航道水下數字高程模型的構建方法

曾 濤,楊武年,盧秀明,劉漢湖,吳志春

(1.成都理工大學 遙感與G IS研究所,四川成都 610059;2.廣東正方圓工程咨詢有限公司,廣東廣州 510023;3.成都勘察測繪研究院,四川成都 610081)

航道水下數字高程模型的構建方法

曾 濤1,楊武年1,盧秀明2,劉漢湖1,吳志春3

(1.成都理工大學 遙感與G IS研究所,四川成都 610059;2.廣東正方圓工程咨詢有限公司,廣東廣州 510023;3.成都勘察測繪研究院,四川成都 610081)

以東莞市某航道水下數字地形構建為例,應用GPS-RTK技術并配合測深儀,獲取水下地形測量原始數據。通過VC+ObjectARX CAD二次開發,在構建格網DEM精度和運行效率方面,利用幾種內插方法實現了數字航道水下地形模型的構建,得出在水下地形起伏不大的情況下,TIN線性內插在構建航道格網DEM中是一種高效率、高精度的方法。

數字航道;水下地形;ObjectARX CAD+VC;DEM內插

0 前言

近年來,我國各地數字城市、數字地球的建設如火如荼,各行各業的信息數據管理都向數字化方向發展。城市內河航道運輸業也在快速地發展。為了提高我國內河航道管理的效能,使之能更好地服務于內河航運經濟發展[1、2],提出了建立數字航道的構想。其中,航道信息資源數字化的實現就是數字航道的一個核心方面,它是實現數字化航道的基礎性支持體系[3]。由于船舶安全航行離不開高質量的航道水下地形數據,因此,在航道信息資源數字化建設中離不開航道數字地形模型的構建,尤其是水下高精度數字地形模型的構建。

航道水下地形數據相對于地面地形數據的密集而言,水下地形數據稀疏,點分布不均勻,有時很長一段的航道內點的高程變化不大,這就需要找到一種高效的內插算法,構建高精度的三維水下地形模型。作者在東莞市某航道利用GPS-RTK配合測深儀技術獲取水下地形測量原始數據的基礎上,通過VC+ObjectARX CAD二次開發,對比幾種內插方法在構建格網DEM精度和運行效率方面的效果,得出在水下地形起伏不大的情況下基于TIN的線性內插是一種高效率、高精度的內插方法,實現了航道水下數字地形模型的構建。

1 東莞航道水下地形數據采集

要構建航道水下數字地形模型,首先要獲取必要的水下地形三維原始數據。目前,水下三維地形數據主要依靠實地水下地形測量完成。隨著GPS定位技術、水聲測量技術和電子計算機技術的發展,水下地形測量技術從傳統的光學定位,單波束測深,手工進行數據處理和繪圖,成果單一的時代跨入GPS定位,使用多種測深手段,數據處理和繪圖自動化,成果多樣化的嶄新時代[4]。

實時動態(Real Tim e Kinem atics,簡稱RTK)技術是一種高效的定位技術,它是以載波相位觀測為依據的實時差分GPS(RTK GPS)測量技術[5]。目前RTK測量技術已經普遍應用于水下地形測量,其基本作業模式是在船上使用雙頻GPS,以RTK作業方式+便攜機+數字測探儀實時水深數據自動采集。由于雙頻RTK定位實時高程精度較高,因此同時可以取代水尺布測水位觀測等多道復雜的工序[4]。在本次試驗中,我們就使用了RTK和數字測深技術,對東莞航道從石龍至老虎圍尾河段(全長34 km,測量面積17 km2),進行水下測量,測繪了1∶2 000的水下地形圖,為水下DEM構建提供了現實、精確的數據。

2 航道水下數字地形模型的構建

2.1 構建航道水下數字地形模型的方法

水下地形是一個復雜的曲面,在不規則分布的點中間,存在著一些具有特殊結構的特征點及特征線。在格網DEM內插的過程中,如果不能將這些特征點、線的信息有效地利用起來,就會在一定程度上影響DEM內插精度,最終導致DEM顯示效果的失真。作者在本文中,在對比分析前人構建數字高程模型方法和技術的基礎上[6、7],通過多次實驗,選取適合水下地形建模的方式,最終確定了基于TIN到格網DEM內插方法構建航道水下數字地形模型。

2.2 航道水下數字地形模型構建過程

本次實驗在W in2000操作系統和V isual C+Ob jectARX Au toCAD二次開發編程平臺上,實現了從TIN到格網DEM內插方法。具體建立步驟如下:

2.2.1 TIN的構建

建立TIN過程的實現函數定義如下:

int FvsTriangle InCirc le(doub le xp,double yp,double x1,doub le y1,double x2,doub le y2,double x3,double y3,doub le＊xc,double＊yc,double＊r);//判定點是不是在外接圓內

int BuildTin(int nvert,CA rray&Vertex,CA rray&Triangle);//構建TIN的主函數

void W riteFileCTinOb j(CA rray&Triangle,int inum ber);//輸出文件

boo lReadData(CA rray&m_data,ads_point&wm in,ads_point&wm ax,double&dm inH ight);//讀取測量數據

boo lReadTin(CA rray&Triangle,int&iTinNum ber,CString strfilenam e);//讀取已有的TIN文件

void DeltinFun()//刪除TIN某個三角形

程序運行結果如圖1所示。

由于部份三角形理論上是不應連到一起的,如果讓這些多余的三角形參與內插計算,會影響到內插的精度。在CAD運行命令DELTIN選擇多余的三角形后刪除,即可得到如圖1(b)所示的符合實際的三角網。

