水深測量成果相鄰圖幅拼接質量評估方法研究

鮑晶晶，蔡 鋒，吳承強，鄭勇玲，盧惠泉

（1.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.中國海洋大學，山東 青島 266100）

水深測量成果相鄰圖幅拼接質量評估方法研究

鮑晶晶1，蔡 鋒1，吳承強2，鄭勇玲1，盧惠泉1

（1.國家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.中國海洋大學，山東 青島 266100）

在利用搜索重合點水深比對法檢查相鄰兩水深測量成果拼接質量過程中，通過展現重合點在拼接區域的分布情況，發現搜索的重合點存在相對總點數較少且分布不均勻的缺點，影響評估質量。針對上述問題，建立了網格選取剖面比對法，系統闡述了該方法的操作原理及其應用并通過實例驗證取得了較好的結果，為水深測量成果相鄰圖幅拼接質量評估提供新的思路。

水深測量；相鄰圖幅；拼接；質量評估

對于圖幅的合理接邊，國內有一些研究，如吳少琴等[1]，針對多波束數據各條測線間的空間相關性，提出了一種基于高斯地形曲面擬合的數字地理模型數據網格化方法，進行了多波束條帶間的拼圖研究；趙江洪[2]，針對地形圖的接邊問題，提出了趨勢接邊的方法；周政春等[3]，提出了一種適合于超大規模地形渲染的實時拼接技術。但這些研究主要是針對存有拼接偏差的相鄰圖幅給出合適的拼接方法，并未就水深測量成果相鄰圖幅接邊區域數據之間相互關系的質量評估方法進行研究。所謂水深測量成果相鄰圖幅拼接質量評估，主要是兩相鄰圖幅接邊重疊區域（根據拼接測量的重疊測線布設方法：每個幅圖應各自從拼接的圖廓線起向外0.5 cm布設一條測深線，再依次布設本幅其他測深線。上述測深線的兩端均應向圖廓外延長1～2 cm）[5]的水深數據相互偏差程度與現階段的相應標準給出限差的對比過程，即是評估這兩相鄰圖幅數據是否達到可拼接條件的過程。對于測量成果相鄰圖幅接邊區域的數據質量評估的技術方法現在大都傾向于使用《IHO海道測量規范》[4]和《GB 12327-1998海道測量規范》[5]中所給的搜索重合點水深的方法和標準進行質量評估。我們通過實際運用發現，現行技術規范中所給的技術方法存在些許的不完善，尤其是局部區域未參與計算的問題，致使質量評估結果有所偏頗。實際運用表明，網格選取剖面比對法與搜索重合點比對法相結合使用，能夠有效彌補搜索重合點比對法判斷的不完善，有效地提高水深測量成果相鄰圖幅拼接區域數據質量的判斷的準確度及圖幅拼接的精度。

1 拼接數據質量評估方法

1.1 搜索重合點水深比對法

水深測量成果圖幅相拼接，兩圖幅接邊水深點均散落于拼接區域。要實現重合點水深比對，理想狀態即是兩比對水深點在同一位置，但這些在實際測量中是無法達到的。國內外現在較為流行的方法是給定范圍，認定范圍內的點即為重合點。搜索重合點水深比對法（現行技術規程所用方法），其相關原理通過《GB 12327-1998海道測量規范》可知，即將兩拼接圖幅的其中一圖的拼接區域看作比對區域（區域內所分布水深點為比對點），另一幅圖的拼接區域視為被比對區域（區域內所分布水深點視為被比對點），以比對點為圓心，并以一定的搜索半徑R搜索被比對點（圖1），最后比對兩點水深值得出比對結果。

若所給搜索半徑為圖上距離，則實際搜索半徑可以通過比例尺將兩點圖上搜索半徑r（圖上給定范圍）換算為實際搜索半徑R，其換算公式為：

式中：r為圖上搜索半徑；R為實際搜索半徑；scale為水深測量成果比例尺。

搜索重合點水深比對法主要流程，如圖2。

內蒙古錫盟～江蘇泰州±800kV特高壓直流輸電線路工程是國家實施北電南送的重點工程，工程建設投運后，將實現北部資源優勢轉化為能源優勢，滿足東南部地區社會發展對電力增長的需求，且有利于緩解日趨嚴重的霧霾污染問題。該輸電線路起于內蒙古自治區錫林浩特市境內錫盟換流站（毛登站址），途徑內蒙古、河北、天津、山東、江蘇5省，止于江蘇省鹽城市泰州換流站（楊師村站址），全線總長1619.7km。該項工程等級為Ⅰ級，防洪標準為100年一遇洪水。

