潮汐潮流對登陸可行性的可視化評估方法

張 進 李樹軍 孟凡軍

（1.32023部隊 大連 116021）

（2.海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋與測繪系 大連 116018）

（3.海軍大連艦艇學(xué)院海洋測繪工程軍隊重點實驗室 大連 116018）

1 引言

登陸場的潮汐潮流直接影響著登陸與抗登陸作戰(zhàn)、布雷、掃雷、艦艇活動和水下武器的使用等［10］。目前潮汐潮流的預(yù)報方式主要是動力方法和統(tǒng)計方法。前者管理繁瑣，需要長時間的高分辨率預(yù)報，計算量大，研究區(qū)域一旦確定，每次預(yù)報不能隨意更改；后者觀測時間序列長，只適用于有限站點，無法得到一個區(qū)域的潮汐潮流場的整體情況［1～4，13～14］。傳統(tǒng)海圖是通過水深注記表達的海底地形上加繪潮流矢量圖實現(xiàn)的，記錄地點少，不具備時態(tài)特征，如圖1。可視化方面，對潮流的可視化表達有斷面平均流速矢量、定點時間序列、逐時潮流矢量圖和大面流場的矢量表達等多種表達方法［5～8，15］。

本文充分考慮潮位變化和潮流進退規(guī)律，根據(jù)潮汐潮流預(yù)報中數(shù)值計算方法和調(diào)和分析方法的優(yōu)缺點，采用將兩者結(jié)合起來進行預(yù)報的方法，對登陸區(qū)域潮汐潮流的預(yù)報和可視化仿真，分析了潮汐潮流對登陸可行性的影響，實現(xiàn)了可視化評估登陸的可行性，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 潮汐潮流的可視化建模

2.1 潮汐的可視化建模

根據(jù)潮汐變化規(guī)律來推算潮汐未來的情況，被稱為潮汐預(yù)報。潮汐預(yù)報的基本原理，就是潮汐分析的反演，即一方面需有該地已知的潮汐調(diào)和常數(shù)，另一方面尚需天文參數(shù)，這就是常用的調(diào)和預(yù)報法。調(diào)和方法的表達式為

式中，i考慮的分潮數(shù)；A0是平均海面；fi為交點因子；ωi為分潮角速率；(V0)格i表示格林尼治天文初始位相角（用于推算起始日期）；t為區(qū)時時間；u格i-gi為天文角的交角訂正角；分潮調(diào)和常數(shù)包括：代表分潮的振幅 Hi，代表分潮的專用遲角gi。 fi，u格i-gi的變化由于緩慢，因此，它們在某一段時間內(nèi)可取為常值（等于該段中間時刻的 fi和 u格i-gi格值）。

2.2 潮流的可視化建模

潮流的觀測可以采用浮漂移測流法，定點測流法等方法。通過對觀測資料的分析，重要的是對未來的變化進行預(yù)測和可視化表達。本文采用潮流調(diào)和常數(shù)，用調(diào)和方法進行潮流的預(yù)報，原理如下：潮流的描述與潮汐類似，在海上某點需要用兩個互相正交的方向上的振動進行迭加，在北、東兩個分量上將潮流分解，結(jié)合給定的潮流調(diào)和常數(shù)，計算已知時刻潮流北、東兩個分量，進而計算潮流的流速和流向，實現(xiàn)潮流的預(yù)報。其公式如下：

式中，u0、v0表示平均潮流，Ui、Vi是各分潮潮流的振幅，ζi是分潮潮流北分量專用遲角，ηi表示東分量專用遲角，W表示潮流的大小，θ表示潮流的方向。

3 潮汐潮流的可視化表達與集成顯示

3.1 潮汐潮流網(wǎng)格劃分

根據(jù)第2節(jié)所示原理，在整個登陸區(qū)域水平方向采用 21×15的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1000m×1000m，X軸向西為正，Y軸向北為正，Z軸向上為正；垂直方向表示水深方向，分為0m，2m，5m，10m，20m共5層，水平方向的網(wǎng)格劃分如圖1所示。計算出每個網(wǎng)格點逐時的潮位值和潮流的流向、流速，生成記錄文件，每個網(wǎng)格點一個記錄，外循環(huán)由東向西，內(nèi)循環(huán)從南至北的記錄順序。每月逐時潮位數(shù)據(jù)作為潮位的每個記錄數(shù)據(jù)；每月逐時潮流流速和流向代表潮流的每個記錄數(shù)據(jù)；每個記錄的數(shù)據(jù)為2字節(jié)整型，9999表示陸地或無資料。

圖1 潮汐潮流網(wǎng)格劃分圖

3.2 潮汐的可視化表達與集成顯示

潮汐的可視化主要包括單點潮汐和區(qū)域潮汐數(shù)據(jù)的可視化。單點潮汐數(shù)據(jù)的可視化主要通過讀取潮汐的過程數(shù)據(jù)，即潮位隨時間的變化規(guī)律然后繪制潮汐曲線而實現(xiàn)的；區(qū)域潮汐數(shù)據(jù)的可視化主要是讀取某一時刻整個區(qū)域的潮位數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)填充或渲染的方法進行可視化。本文選取了三個不同時刻的登陸場區(qū)域潮位數(shù)據(jù)，分別進行了三維可視化渲染，圖2（a）、（b）、（c）分別是三個不同時刻的潮汐顯示圖。

圖2 不同時刻潮汐顯示

從圖2中可以清晰看出潮位隨時間的變化情況，時刻1的潮位最高，時刻2潮位降低，時刻3達到最低。而對于固定時刻登陸場區(qū)域的潮汐，由于每個網(wǎng)格點之間的潮位高度差別只有cm量級，在圖中很難顯示出差別，因此顯示效果并不明顯。

