海底管道多波束數據可視化方法研究

王金龍

摘 要：海底管道的裸露部分，存在著很多不同的情況，比如懸空、全裸露，半裸露等，有些裸露的管道，露出海底面的高度僅僅有十幾厘米;反映在根據水深變化形成的圖像上，產生的效果圖很難判斷和顯示裸露情況。針對這個問題，使用海底斜率數據，基于DEM生成坡度圖，大大加強了海底管道多波束數據的可視化效果。

關鍵詞：海底管道;坡度圖;可視化

引 言

針對海底管道的探測項目，工作內容包括海管的裸露及懸空情況探測、水深地形測量、淺地層探測、探測管道位置及埋深等工作，其中最主要的是使用多波束測深儀的探測，利用多波束測深儀得到的海量XYZ數據，得到水深地形變化，海底管道裸露情況等，傳統的處理方法是生產等深線圖和DEM渲染圖，以此來顯示海底地形和管道裸露情況，但是海底管道裸露出海底面的高度，常常僅有十幾厘米;反映在根據水深變化形成的圖像上，體現不出很大的差異，產生的效果圖很難判斷和顯示裸露情況。所以使用水深變化數值來表現這種傳統方法，往往不能很好的顯示海底管道的裸露情況。

在探測過幾條海底管線并進行資料處理后，經過認真分析，針對海底管道與其它目標物的不同特點，比如一條海底管道，裸露出來的部分沿一定距離是保持一種線性規則變化的，海底管道本身外形尺寸是有固定值的，這是區別于自然海底的重要不同。基于此我們考慮到使用斜率這一數據，基于DEM生成坡度圖，能夠加強海底管道多波束數據的可視化效果，使可視化圖形更加一目了然。

一、方法路線

1、軟件的選擇：生成坡度圖，可以用ARCGIS等GIS軟件，但對于處理海底管道數據，基于簡單快捷的原則，我們選擇了SURFER軟件來生成坡度圖。

2、坡度和方位數據的處理方法：該方法將基于DEM生成斜坡的方向（方位）和斜坡的坡度（以度為單位），并使用顏色和飽和度來顯示組合結果。面向不同方向的斜坡使用不同的顏色，并且該顏色的飽和度顯示該斜坡的陡度（顏色越亮，斜率越陡）。兩種數據共同的渲染，可以顯示在DEM圖中可能被忽視的小的變化。

但是方位和坡度是兩個數據，基于XYZ數據的網格做圖工具無法直接處理，所以要對這連個數據進行合并處理：將坡度數據重新分類為0到8的區間，步長為2，如表1所示;并將方位數據重新分類為10到80的區間，步長為10，如表2所示。

將坡度和方位兩個數據根據上表重新分類賦值，然后合并為一個數據，此數據就包含了坡度和方位，數值范圍10-88，這是坡度的最小值加上方位的最小值（10 + 0）和坡度的最大值加上方位的最大值（80 + 8）。數字中的十位數是方位，個位數是坡度。例如，值24表示方位角在22.5°和67.5°方位角之間（因為第一個數字是2），坡度在15%到30%之間（因為第二個數字是4）。

然后，我們將根據此組合值創建地圖并對其進行著色。實際顏色基于方位（十位數）和該顏色的飽和度基于坡度（個位數）。由于任何一個地方都有0的值（例如10，20，30等）相對平坦（0-5°之間的斜率），我們可以為它指定一個我們可以完全透明的扁平灰色。對于其他顏色，我們可以使用預定義色標來進行著色渲染，如圖1所示。

3、生成海底管道坡度圖的方法：第一步，把原始的多波束數據經過處理后輸出為XYZ數據。第二步，在SURFER軟件中，點擊GRIDS選單，根據原始XYZ數據生成GRID網格數據，此時生成的網格數據是基于深度的，網格的大小，要根據原始野外數據采集的精度來確定，為提高分辨率，盡可能的要相近。第三步，根據原始網格數據，生成坡度數據：

選擇生成的坡度數據文件：

輸入函數：? IF（A> = 45，8，IF（A> = 30.0且A <45，6，IF（A> = 15且A <30，4，IF（A> = 5且A <15， 2，IF（A> = 0和A <5，0，A）））））

