CN110956696B - 一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其主要技术特点:估算多尺度海图数据的最佳比例尺；根据待查询的地理空间范围计算关联海图数据；抽取水深点和陆地区；海底地形规则格网插值与海陆拼接；使用色带配色方法构建海陆立体渲染图。本发明设计合理，以海图数据为基础实现海底地形模拟仿真，在数据获取方面更加简易；通过多尺度数据的组合，能够灵活适应海图分幅的不规律特征；通过最佳比例尺估算，可以在效果和效率方面取得较好的平衡；在海底地形和陆地地形的拼接之后，以统一色带进行渲染，具有美观高效的效果。

Description

一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法

技术领域

本发明属于海洋测绘技术领域，尤其是一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法。

背景技术

海底地形模拟仿真对于海洋研究和开发利用具有十分重要的意义。由于保密原因，水深测量原始数据难以获得，国际上公开的海底地形规则格网数据在分辨率和精度方面存在不足，无法满足多样化应用需求。与地形图数据相比，电子海图数据在经纬度范围和比例尺等方面具有不规则性，根据用途(通常分为：概览、一般、近海、沿岸、港口、锚泊)、航行区域和资料掌握情况等因素综合确定。同一用途的电子海图涉及多个不同比例尺，具有一定的比例尺区间范围，不同数据之间可能存在空间上的重叠压盖；除“概览”和“一般”用途外，同一用途的电子海图无法实现空间连续覆盖。如何利用现有海图数据实现海底地形模拟仿真功能，必须要解决如下两个难题：

1、用户需求区域覆盖。用户对海底地形数据的需求范围往往涵盖多个海图数据，而且有可能需要多个不同用途海图数据才能完全覆盖，必须通过一定的策略抽取关联数据，既要满足用户需求，又不能有重叠数据。

2、效果和效率的平衡。用户希望提高三维模拟仿真的精细度，但是越精细就要求参与计算的水深点越多，对计算能力要求越高，同时响应时间也会越长。

专利文献(公开号为CN103456041A)公开了一种基于S-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法，提取的是海图等高线作为岸上DEM数据处理和制作来源，其模拟仿真的精度不高。另有文献“基于S57标准的电子海图三维可视化”可以建立海道数据三维可视化模型，但是其未考虑多尺度数据之间的关系，因此其处理效率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其利用多尺度海图数据，突破了“最佳比例尺估算”和“关联数据抽取”两个核心问题，达到“用户需求覆盖”和“效果和效率的平衡”效果，解决了海底地形模拟仿真精细度不足的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、估算多尺度海图数据的最佳比例尺；

步骤2、根据待查询的地理空间范围计算关联海图数据；

步骤3、抽取水深点和陆地区；

步骤4、海底地形规则格网插值与海陆拼接；

步骤5、使用色带配色方法构建海陆立体渲染图。

进一步，所述步骤1的具体方法包括以下步骤：

⑴用户输入待查询的地理空间范围TargetRect；

⑵计算TargetRect的实地面积T，水深点处理限额估算为MaxCount，水深间隔整体平均估算值D；

⑶估算单个水深点的平均占用面积A，A＝T/MaxCount；

⑷估算的最佳比例尺分母为M，M＝Sqrt(A)/D。

进一步，所述步骤2的具体处理方法包括以下步骤：

⑴根据待查询的地理空间范围TargetRect，过滤出与TargetRect有重叠的所有海图数据，按照比例尺分母由小到大进行排序，形成MList，形成海图信息列表ChartList；

⑵如果MList和ChartList为空，转步骤⑹；否则，转步骤⑶；

⑶查找最佳比例尺分母M是否在MList中存在，如果存在，在ChartList中查找对应海图数据，记为TargetChart；如果不存在，则查找MList中位于M两边的比例尺分母值M₁和M₂，在两者中取最接近M的一个数值TargetM，在ChartList中查找对应海图数据，记为TargetChart；