圖1 搜索重合點水深示意圖

圖2 搜索重合點水深比對法流程圖

1.2 網格選取剖面比對法

基于等深線對接的原理，本文在此建立了一種可以用來量化比較評估的方法——網格選取剖面比對法，其主要是將兩相鄰圖幅進行網格化，在拼接區域提取水深剖面（圖3）。即可認為將等深線對接中同等水深位置的偏移轉化為同一位置水深的偏差，在剖面上提取出該剖面距離與水深的關系，最后進行兩剖面的比對以及同位置點（網格重合點）水深偏差的量化比較。

圖3 網格選取剖面比對示意圖

由于該方法是將同等水深位置的偏移轉化為同一位置水深的偏差，因此網格預測數據的精度必須要高。綜合幾種網格方式，本文選用反距離加權插值法[9]，其是20世紀60年代末提出的計算區域平均降水量的一種方法。它實際上是一種加權移動平均方法，設平面上分布一系列離散點P(x，y，z)，已知其位置坐標 P（xi，yi）和屬性值 zi（i=1，2，…，n），根據周圍離散點的屬性值，通過距離加權插值求P點屬性值。其插值原理是待插值點鄰域內已知散亂點屬性值的加權平均，權的大小與待插點的鄰域內散亂點之間的距離有關，是距離k（0≤k≤2）（k 一般取 2）次方的倒數。 即：

網格選取剖面比對法主要流程，如圖4。

圖4 網格選取剖面比對法流程圖

2 不同評估方法之間的應用差異

2.1 實例概況及相關準則

近年來我們開展了數個水深勘測項目，獲取了相當的水深測量成果，但在實際對水深測量成果相鄰圖幅拼接質量評估過程中發現了一些問題——評估結果有時與實際接邊情況不符。為了更好地說明問題，這里選取需要圖幅接邊的水深成果區域A和區域B來操作，比例尺均為1:10 000（如圖5、圖 6）。

圖5 區域A兩相鄰圖幅及拼接區域分布圖

圖6 區域B兩相鄰圖幅及拼接區域分布圖

其相關準則參考我國 《GB 12327-1998海道測量規范》對水深測量中主、檢比對及圖幅拼接比對超限情況判斷的標準。如主、檢比對及圖幅拼接比對超限情況由重合點深度（兩點相距圖上1.0 mm以內）所列出的不符值數列表示，其不符值限差為：水深0～20 m時為0.5 m，水深20～30 m時為0.6m，水深 30～50 m 時為 0.7 m，水深 50～100 m 時為 1.5 m，水深大于100 m時為水深的3%，超限的點數不得超過參加比對總點數的15%。

2.2 搜索重合點水深比對法應用

利用搜索重合點水深比對法對上述需要圖幅接邊的水深成果區域A和區域B來說明，搜索半徑以及相關標準參照《GB 12327-1998海道測量規范》，兩區域水深測量成果則按上述搜索重合點水深比對法的相關原理操作：區域A（點A-north設為比對點，點A-south為被比對點）（如圖5），區域B（點B-north設為比對點，點B-south為被比對點）（如圖6），比例尺為scale=1：10 000，利用搜索重合點水深比對法計算，通過換算公式計算得到搜索半徑R=10 m。最后利用Visual Basic編程進行批量比對。

比對結果：區域A拼接區域共有比對點181個、被比對點179個，其中符合搜索要求并參與比對的一共51組，有50組水深偏差符合限差標準，合格率為98.04%；區域B拼接區域共有比對點207個、被比對點188個，其中符合搜索要求并參與比對的一共27組，有27組水深偏差符合限差標準，合格率為100%。

2.3 網格選取剖面比對法應用

利用網格選取剖面比對法同樣選取上述水深成果區域A和區域B來說明，水深偏差相關標準仍參照 《GB 12327-1998海道測量規范》。

區域A兩圖幅根據比例尺1：10 000進行網格化如圖7所示，在拼接區域同一剖面位置分別提取各自圖幅的剖面水深值（剖面 A-north、剖面 A-south），從剖面端點開始每10 m取一水深值（剖面上每點都有相應的水深值，文中按10 m取點為了方便計算統計）得出剖面上距離與水深的關系；區域B的操作與區域A相同。