單擊“ 輸出網格文件 ”右側的“ 更改文件名”按鈕，為文件指定一個新名稱然后單擊“ 保存”。單擊“ 確定”，然后創建網格。

第四步，創建方位數據網格。

打開原始網格數據后：

在Grid Calculus對話框中，選擇Terrain Modeling | 地形方面。

單擊“ 輸出網格文件 ”右側的“ 更改文件名”按鈕，為文件指定一個新名稱，然后單擊“ 保存”。單擊“ 確定”，然后創建網格。

使用網格數學重新分類方位網格文件。

單擊“ 添加網格”按鈕。

輸入函數：? IF（A> = 337.5或A <22.5，10，IF（A> = 22.5且A <67.5，20，IF（A> = 67.5且A <112.5，30，IF（A> = 112.5 AND） A <157.5，40，IF（A> = 157.5且A <202.5，50，IF（A> = 202.5且A <247.5，60，IF（A> = 247.5且A <292.5，70，IF（A> = 292.5和A <337.5，80，A））））））））

單擊“ 輸出網格文件 ”右側的“ 更改文件名”按鈕，為文件指定一個新名稱，然后單擊“ 保存”。單擊“ 確定”，然后創建網格。

第五步，合并坡度數據和方位數據。

打開第三步和第四部生成的網格文件，輸入功能：? A + B.

單擊“ 輸出網格文件 ”右側的“ 更改文件名”按鈕，為文件指定一個新名稱（例如海底管道坡度圖.grd），然后單擊“ 保存”。單擊“ 確定”，然后創建網格。

第六步，使用上面定義的色標尺創建地圖并為其著色。

單擊MAP| NEW| color relief，選擇海底管道坡度圖.grd并單擊“ 打開”。

在對象管理器中選擇圖像圖層，然后單擊“ 屬性管理器”中的“ 常規”頁面。

在Hill Shading部分下，取消選中Enable hill shading。

取消選中插值像素。

單擊“ 顏色 ”右側的“ 自定義色彩映射表（...）”按鈕。

在Colormap對話框中，單擊Load，選擇ColorWheel.clr，然后單擊Open。

單擊確定，選中顯示色標，在“ 缺失數據”部分下，將“ 不透明度”設置為0%。

如果需要，可以調整分類和色標尺的定義，通過調整網格來強調某些斜率或方位的范圍，可以單獨定義海底管道的顏色顯示。或者通過將“ 色彩映射”對話框中的“ 不透明度”設置為100%，可以選擇使平坦區域為灰色而不是透明，以更好的顯示海底地形變化情況以及突出顯示海底管道的裸露情況。

二、結果

根據上述方法路線生成海底管道坡度圖（圖2），同時由原始水深數據生成海底地貌圖（圖3）。

從兩張圖上對比可以看出，在單個圖中同時顯示斜率和坡向是識別地圖中人工構筑物，比如海底管道的絕佳方法。在原始的水深地貌圖中，海底管道裸露程度較輕的部分，由于水深變化的數值很小，體現在圖中很不明顯，甚至難以判斷。但作為海底管道，由于其外形尺寸是確定的，表現在坡度數據上也是確定的，所以在坡度圖上，裸露出來的深淺程度不同雖有差別，但都可以顯示出來。

經過對比海底管道坡度圖和原始的水深數據海底地貌圖，可以看到采用坡度圖，相對于深度圖，加強了海底管道的可視化顯示，對于微小的地形地貌改變，顯示的也十分明顯。

三、結論

利用人工構筑物的一些特點，比如規則的外觀、固定的尺寸、線性的變化等，充分利用坡度圖的特點，突出了海底管道的視覺效果，對識別并顯示海底管道的裸露情況，是處理方法上的一個創新，并且很容易把這個方法利用的其它一些類似的應用中去。而且，利用軟件本身對腳本的支持，可以開發出具有交互功能的自動處理系統，可以實現對海底管道或其它人工構筑物，根據其方位或坡度等數據，指定其顯示顏色，達到更加智能化的功能。

參考文獻

[1] Kari Dickenson，Creating Terrain Slope Maps from Digital Elevation Models in Surfer【EB/OL】， Tuesday， 24 May 2016