進行選取。由于多波束測深系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)主要反映實際水下地形地貌情況，具有明顯的地學相關性，同時數(shù)據(jù)量也比較大，因此在綜合考慮插值精度和插值速度的要求后建議采用克里金插值法或者徑向函數(shù)插值法進行插值計算。這2種算法具有較強的適應性，能較好地提取出地形特征，具有較高的插值精度；處理海量數(shù)據(jù)的速度較快，工作效率高。

2.2容積計算及沖淤分析功能

容積計算及沖淤分析是水利樞紐設計、水庫運營管理的重要技術支撐，而多波束測深數(shù)據(jù)正以其高密度和全覆蓋成為了水庫庫容監(jiān)測的重要手段，通過單次測量可獲取水庫庫容分布情況，結合多次測量結果即可進行水庫的沖淤分析。該方法也可廣泛用于各種工程的方量計算和疏浚工程量的計算，并同時獲取填挖區(qū)域的表面積和投影面積。Surfer主要采用3種方法進行體積計算：梯形法、辛普森法和辛普森3/8法，各個方法的計算公式如下：

梯形法：

(1)

(2)

辛普森法：

(3)

(4)

辛普森3/8法：

(5)

(6)

以上各式中，Δx和Δy分別代表數(shù)據(jù)的網(wǎng)格間距，Gi,j分別代表在i行j列的數(shù)值大小，V為最終的計算結果。

通過多個測次的測量獲取不同期數(shù)據(jù)，在進行網(wǎng)格化后可以進行減法操作，對輸出結果進行容積計算便可獲取沖淤變化結果，具體操作如下：①分別對2次數(shù)據(jù)執(zhí)行網(wǎng)格化操作，即選擇“Grid”菜單下的“Data”菜單，假設獲取的網(wǎng)格數(shù)據(jù)分別為A.grd和B.grd；②進行沖淤計算，即選擇“Grid”菜單下的“Math”菜單，分別輸入A.grd和B.grd，并將計算方法選取為”A-B”，點擊”O(jiān)K”后便可保存輸出結果，對輸出結果計算容積就可以得到?jīng)_淤分析的結果；同時將數(shù)據(jù)采用南方CASS軟件進行驗算，其結果見表1。從表1可見，由于采用的計算方法不同，獲取的方量也有所不同，但計算所得的最大值與最小值之間的變化為4.7%，滿足相關規(guī)范的要求。

表1　沖淤計算結果表

3　圖件繪制與輸出

傳統(tǒng)的測深數(shù)據(jù)由于受采集手段的限制，難以提供精細的測量成果，數(shù)據(jù)一般采用水深圖或水下地形圖通過繪制水下等高線的方式進行表達。多波束測深系統(tǒng)能獲取全覆蓋的高密度水下地形數(shù)據(jù)，不但可以通過傳統(tǒng)的圖件形式表達數(shù)據(jù)成果，還可以利用其海量數(shù)據(jù)的特征利用渲染圖或三維圖等形式對測量結果進行簡潔、直觀的表示，將水下精細探測結果提供給各種用戶使用。同時還可以利用Surfer制作測量背景圖，更好指導多波束測深系統(tǒng)野外數(shù)據(jù)采集工作。

3.1測量背景圖制作

Surfer軟件自9.0版本后支持坐標系統(tǒng)的定義，可以將不同坐標系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，如基于WGS84系統(tǒng)的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和基于北京54坐標系統(tǒng)的數(shù)字線劃圖分別通過內(nèi)置參數(shù)或自定義七參數(shù)等方式實現(xiàn)不同坐標系統(tǒng)之間的轉換并統(tǒng)一輸出作為測量背景圖，用于野外數(shù)據(jù)采集工作。進行本操作時，首先分別打開衛(wèi)星影像圖片，由于其已經(jīng)具有地理位置參考，軟件自動識別其坐標系統(tǒng)為WGS84并正確顯示在繪圖區(qū)。其次，以增加底圖的方式增加一幅基于北京54坐標系統(tǒng)的dxf文件。由于dxf文件是基于XY格式的文件，軟件將其識別為局部坐標系統(tǒng)，需要用戶手動定義正確的系統(tǒng)?？稍谲浖?nèi)部設置相應橢球參數(shù)、投影方式和轉換參數(shù)等進行定義。如圖1所示，經(jīng)過轉換的2幅圖像已經(jīng)較好拼接在一起，可用于野外生產(chǎn)作業(yè)。