⑷将TargetChart***TargetChartList末端，从MList中剔除TargetM，从ChartList中剔除TargetChart；

⑸根据TargetChart数据有效范围对应的多边形TargetBoundry，判断ChartList中有效数据范围与TargetBoundry相同或包含于TargetBoundry的海图数据，将其从ChartList中剔除，并在MList剔除相应项；

⑹对TargetChartList中所有数据有效范围进行多边形合并，结果记为UnionBoundry，如果UnionBoundry与TargetRect相同或完全包含TargetRect，过程结束；否则，转步骤⑵。

进一步，所述步骤3的具体处理方法包括以下步骤：

⑴令裁剪多边形RemainBoundry＝TargetRect，水深点总集合为AllSoundings，陆地区总集合为AllLandAreas；

⑵如果TargetChartList为空，则过程结束；否则，从TargetChartList中选取第一个海图数据，记为TargetChart；

⑶从TargetChart中提取所有水深要素，记为集合Soundings，提取陆地区要素，记为集合LandAreas，使用RemainBoundry对这两个要素集合进行裁剪，保留位于RemainBoundry内部的要素，分别合并入AllSoundings和AllLandAreas；

⑷使用TargetChart的数据有效范围TargetBoundry对RemainBoundry进行裁剪，令RemainBoundry＝RemainBoundry-TargetBoundry；

⑸如果RemainRect为空，则过程结束；否则，将TargetChart从TargetChartList中剔除，转步骤⑵。

进一步，所述步骤4的具体处理方法包括以下步骤：

⑴对AllLandAreas中所有多边形进行合并重组，构建一个新的陆地区总集合NewAllLandAreas；

⑵以AllSoundings作为离散点，以NewAllLandAreas中所有多边形的边界作为0米约束线，构建Delaunay约束三角网；

⑶已知TargetRect宽为Width，高为Height，面积为RectArea，离散点总数为SoundingsCount，计算格网横间距为GridCellX＝Sqrt(RectArea/SoundingsCount)×Sqrt(Width/Height)/N，格网纵间距为GridCellY＝Sqrt(RectArea/SoundingsCount)×Sqrt(Height/Width)/N，N为正整数并可根据用户需要和显示效果实时调整；

⑷对于TargetRect内所有位于NewAllLandAreas多边形内的网格点设置为无效；

⑸对于非无效网格点，通过利用插值算法生成每个网格点的高度值；

⑹对无效网格点，通过陆地DEM插值算法重新计算高度值。

进一步，所述步骤⑸生成每个网格点的高度值为负值；所述步骤⑹重新计算的高度值为正值。

进一步，所述步骤5中的色带包含：⑴蓝色渐变的海底部分，⑵绿色、褐色、白色共同渐变的陆地部分。

本发明的优点和积极效果是：

本发明以海图数据为基础实现海底地形模拟仿真，在数据获取方面更加简易；通过多尺度数据的组合，能够灵活适应海图分幅的不规律特征；通过最佳比例尺估算，可以在效果和效率方面取得较好的平衡；在海底地形和陆地地形的拼接之后，以统一色带进行渲染，具有美观高效的效果；通过海底地形和陆地地形的拼接，实现海陆一体化模拟仿真功能，具有灵活、快速、自适应强等特点。

附图说明

图1为来源于US5NC17M.000的水深菱形分布图；

图2为关联海图查询过程示意图；

图3为第一次裁剪示意图；

图4为第二次裁剪示意图；

图5为地形渲染色带示意图；

图6为本发明模拟仿真后的海底地形渲染效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、估算多尺度海图数据的最佳比例尺，具体方法为：

⑴用户输入待查询的地理空间范围(矩形)TargetRect；

⑵计算TargetRect的实地面积T(单位：m²)，水深点处理限额估算为MaxCount，水深间隔整体平均估算值D(单位：m)。

⑶估算单个水深点的平均占用面积A(单位：m²)，A＝T/MaxCount。

⑷估算的最佳比例尺分母为M，M＝Sqrt(A)/D。

下面以图1给出的来源于US5NC17M.000的水深菱形分布为例对本步骤进行说明。使用估算最佳比例尺是为了避免处理过量数据超出***负载能力。为了能正确反映海底地形，海图水深点的构图通常要呈菱形分布。为了简化计算，可将每个水深点的平均占用面积近似按照正方形计算。

