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：本文論述當前航道多波束水深測量數據特點、DEM結構模型以及建模方法，選擇了格網DEM作為航道水底建模數據格式；然后依托ArcGIS平臺內嵌的兩種國內外廣泛應用的建立格網DEM的方法—由TIN（不規則三角網）生成格網DEM和基于ANUDEM生成格網DEM，對長江某段航道進行了水底DEM構建；最后通過回放兩類方法生成DEM的等深線與現有的等深線對比，分析了其精度。

關鍵詞：長江航道；DEM；TIN；多波束；Arc GIS

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

1引言

航道動態數學模型，是實現長江數字化航道的基礎。然而，作為數字航道基礎空間數據庫中重要組成部分的數字高程模型（DEM）尚未統一有效地建立起來，現用的地形圖方式來表達水底河床形態無法滿足數字航道建設對快速變化的水底地形的即時性更新表達的要求。因此，基于目前長江航道現有數據庫群，以日常采集的快速變化的航道基礎測量數據作為基礎，構建長江航道基礎空間數據庫和航道河床數字化地形模型（DEM）不僅是完善長江航道基礎空間數據庫的重要措施，也是建設數字航道的重要數據支撐。

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

2多波束測深系統

多波束測深系統是各種高新技術的組合系統，包含了如數字化傳感器、高精度聲速儀、潮位儀、高精度導航定位設備、具有高性能數字信號處理的計算機等相關系統。它獲得水下具有高密度水深點的方式，是通過以廣角定向接收、發射波束的方法，因而是條幅式海底地形數據。

多波束測深系統外業生成的原始地形數據為點云數據，由于在測量過程中，受船運動姿態、聲速剖面、船速等因素影響，使得測量數據不精確，信號不準確，存在不合理的水深點，進而產生虛假的地形。因此，需要對采集到的原始數據進行進一步的處理來消除虛假信號，剔除不合理水深點，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據進行修正，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DEM建模

3.1基于ArcGIS的長江某一段河道水底格網DEM構建

3.1.1多波束TXT輸出數據轉換

本文實驗數據為一長約4.3公里的長江航道水底地形數據，多波束原始測量數據因為巨大通常采用其配套數據處理軟件進行網格化處理壓縮輸出，一般輸出為txt文件，其每一行包含了一個數據點x，y，z，間距為1M，該文件大小約為37M，包含100多萬個數據點。

3.1.2 ANUDEM算法構建格網DEM

ANUDEM的算法已經集成于ARCGIS系統，在ArcToolBox中為Topo to Raster，該工具要求添加要素類，設置要素類型、要素高程字段以及輸出數據目錄，但由于原始數據范圍的不規則性，其插值生成的DEM的范圍會默認為原始測量區域的最小外包矩形，需進行裁切得到測量區域的DEM，如圖1 所示.此外本實驗區域采用ANUDEM算法建模時間為51秒。

3.1.3 TIN構建格網DEM

ArcGIS中采用帶約束的Delaunay三角網構TIN，其三角網為動態生成算法，如圖2其通常使用edit tin 工具構TIN，在本文實驗中，除了添加點要素設置其高程屬性和數據屬性外，還需添加測量區域的范圍線設置其約束邊類型。

構得的TIN通過Tin to Raster工具內插（包括線性內插和自然鄰域內插）生成格網DEM，且因為邊界形成的狹長三角形也需要進行測量區域范圍的裁切，如圖3所示為TIN采用線性內插轉換DEM再裁切的結果。由構TIN生成本實驗區域格網DEM時間為6分鐘46秒。

3.2兩種格網DEM建模方法比較精度

本文主要采用比對構建航道水底格網DEM回放的等深線與生產的等深線的擬合程度比較兩類建模方法。根據DEM分辨率與等深線比例尺反映地貌細節的對應關系，實驗中采用數據部門生產的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建模方法在平緩區域容易出現零碎閉合等深線。因此ANUDEM建模方法構建的水底格網DEM比之TIN DEM的方法更能體現航道水底河床形態。

4總結

本文針對長江數字航道水底地形構建數字高程模型（DEM）做了以下工作：①根據多波束測探技術，結合其測量數據的離散性、海量性特征與DEM的數據結構與內插方法特征，確立兩種國內外陸地測繪的主流建模方法進行航道水底地形格網DEM的構建；②從數據的管理、建模、存儲、可擴展性等角度選取了ARCGIS平臺作為多波束數據構建格網DEM的技術平臺，并基于ARCGIS平臺實現了從測量數據到管理到建模的一體化流程，最后以一段長江航道實驗數據構建了該實驗區域的2米格網DEM，并通過建模效率與對河床地貌表達精度上（對比回放等深線與1：2000比例尺等深線圖），發現基于ANUDEM的格網構建方法無論從效率上還是地貌表達精度上都優于基于TIN的格網DEM構建方法。

參考文獻：

[1] 劉兵.長江河床動態更新及空間分析的研究與實現[D].大連：大連海事大學，2008.

[2] 姚仕明.三峽葛洲壩通航水流數值模擬及航運調度系統研究[D].北京：清華大學，2006.

[3] 眭海剛，張安民，萬大斌，et al.三峽航道三維可視化與分析系統的設計與實現[J].人民長江，2005，（11）：10-13+73.

[4] 陳界仁，劉云，楊濤，et al.數字航道構建研宄一以贛江樟樹南昌河段為例[J].人民長江，2006，37（7）：57-59.

[5]胡波.三維航道動態監控系統應用研究[D].大連：大連海事大學，2008.