比對結果：從圖8可以看出剖面A-north與剖面A-south能夠較好重疊，與等深線對接情況吻合，區域A剖面上取得網格重合點705組，水深比對偏差全部合格。對于區域B，剖面圖（圖10）中剖面B-north與剖面B-south對比可發現在拼接區域中部偏左側距離端點約1 400～3 200 m之間圖幅B-south水深明顯淺于B-north，區域B剖面上取得網格重合點735組，其中有98組水深偏差超出限差，合格率為86.67%。

圖7 區域A網格圖

圖8 區域A拼接區域剖面圖

圖9 區域B網格圖

圖10 區域B拼接區域剖面圖

3 討論

眾所周知，相鄰拼接圖幅之間等深線的偏移量可較為準確地反映相鄰圖幅拼接情況，而圖幅拼接情況又直接反映著相鄰圖幅拼接質量評價方法的合理性，因此利用等深線的偏移可以有效地評估相鄰圖幅拼接質量評價方法的優劣。對于等深線的偏移情況的判斷，將其進行量化較為困難，通常采用目視估算的方法進行。于是本文采用目視估算的方法對上述兩種質量評價方法進行評估。

對拼接區域利用計算機網格生成等深線，區域A接邊區域等深線分布在26～36 m之間，等深距設為1 m，如圖11所示拼接區域等深線A-north與A-south可以較好的對接；區域B接邊區域等深線分布在29～53 m之間，等深距設為1 m，如圖12所示拼接區域等深線B-north與B-south在拼接區域兩端可較好對接，但在中部等深線在37～51 m之間出現了明顯的偏移，部分等深線甚至出現了錯位，水深偏差值達到1 m左右。

圖11 區域A兩相鄰圖幅等深線分布圖

圖12 區域B兩相鄰圖幅等深線分布圖

通過上述相鄰圖幅間的等深線對接目視比較，得到區域A接邊區域等深線對接情況與上述利用搜索重合點比對法計算的合格率98.04%基本對應，而區域B接邊區域等深線對接情況卻與上述計算所得合格率100%相矛盾。發現合格率為98.04%的區域A等深線對接情況竟然優于合格率為100%的區域B，從而可以認定利用搜索重合點水深比對法產生了誤差。

對于使用搜索重合點水深比對法所產生的誤差究其原因可知：本文將相鄰圖幅比對數據及重合點數據同時展布，根據重合點在比對數據中的相對關系，不難發現使用搜索重合點水深比對該種方法所存在的問題。首先，對比分析區域A的情況，其拼接區域共有重合點51組，在拼接區域的分布情況如圖13所示，區域A拼接區域重合點除兩端及中間少部分區域重復較少外，其余呈條狀散布于拼接區域的中間基本有效覆蓋拼接區域。因此98.04%質量評估結果與圖11所示等深線對接情況相符合。再分析區域B，區域B拼接區域共有27組重合點，其在拼接區域的分布情況如圖13所示，區域B拼接區域重合點分布在兩端，而在拼接區域中部偏左大片缺失。將等深線對接情況（圖12）與重合點分布情況（圖14）相比較，發現等深線偏移區域即是沒有重合點分布的區域，該區域未能參與拼接質量評估，質量評估結果100%只片面地反映了有重合點位置的拼接質量。

圖13 區域A搜索的重合點分布圖

圖14 區域B搜索的重合點分布圖

因此，可以認為搜索重合點比對法具有片面和不確定的不完善因素，這些不完善因素直接導致了質量評估出現片面性和不確定性。重合點散落在拼接區域，每組重合點水深比對質量代表了重合點位置的拼接質量，但由于無法保證所有拼接區域均有重合點分布，每個重合點還被認為成一個控制樣點代表其周圍一定范圍拼接質量。若重合點散布較為均勻可以有效覆蓋拼接區域，則利用搜索重合點水深比對法得出的評估結果可較客觀地反映實際拼接質量；反之，若重合點零星散布無法有效覆蓋整個拼接區域，則利用搜索重合點水深比對法得出的評估結果則具有很大的片面性，無法對其未分布區域拼接質量做出客觀評估。在無法保證重合點對拼接區域實現有效覆蓋的前提下用該方法來判斷相鄰圖幅的拼接質量是有明顯的缺陷。

