航道水底地形建模比較研究

曹樹青 馮凱 劉陽 朱楠 王潔茹

摘 要：本文論述當(dāng)前航道多波束水深測量數(shù)據(jù)特點(diǎn)、DEM結(jié)構(gòu)模型以及建模方法，選擇了格網(wǎng)DEM作為航道水底建模數(shù)據(jù)格式；然后依托ArcGIS平臺內(nèi)嵌的兩種國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的建立格網(wǎng)DEM的方法—由TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)）生成格網(wǎng)DEM和基于ANUDEM生成格網(wǎng)DEM，對長江某段航道進(jìn)行了水底DEM構(gòu)建；最后通過回放兩類方法生成DEM的等深線與現(xiàn)有的等深線對比，分析了其精度。

關(guān)鍵詞：長江航道；DEM；TIN；多波束；Arc GIS

中圖分類號：U61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）8-0052-02

1引言

航道動態(tài)數(shù)學(xué)模型，是實(shí)現(xiàn)長江數(shù)字化航道的基礎(chǔ)。然而，作為數(shù)字航道基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫中重要組成部分的數(shù)字高程模型（DEM）尚未統(tǒng)一有效地建立起來，現(xiàn)用的地形圖方式來表達(dá)水底河床形態(tài)無法滿足數(shù)字航道建設(shè)對快速變化的水底地形的即時(shí)性更新表達(dá)的要求。因此，基于目前長江航道現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫群，以日常采集的快速變化的航道基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，構(gòu)建長江航道基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫和航道河床數(shù)字化地形模型（DEM）不僅是完善長江航道基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫的重要措施，也是建設(shè)數(shù)字航道的重要數(shù)據(jù)支撐。

本文研究內(nèi)容主要為長江航道水底地形建模，依托ArcGIS平臺的TIN-DEM與ANUDEM兩種方法進(jìn)行了水底地形DEM的構(gòu)建，并通過回放等深線對比了其精度。

2多波束測深系統(tǒng)

多波束測深系統(tǒng)是各種高新技術(shù)的組合系統(tǒng)，包含了如數(shù)字化傳感器、高精度聲速儀、潮位儀、高精度導(dǎo)航定位設(shè)備、具有高性能數(shù)字信號處理的計(jì)算機(jī)等相關(guān)系統(tǒng)。它獲得水下具有高密度水深點(diǎn)的方式，是通過以廣角定向接收、發(fā)射波束的方法，因而是條幅式海底地形數(shù)據(jù)。

多波束測深系統(tǒng)外業(yè)生成的原始地形數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于在測量過程中，受船運(yùn)動姿態(tài)、聲速剖面、船速等因素影響，使得測量數(shù)據(jù)不精確，信號不準(zhǔn)確，存在不合理的水深點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生虛假的地形。因此，需要對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理來消除虛假信號，剔除不合理水深點(diǎn)，從而確保水下地形測量的精度。目前，主要采用 Caris 軟件對多波束原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，主要包括條帶編輯，潮位文件、聲速文件、船型文件的加載及改正等。

3基于ArcGIS的航道水底格網(wǎng)DEM建模

3.1基于ArcGIS的長江某一段河道水底格網(wǎng)DEM構(gòu)建

3.1.1多波束TXT輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為一長約4.3公里的長江航道水底地形數(shù)據(jù)，多波束原始測量數(shù)據(jù)因?yàn)榫薮笸ǔ２捎闷渑涮讛?shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格化處理壓縮輸出，一般輸出為txt文件，其每一行包含了一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)x，y，z，間距為1M，該文件大小約為37M，包含100多萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3.1.2 ANUDEM算法構(gòu)建格網(wǎng)DEM

ANUDEM的算法已經(jīng)集成于ARCGIS系統(tǒng)，在ArcToolBox中為Topo to Raster，該工具要求添加要素類，設(shè)置要素類型、要素高程字段以及輸出數(shù)據(jù)目錄，但由于原始數(shù)據(jù)范圍的不規(guī)則性，其插值生成的DEM的范圍會默認(rèn)為原始測量區(qū)域的最小外包矩形，需進(jìn)行裁切得到測量區(qū)域的DEM，如圖1 所示.此外本實(shí)驗(yàn)區(qū)域采用ANUDEM算法建模時(shí)間為51秒。

3.1.3 TIN構(gòu)建格網(wǎng)DEM

ArcGIS中采用帶約束的Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)TIN，其三角網(wǎng)為動態(tài)生成算法，如圖2其通常使用edit tin 工具構(gòu)TIN，在本文實(shí)驗(yàn)中，除了添加點(diǎn)要素設(shè)置其高程屬性和數(shù)據(jù)屬性外，還需添加測量區(qū)域的范圍線設(shè)置其約束邊類型。

構(gòu)得的TIN通過Tin to Raster工具內(nèi)插（包括線性內(nèi)插和自然鄰域內(nèi)插）生成格網(wǎng)DEM，且因?yàn)檫吔缧纬傻莫M長三角形也需要進(jìn)行測量區(qū)域范圍的裁切，如圖3所示為TIN采用線性內(nèi)插轉(zhuǎn)換DEM再裁切的結(jié)果。由構(gòu)TIN生成本實(shí)驗(yàn)區(qū)域格網(wǎng)DEM時(shí)間為6分鐘46秒。

3.2兩種格網(wǎng)DEM建模方法比較精度

本文主要采用比對構(gòu)建航道水底格網(wǎng)DEM回放的等深線與生產(chǎn)的等深線的擬合程度比較兩類建模方法。根據(jù)DEM分辨率與等深線比例尺反映地貌細(xì)節(jié)的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中采用數(shù)據(jù)部門生產(chǎn)的1：2000等深線圖作為對照，如圖4所示。圖4B與圖4C分別為ANUDEM和TIN DEM建模方法回放的等深線與原始等深線的局部比較圖，其中紅色的線為回放的等深線。通過比較可知，ANUDEM建模方法回放的等深線較為平滑與原始等深線的咬合程度較之TINDEM建模方法的要好，并且TIN DEM建模方法在平緩區(qū)域容易出現(xiàn)零碎閉合等深線。因此ANUDEM建模方法構(gòu)建的水底格網(wǎng)DEM比之TIN DEM的方法更能體現(xiàn)航道水底河床形態(tài)。

4總結(jié)

本文針對長江數(shù)字航道水底地形構(gòu)建數(shù)字高程模型（DEM）做了以下工作：①根據(jù)多波束測探技術(shù)，結(jié)合其測量數(shù)據(jù)的離散性、海量性特征與DEM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)插方法特征，確立兩種國內(nèi)外陸地測繪的主流建模方法進(jìn)行航道水底地形格網(wǎng)DEM的構(gòu)建；②從數(shù)據(jù)的管理、建模、存儲、可擴(kuò)展性等角度選取了ARCGIS平臺作為多波束數(shù)據(jù)構(gòu)建格網(wǎng)DEM的技術(shù)平臺，并基于ARCGIS平臺實(shí)現(xiàn)了從測量數(shù)據(jù)到管理到建模的一體化流程，最后以一段長江航道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建了該實(shí)驗(yàn)區(qū)域的2米格網(wǎng)DEM，并通過建模效率與對河床地貌表達(dá)精度上（對比回放等深線與1：2000比例尺等深線圖），發(fā)現(xiàn)基于ANUDEM的格網(wǎng)構(gòu)建方法無論從效率上還是地貌表達(dá)精度上都優(yōu)于基于TIN的格網(wǎng)DEM構(gòu)建方法。

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