假设用户输入待查询的地理空间范围TargetRect为矩形，该TargetRect的实地面积T查询矩形TargetRect对应的实地面积T(单位：m²)，估算水深点处理限额估算为MaxCount，水深间隔(纸图)整体平均估算值D(单位：m)。那么，单个水深点平均最多占用面积A(单位：m²)可按照“矩形面积/容纳点数”估算，即：A＝T/MaxCount；最佳比例尺分母为M，可按照“实际长度/图上长度”估算，即：M＝Sqrt(A)/D。

由于大部分海图数据都存在陆地区要素(无水深点)，因此按照上述比例尺分母提取的水深点数倾向小于MaxCount。利用统计方法，可构建水深间隔与深度区间的大致关系，如下表所示：

为便于计算，可选取中间值0.0015m作为D的初始值。在实际计算过程中，如果发现抽取水深点过少，可适当增大D值；反之，则适当减小D值。

步骤2、计算关联海图数据，具体方法为：

⑴根据待查询的地理空间范围TargetRect，过滤出与TargetRect有重叠的所有海图数据，按照比例尺分母由小到大进行排序，形成MList，形成海图信息列表ChartList。

⑵如果MList和ChartList为空，转步骤⑹；否则，转步骤⑶。

⑶查找最佳比例尺分母是否在MList中存在，如果存在，在ChartList中查找对应海图数据，记为TargetChart；如果不存在，则查找MList中位于M两边的比例尺分母值M₁和M₂，在两者中取最接近M的一个数值TargetM，在ChartList中查找对应海图数据，记为TargetChart。

⑷将TargetChart***TargetChartList末端，从MList中剔除TargetM，从ChartList中剔除TargetChart。

⑸根据TargetChart数据有效范围对应的多边形TargetBoundry，判断ChartList中有效数据范围与TargetBoundry相同或包含于TargetBoundry的海图数据，将其从ChartList中剔除，并在MList剔除相应项。

⑹对TargetChartList中所有数据有效范围进行多边形合并，结果记为UnionBoundry，如果UnionBoundry与TargetRect相同或完全包含TargetRect，过程结束；否则，转步骤⑵。

下面以图2给出的海图数据查询的某个场景为例说明关联海图数据的方法：图中虚线为查询区域TargetRect，过滤得到候选海图列表MList，包括：海图A(1:5万)、海图B(1：10万)、海图C(1：2万)、海图D(1：20万)。假设最佳比例尺分母M为6万，位于M两边的比例尺分母分别为2万和5万。比例尺分母的接近程度可采用三种策略进行计算：

⑴折衷策略：Min(Max(M1，M)/Min(M1，M)，Max(M2，M)/Min(M2，M))

⑵积极策略：选比例尺更大的，Min(M1，M2)；

⑶消极策略：比例尺更小的，Max(M1，M2)；

这里采用折衷策略进行说明，Min(Max(20000，60000)/Min(20000，60000)，Max(50000，60000)/Min(50000，60000))，结果为50000，即应当选用海图A。海图A无法覆盖TargetRect，因此，需在候选海图列表中继续查找关联数据，得到的是海图B，同时由于海图B包含海图C，因此可直接将海图C剔除。海图A和海图B的并集仍然无法覆盖TargetRect，继续查找得到海图D，完成所有关联数据的查找。

步骤3、抽取水深点和陆地区，具体方法为：

⑴令裁剪多边形RemainBoundry＝TargetRect，水深点总集合为AllSoundings，陆地区总集合为AllLandAreas。

⑵如果TargetChartList为空，则过程结束；否则，从TargetChartList中选取第一个海图数据，记为TargetChart。

⑶从TargetChart中提取所有水深要素，记为集合Soundings，提取陆地区要素，记为集合LandAreas，使用RemainBoundry对这两个要素集合进行裁剪，保留位于RemainBoundry内部的要素，分别合并入AllSoundings和AllLandAreas。