而采用搜索重合點水深比對法得到區域A剖面A-north與剖面A-south能夠較好重疊以及剖面上取得網格重合點水深合格率達100%，均與等深線對接情況具有較好一致性；區域B剖面B-north與剖面B-south對比反映的情況 （在拼接區域中部偏左側距離端點約14 00～3 200 m之間圖幅B-south水深明顯淺于B-north）及區域B剖面上取得網格重合點水深合格率為86.67%也均與等深線對接的情況吻合。通過比較可以得出網格選取剖面比對法可以較好地評估相鄰圖幅的拼接質量。

4 結論

通過本文兩種方法的研究以及實例的應用，可以得出以下結論：

（1）搜索重合點水深比對法和網格選取剖面比對法均可用來評估水深測量成果相鄰圖幅拼接的質量，但由于這兩方法受其各自基本原理及優缺點不同，其適用情況也不同。

（2）搜索重合點水深比對法具有比對數據均是真實值和受重合點分布影響的特點，其適合用于水深測量原始數據拼接的校檢，高密度的原始數據可較好保證重合點有效覆蓋拼接區域，真實值之間的比較可有效評估測量結果的優劣。

（3）網格選取剖面比對法通過網格插值拼接區域做剖面比對，受點分布的影響較小，可適用于各種拼接情況，有效彌補了《GB 12327-1998海道測量規范》中搜索重合點水深比對方法的不完善。同時該方法利用網格插值與計算機成圖過程較為一致，因此利用網格選取剖面比對法評估的拼接質量尤對成果圖的拼接有利。

[1]吳少琴.多波束條帶測深儀拼圖技術的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2003:29-67.

[2]趙江洪.趨勢接邊的算法設計及功能的實現[J].測繪通報,2004，（6）:26-27.

[3]周政春,繆小亮,方旺根.一種實現超大規模地形的拼接技術研究[J].計算機工程與應用,2007,43（14）:87-101.

[4]International Hydrographic Organization.IHO Standards for Hydrographic Surveys Special Publication No 44,5th Edition [S].Monaco:International Hydrographic Bureau,2008:8-16.

[5]國家質量技術監督局.GB 12327-1998海道測量規范[S].北京:中國標準出版社,1999:27-50.

[6]黃謨濤,翟國君,歐陽永忠,等.多波束與單波束測深數據的融合處理技術[J].測繪學報,2001,30（4）:299-303.

[7]陽凡林,李家彪,吳自銀,等.淺水多波束勘測數據精細處理方法[J].測繪學報,2008,37（4）:444-450.

[8]吳淑芳.計算機輔助網格拼接技術[J].長春理工大學學報,2002,25（2）:65-68.

[9]陳歡歡,李星,丁文秀.Surfer 8.0等值線繪制中的十二種插值方法[J].工程地球物理學報,2007,4（1）:52-57.

[10]吳秀芹,張洪巖,李瑞改,等.Arcgis 9地理信息系統應用與實踐[M].北京:清華大學出版社,2007:462-513.

[11]王浩.基于視覺的形貌測量拼接技術研究[D].天津:天津大學,2005.

[12]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 12763.8-2007海洋調查規范 第8部分：海洋地質地球物理調查[S].北京:中國標準出版社,2007.

Abstract：Using the searching and comparing coincidence depth point method to evaluate the quality of maps splicing.Through showing the distribution of the coincidence points in overlap region,the disadvantage of this method is found that the coincidence points are less and not well-distributed,which would reduce the quality of evaluation.A new method selecting profile from grid data was built and achieved a good result in experiment.It is more helpful to evaluate the quality of maps splicing.

Key words：bathymetric survey;neighbor charts;splicing;quality evaluation

Study on the Quality Evaluation of Chart-Splicing in Bathymetric Survey

BAO Jing-jing1,CAI Feng1,WU Cheng-qiang2,ZHENG Yong-ling1,LU Hui-quan1
（1.Third Institute of Oceanography State Oceanic Administration,SOA,Xiamen Fujian 361005,China;2.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China）

P229

A

1003-2029（2011）01-0010-05

2010-11-30

我國近海海底地形地貌調查研究項目（908-CZ-I-07）；古雷半島沙灘資源預警防護措施研究（海三科2010013）

鮑晶晶（1985-），男，籍貫江蘇南通，碩士研究生，主要從事海底地形地貌及水深測量數據處理方面研究。

蔡鋒（1965-），男，研究員，Email：fcai800@126.com