圖1　測量背景圖

3.2水下等高線繪制

在繪制水下等高線之前，需要將數(shù)據(jù)采用網(wǎng)格化的方式導入到Surfer中。數(shù)據(jù)導入之后選擇“Map”菜單下的“New”選項，新建1個等高線圖(Contour Map)即可以生成水下等高線了。由于Surfer軟件會根據(jù)數(shù)據(jù)的水深分布范圍自動分配等高線的最大值、最小值和等高距，此數(shù)據(jù)生成等高線的間距為0.5 m，在此根據(jù)工程的實際需要修改為1.0 m。同時，工程應用中各種圖件主要還是以AutoCAD文件為主，因此在“File”中選擇“Export”，可選擇將等高線輸出為dxf文件并在CAD中進行進一步處理，輸出的結果見圖2。

圖2　等高線繪制示意圖

3.3測量成果三維可視化

多波束測深數(shù)據(jù)具有全覆蓋和高分辨率的特征，可通過三維可視化的方式表達水下地形地貌的精細特征。采用該種方式展現(xiàn)水下地形數(shù)據(jù)時，首先導入測深數(shù)據(jù)并網(wǎng)格化，然后選擇“Map”菜單并新建“3D Surface”就可以將數(shù)據(jù)三維可視化。通過調(diào)整觀察角度、光照的強度和角度可以對顯示結果進行調(diào)節(jié)，最終得到的結果見圖3。

圖3　三維可視化示意圖

4　結　語

針對多波束測深數(shù)據(jù)一般為標準網(wǎng)格數(shù)據(jù)的特點，研究基于Surfer軟件的數(shù)據(jù)處理和可視化方法，介紹了Surfer軟件的各種插值方法的特點及其使用范圍，并通過容積計算和沖淤分析功能進行數(shù)據(jù)的快速處理與分析。其次介紹了Surfer軟件的圖件繪制與輸出功能，主要包括制作測量背景圖和繪制水下等高線，最后通過采用三維可視化的方式對多波束測深成果進行了展示，較好地表達了多波束測深的精細探測結果。應用研究表明Surfer軟件具有較好的多波束測深數(shù)據(jù)處理和表達能力，具有良好的應用前景。

[1]連志鸞.Surfer二次開發(fā)實現(xiàn)加密雨量圖自動顯示與輸出[J].氣象科技，2006，34(2)：220-224.

[2]武俊紅,汪云甲.基于Surfer的煤礦等值線空間插值方法有效性評價[J].中國礦業(yè),2007，16(1)：108-110.

[3]白世彪,陳曄,王建.等值線繪圖軟件SURFER7.0中九種插值法介紹[J].物探化探計算技術,2002,24(2)：157-162.

[4]陳歡歡,李星,丁文秀.Surfer 8.0等值線繪制中的十二種插值方法[J].工程地球物理學報,2007,4(1)：52-57.

(責任編輯郎忘憂)

Application Research on Surfer Software in Multi-beam Bathymetric Data Processing and Analysis

WEI Rong-hao,ZHANG Jie,JIANG Xiao-hai,SHI Yong-zhong

(Zhejiang Survey Institute of Estuary and Coast,Hangzhou 310008,Zhejiang,China)

Data obtained by multi-beam sounding system have features of full coverage,high data density,fine achievements and output data gridding.It is needed to study its data processing and analyzing method.As a quick grid data processing and results output software,Surfer software is widely applied in fields of geology and meteorology,but research on multi-beam data processing was less.This paper mainly studied on using Surfer software for data interpolation,volume calculation and deposition analyses,and map drawing of multi-beam bathymetric achievements.The results show that the Surfer software has a good application prospect in multi-beam data processing.

multibeam bathymetric data;Surfer software;volume calculation;three-dimensional visualization

2016-04-12

浙江省水利科技計劃項目(審核類) RC1501。

魏榮灝(1982-)，男，工程師，碩士，主要研究海洋物理探測及Lidar數(shù)據(jù)采集、處理與融合。

E-mail:weironghao@gmail.com

P332

A

1008-701X(2016)03-0079-03

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.025