⑷使用TargetChart的数据有效范围TargetBoundry对RemainBoundry进行裁剪，令RemainBoundry＝RemainBoundry-TargetBoundry。

⑸如果RemainRect为空，则过程结束；否则，将TargetChart从TargetChartList中剔除，转步骤⑵。

本步骤在图2基础上，进行第一次水深点和陆地区数据抽取时，使用TargetRect对海图A进行要素裁剪，得到图3种横线部分数据，同时裁剪多边形缩小为图3斜线部分；第二次数据抽取时，裁剪多边形完整包含了海图B，因此海图B内的水深点和陆地区全部保留，同时裁剪多边形缩小为图4斜线部分；第三次数据抽取时，剩余的裁剪多边形被海图D包含，保留海图D内斜线部分，裁剪多边形剩余为空。

符合IHO国际标准的海图数据中水深要素名称简写为SOUNDG，数字编码为129，显示为黑色；陆地区要素名称简写为LNDARE，数字编码为71，显示为黄色。

步骤4、海陆格网拼接，具体方法为：

⑴对AllLandAreas中所有多边形进行合并重组，构建一个新的陆地区总集合NewAllLandAreas。

⑵以AllSoundings作为离散点，以NewAllLandAreas中所有多边形的边界作为0米约束线，构建Delaunay约束三角网。

⑶已知TargetRect宽为Width，高为Height，面积为RectArea，离散点总数为SoundingsCount，计算格网横间距为GridCellX＝Sqrt(RectArea/SoundingsCount)×Sqrt(Width/Height)/N，格网纵间距为GridCellY＝Sqrt(RectArea/SoundingsCount)×Sqrt(Height/Width)/N，N为正整数，可根据用户需要和显示效果实时手动调整。

⑷对于TargetRect内所有位于NewAllLandAreas多边形内的网格点设置为无效。

⑸对于非无效网格点，通过利用插值算法生成每个网格点的高度值(负值)。

⑹对无效网格点，通过陆地DEM插值算法重新计算高度值(正值)。

在本步骤中，构建约束三角网的方法有很多，例如，Jonathan Richard Shewchuk提供了一套完整的方法和工具(参见“A Two-Dimensional Quality Mesh Generator andDelaunay Triangulator”)。

水深点的平均面积为RectArea/SoundingsCount，平均间距为Sqrt(RectArea/SoundingsCount)。为了使得后续构造的规则格网横间距和纵间距相等，初始横间距设置为GridCellX＝Sqrt(RectArea/SoundingsCount)×Sqrt(Width/Height)，初始纵间距设置为GridCellY＝Sqrt(RectArea/SoundingsCount)×Sqrt(Height/Width)。根据需要可对格网进行加密，即间距处于N。

在插值计算过程中，对于三角网内部的格网点，需查找格网点所处的三角形，可通过坐标范围做快速筛选，使用向量叉积进行精确判断，最后使用反距离插值法计算该点深度值；对于三角网外部的单个格网点，以格网间距大小向四周搜索离散水深点，如果找到的点数不足3个，则以2倍、3倍甚至更多倍间距进行搜索直到满足，从中找出最靠近格网点的3个点，构造平面方程，进行格网深度值的外推计算。

步骤5、通过色带配色方法构建海陆立体渲染图。

在构建海陆立体渲染图过程中，色带的构建方法是影响地形渲染效果的重要内容。如图5所示，本实例给出的色带包含两部分，一是海底，选用蓝色渐变，二是陆地，选用绿色、褐色和白色共同渐变。将色带按照图片进行存储，通过贴纹理可实现配色，从而构建出完整的海陆立体渲染图，如图6所示。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、估算多尺度海图数据的最佳比例尺；