3.3 潮流的可視化表達與集成顯示

潮流是動態(tài)變化要素，所以潮流的可視化包括單點潮流和區(qū)域潮流數(shù)據(jù)的可視化以及區(qū)域潮流的動態(tài)演示［5～8，14～15］。根據(jù)登陸場地理環(huán)境可視化的要求，以及已有數(shù)據(jù)條件的限制，本文主要實現(xiàn)了登陸場區(qū)域潮流數(shù)據(jù)的可視化，而沒有分析單點潮流的情況，因此無法實現(xiàn)區(qū)域潮流的動態(tài)演示。對于區(qū)域潮流數(shù)據(jù)的可視化，本文考慮到與地理環(huán)境其他要素集成顯示的效果，主要采用了大面流場的矢量表達方法，流速大小用箭頭長短代表，流向用箭頭方向代表。本文分別進行了同時刻不同深度層的潮流顯示和同深度不同時刻潮流顯示。圖3中（a）、（b）分別是某時刻 h=2m 和 h=10m 的大面積流場矢量表達，圖4中（a）、（b）分別是 h=2m不同時刻的漲潮流和落潮流的潮流大面積矢量表達。

圖3 同時刻不同深度下的潮流顯示

圖4 同深度不同時刻的潮流顯示

從圖中可以看出，效果圖直觀清晰顯示潮流，漲潮流和落潮流在不同時刻的顯示有明顯差別；而同時刻深度為10m的潮流比深度為2m的潮流相比，潮流方向沒有多大變化，而潮流大小明顯變化。

3.4 融合技術(shù)集成顯示

融合技術(shù)是實現(xiàn)各要素集成的關(guān)鍵因素，它使得海面、潮流、海底之間或海浪、潮流、海底之間的通視成為可能。并且現(xiàn)實世界中的海水本來就是半透明化的，融合技術(shù)可以使模擬的效果更加逼真。調(diào)用融合技術(shù)的關(guān)鍵函數(shù)代碼如下：

本文采用上述融合技術(shù)，對登陸區(qū)域潮汐潮流等要素進行集成顯示。其中，海底地形、潮汐采用三維渲染的方法，潮流采用大面流場的矢量表達方法。

圖5是同一時刻的海底地形、潮汐、潮流的三維集成顯示圖，其中圖5（a）的潮流水深為2m，圖5（b）的潮流水深為10m，圖5（c）是水深為2m、10m的雙層潮流疊置顯示圖。

圖5 同時刻三維集成顯示

4 實驗與分析

本文對某登陸地域進行實驗，分析潮汐潮流對登陸可行性的影響，按范圍劃分為可登陸、尚可登陸、不能登陸三個等級［9］，相應(yīng)等級設(shè)置為不同顏色，分別進行了登陸可行性的三維可視化靜態(tài)和動態(tài)評估，可登陸級別與顏色的對應(yīng)表1。

表1 登陸級別與顏色對應(yīng)表

4.1 靜態(tài)環(huán)境下潮流對登陸可行性的評估

單艦登陸的最佳時機是高潮時刻，因此靜態(tài)評估在進行地理環(huán)境各要素對登陸可行性的可視化評估時，選擇高潮時刻進行研究［11］。考慮到艦船的吃水等因素，確定顯示的潮流深度在2m。然后基于3.3所示的潮流可視化方法，進行潮流的可視化顯示，對此地域進行實驗，結(jié)果如圖6。

從圖中可以看出，本海區(qū)此時刻的潮流較小，各地域均滿足可登陸與尚可登陸要求，經(jīng)分析得到潮流對登陸可行性的登陸可行性地帶圖。實驗結(jié)果如圖7。

圖6 潮流對登陸的可行性顯示

圖7 登陸可行性地帶圖

4.2 動態(tài)水位影響下的登陸可行性的評估

實際登陸作戰(zhàn)一般在高潮前2h～3h發(fā)起，不可能只在一個時間點進行［10，12］。而在此登陸時間段內(nèi)，水位不可能是一成不變的，水位的不同將會引起0～5m水深區(qū)間的變化，相應(yīng)潮流也會隨之改變，因此基于動態(tài)水位研究登陸可行性可視化評估是必要的。

在傳統(tǒng)研究中，對登陸可行性的研究大多采用靜態(tài)的方法，沒有考慮水位的變化［11～12］。實際中，隨著水位的漲落，登陸區(qū)域潮流也隨之變化，根據(jù)前面所述的方法對各時刻的潮流進行可視化表達，分別提取出某一高潮時刻和平均海面時刻的登陸可行性地帶，實驗結(jié)果如圖8（a）、（b）所示。

圖8 高潮和平均海面的登陸可行性對比

圖9 是另一時刻當(dāng)潮流條件發(fā)生明顯變化后，登陸可行性發(fā)生較大變化的結(jié)果。從圖中可以看出，潮流不能登陸條件對登陸可行性造成了整體的影響。

圖9 不同潮流條件下登陸可行性比

5 結(jié)語

本文分析了潮汐潮流對登陸可行性的影響，分別實現(xiàn)了潮汐潮流對登陸可行性的可視化評估，并進行了集成顯示，最后在動態(tài)水位影響下的潮流對登陸可行性評估，并進行了動態(tài)綜合顯示。實驗表明，所提方法對選擇登陸地域的可行性提供準(zhǔn)確科學(xué)的參考依據(jù)。