圖1 由離散數據生成三角網Fig.1 The triangulation generated by discrete data

2.2.2 航道水下地形格網DEM的內插

基于Ob jectARX AutoCAD二次開發提供了如圖2(見下頁)所示的三種方法:

(1)基于TIN的線性內插。

(2)距離加權內插。

(3)移動曲面擬合內插。

在程序運行時,只要選擇前面的數字序號就可以進行相應的內插計算。

基于TIN的線性內插結果如下頁圖3所示(格網距離10m)。

圖2 內插方法的選擇Fig.2 The selection of interpo lationm ethod

圖3 由TIN內插生成的格網DEMFig.3 Constructing underwater gird DEM based on TIN interpo lation

圖4 二種內插方法生成的格網DEM效果對比圖Fig.4 The resu lts comparison of the underwater girdsDEM constructed by two interpo lationm ethods

3 基于TIN到格網DEM內插方法評定

基于TIN到格網DEM內插方法建立了航道水下數字地形模型。下面從DEM三維顯示和精度二個方面,評定基于TIN到格網DEM內插構建水下DEM的效果。

3.1 三維顯示效果對比

圖4(a)是基于TIN的線性內插立體效果,圖4(b)是移動曲面擬合內插方式生成的格網DEM立體效果(由于基于距離加權內插和移動曲面擬合內插效果幾乎一致,在此不在單獨附圖)。由圖4可初步判斷,基于TIN到格網DEM的線性內插方法,充分顧及了水下地形的地貌特征,構建的水下DEM立體效果較好。

3.2 DEM精度評定

DEM精度評定可通過二種不同的方式進行:(1)平面精度和高程精度分開評定。

(2)二種精度同時評定。

對第一種方式,平面的精度結果可獨立于垂直方向的精度結果而獲得。但對第二種方式,二種精度的獲取必須同時進行。在實際應用中,一般只討論DEM的高程精度評定問題。常用的DEM精度評定方法有檢查點法、剖面法、等高線法等[8、9]。基于檢查點法編寫程序較易實現,計算量較小的特點。

作者在本次試驗中,采用基于檢查點法實現DEM內插精度的評定。檢查點隨機分布在東莞航道從石龍至老虎圍尾河段,檢查點水下高程數據通過高實測方式獲取,通過DEM內插生成檢查點的內插高程,根據檢查點的實測高程和內插高程之差計算中誤差。將中誤差作為DEM精度評定指標,通過對比不同建模方法獲取的中誤差大小,評定水下DEM建模方法的好壞。

根據運行編寫好的程序,三種DEM內插方法在不同格網間隔得到的中誤差結果如表1所示。

表1 幾種內插方法的精度對比表Tab.1 Comparison of the accuracy of several interpo lation m ethods

由表1可以看出,格網間距越小,DEM內插中誤差越小。在相同格網間距的前提下,作者選用的基于TIN到格網DEM內插方法中誤差最小,構建的DEM精度最高,建模效果最好。

4 結語

通過內插精度數據分析和程序運行的結果可以得出,基于TIN的線性內插精度高,內插效果好,能滿足本工程的精度要求。移動曲面擬合法的精度相對較差,原因是移動曲面擬合法對選點的要求、選點的范圍都很難調整到最理想的狀態。距離加權在三維數據內插的精度不為樂觀,但是運行比較穩定,在對精度要求不高的情況下,可以采用這種內插方法。

航道水下數字地形模型的構建是一件復雜的事情,它既要考慮數據內插的精度,又要考慮三維顯示和漫游的效果。由于時間關系,作者在本文未對航道水下數字地形模型三維顯示作探討。從本次的試驗只能得出在水下地形起伏不大的情況下,構建航道水下數字地形模型,宜選用基于TIN的線性內插的方法,該方法不但效率高,而且精度也較高。

[1]董春來,史建青,焦明連.數字航道地形模型建設實踐與研究[J].測繪技術裝備,2007,9(1):3.

[2]眭海剛,王娟,張安民,等.基于三維G IS的數字航道若干關鍵技術研究[J].武漢大學學報信息科學版,2006,31(8):713.

[3]胡寧,劉楊.數字航道技術在內河航道管理中的應用[J].水運工程,2007,(10):52.

[4]劉樹東,田俊峰.水下地形測量技術發展述評[J].水運工程,2008,(1):11.

[5]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].北京:科學出版社,2003.

[6]賈俊濤,翟京生,譚冀川.海底地形數據的格網DEM內插方法[J].海洋測繪,2003,23(6):24.

[7]張瑞軍,楊武年,曾濤.數字高程模型(DEM)的構建及其應用[J].工程勘察,2005,(5):61.

[8]馮桂,林宗堅.DEM高精度內插算法及其實現[J].遙感信息,2000,(4):402.

[9]周興華,姚藝強,趙吉先.DEM內插方法與精度評定算法及其實現[J].測繪科學,2005,(10):86.

TP 72

A

1001—1749(2011)01—0083—04

國家自然科學基金項目資助(41071265)

2010-07-08 改回日期:2010-11-17

曾濤(1977-),女,四川遂寧人,講師,博士,研究方向:“3S”技術及其應用。