步骤2、根据待查询的地理空间范围计算关联海图数据；

步骤3、抽取水深点和陆地区；

步骤4、海底地形规则格网插值与海陆拼接；

步骤5、使用色带配色方法构建海陆立体渲染图；

所述步骤1的具体方法包括以下步骤：

⑴用户输入待查询的地理空间范围TargetRect；

⑵计算TargetRect的实地面积T，水深点处理限额估算为MaxCount，水深间隔整体平均估算值D；

⑶估算单个水深点的平均占用面积A，A＝T/MaxCount；

⑷估算的最佳比例尺分母为M，M＝Sqrt(A)/D。

2.根据权利要求1所述一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其特征在于：所述步骤2的具体处理方法包括以下步骤：

⑴根据待查询的地理空间范围TargetRect，过滤出与TargetRect有重叠的所有海图数据，按照比例尺分母由小到大进行排序，形成MList，形成海图信息列表ChartList；

⑵如果MList和ChartList为空，转步骤⑹；否则，转步骤⑶；

⑶查找最佳比例尺分母M是否在MList中存在，如果存在，在ChartList中查找对应海图数据，记为TargetChart；如果不存在，则查找MList中位于M两边的比例尺分母值M₁和M₂，在两者中取最接近M的一个数值TargetM，在ChartList中查找对应海图数据，记为TargetChart；

⑷将TargetChart***TargetChartList末端，从MList中剔除TargetM，从ChartList中剔除TargetChart；

⑸根据TargetChart数据有效范围对应的多边形TargetBoundry，判断ChartList中有效数据范围与TargetBoundry相同或包含于TargetBoundry的海图数据，将其从ChartList中剔除，并在MList剔除相应项；

⑹对TargetChartList中所有数据有效范围进行多边形合并，结果记为UnionBoundry，如果UnionBoundry与TargetRect相同或完全包含TargetRect，过程结束；否则，转步骤⑵。

3.根据权利要求1所述一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其特征在于：所述步骤3的具体处理方法包括以下步骤：

⑴令裁剪多边形RemainBoundry＝TargetRect，水深点总集合为AllSoundings，陆地区总集合为AllLandAreas；

⑵如果TargetChartList为空，则过程结束；否则，从TargetChartList中选取第一个海图数据，记为TargetChart；

⑶从TargetChart中提取所有水深要素，记为集合Soundings，提取陆地区要素，记为集合LandAreas，使用RemainBoundry对这两个要素集合进行裁剪，保留位于RemainBoundry内部的要素，分别合并入AllSoundings和AllLandAreas；

⑷使用TargetChart的数据有效范围TargetBoundry对RemainBoundry进行裁剪，令RemainBoundry＝RemainBoundry-TargetBoundry；

⑸如果RemainRect为空，则过程结束；否则，将TargetChart从TargetChartList中剔除，转步骤⑵。

4.根据权利要求1所述一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其特征在于：所述步骤4的具体处理方法包括以下步骤：

⑴对AllLandAreas中所有多边形进行合并重组，构建一个新的陆地区总集合NewAllLandAreas；

⑵以AllSoundings作为离散点，以NewAllLandAreas中所有多边形的边界作为0米约束线，构建Delaunay约束三角网；

⑶已知TargetRect宽为Width，高为Height，面积为RectArea，离散点总数为SoundingsCount，计算格网横间距为GridCellX＝Sqrt(RectArea/SoundingsCount)×Sqrt(Width/Height)/N，格网纵间距为GridCellY＝Sqrt(RectArea/SoundingsCount)×Sqrt(Height/Width)/N，N为正整数并可根据用户需要和显示效果实时调整；

⑷对于TargetRect内所有位于NewAllLandAreas多边形内的网格点设置为无效；

⑸对于非无效网格点，通过利用插值算法生成每个网格点的高度值；

⑹对无效网格点，通过陆地DEM插值算法重新计算高度值。

5.根据权利要求4所述一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其特征在于：所述步骤⑸生成每个网格点的高度值为负值；所述步骤⑹重新计算的高度值为正值。

6.根据权利要求1所述一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其特征在于：所述步骤5中的色带包含：⑴蓝色渐变的海底部分，⑵绿色、褐色、白色共同渐变的陆地部分。

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