基于Matlab的水下礙航物可視化研究

王華強++王宇凱++王久

摘要：本文從介紹Matlab強大的數據插值功能和數據可視化功能著手，分析了Matab在水下礙航物三維可視化方面的技術應用，重點研究了礙航物水深數據在Matlab中的三維表達以及空間分析應用，論述了基于Matlab礙航物三維可視化研究的意義。關鍵詞：礙航物 Matlab 可視化 空間分析

1.引言

隨著現代海洋經濟的不斷發展和海運事業的不斷拓展，水下礙航物一直是影響海洋航行安全的重要因素。探測新開辟水域的海底地形，精確測量水下礙航物的位置和形態，是保障船舶航行、錨泊安全的必然要求。多波束測深系統目前已經成為海底地形測量的主要工具，其獲得的數據經過處理后，可以獲得厘米級分辨率的水深數據用于海底地形成圖。受多波束測深系統的物理特性影響，多波束測量獲取的水下礙航物水深數據具有數據量大，分布不規則，點陣離散的特點。針對高密度水深數據的精細插值，一般可視化軟件需要設計較為復雜的算法來進行計算，而Matlab可以直接使用內部函數來對散點數據進行網格化計算，從而實現三維可視化制圖，并且能夠針對三維圖形進行相關空間分析工作。

Matlab是由MathWorks公司推出的面向科學計算的程序設計語言，主要運用于矩陣計算、科學數據分析、數據可視化等方向的研究，可以實現數值分析、統計、偏微分方程數值解、信號處理、圖像處理等諸多領域的計算和圖形顯示功能。Matlab使用C語言編寫，以向量和矩陣為基本數據單位，軟件內包含有大量事先定義的矩陣函數，并且有很強的用戶自定義函數功能，可以通過設計高級算法來完成高性能數值計算，編程效率遠高于其他語言，其程序的可擴展性和可移植性也較好，可以與C、C++Builder、VB、VC等集成編輯環境和應用程序進行交互。

2.Matlab在礙航物三維可視化中的應用

Matlab擁有一系列二維、三維繪圖函數和高級圖形命令來繪制計算結果，并能通過對圖形線型、邊界面、色彩、渲染、光線、視角等特性的處理將圖形特征完美呈現。Matlab還提供了句柄圖形命令，句柄圖形命令可以對圖形對象（例如線，面，文本框等）的屬性值直接進行更改，從而實現對圖形的顯示進行精密控制。

2.1 繪制礙航區水深點云圖及等值線圖

通過多波束系統采集的礙航區水深元數據經過數據后處理后，可以直接使用“load”命令導入到Matlab中，然后再利用scatter3（x，v，z）函數可以繪制出礙航區的水深點云圖。以2014年珠江口某次Reson 7101多波束掃海數據為例，原始數據為Caris Hips輸出的原始水深數據文件，load進matlab后成為數據矩陣變量MB7101，二、三維散點圖（見圖1）的繪圖主要程序語句為：

subplot （1，2，1）；scatter（MB7101（：，1），MB7101（：，2），b.）；

subplot（1，2，2）；scatter3（MB7101（：，1），MB7101（：，2），MB7101（：，3）.b.）：

%MB7101（：，1）為數據變量的第一列；%MB7101（：，2），MB7101（：，3）為數據變量的第二、三列；%b.表示藍色散點圖。

2.2 生成礙航區格網水深數據表

在構建礙航區三維網格模型時，通過多波束采集處理得到礙航物水深數據一般多為無規律的離散點數據，且分布狀態也不能滿足建模要求，為了使礙航區的三維立體模型更加精準，Matlab針對離散點的繪圖需要先行進行插值計算，生成新的規則分布的格網水深點。zi=Griddata（x，Y，z，Xi，yI，method）函數可以對原有的（X，Y，Z）數據在新的規則格網（xi，vi）上進行插值生成新值Zi，采用的插值方式（method）主要有linear（線性插值），cubic（三次插值），spline（三次樣條插值），nearest（最鄰近點插值）等四種方式，默認為線性內插。繼續以上面的數據矩陣變量MB7101為例，為獲得等值線圖和格網立體圖（見圖2），其程序語句為：

[xi， yi] =meshgrid（min（MB7101（：，1）：2：max（MB7101（：，1）.min（MB7101（：.2）：2：max（MB7101（：.2）））；%生成新的規則網格。

zi=griddata（MB7101（：，1），MB7101（：，2），MB7101，（：，3），xi，yi）；%在新網格上賦值。

subplot （1，2，1）；contour（xi，yi，-1xzi）；%繪制二維等深線。

hold on

subplot （1，2，2）；meshe （xi yi，-1xzi）；%繪制帶有等值線圖的三維格網圖。

對于礙航區而言，通過函數contour（x，y，z，n）中參數n的不同設置，可以迅速調整各種等深線的值得到礙航區不同等值線的等深線圖，從而可以快速確定可通過區，為通航條件做出決策依據。

2.3 繪制礙航物三維立體圖

Matlab插值生成的規則網格水深數據表中包含有礙航區水深的全部數據，利用Matlab的Surf函數可以將其繪制成礙航物的三維立體曲面圖，曲面圖的特性與網格圖相反：線條是黑色的，線條之間的補片有顏色；在網格圖里，補片是黑色的而線條有顏色。Matlab還可以通過調用函數shading來提供平滑加顏色和插值加顏色功能。圖3分別顯示了曲面圖、曲面平滑加顏色圖、曲面插值加顏色圖和三維等值線圖。

2.4 礙航物空間分析

礙航物空間分析的主要內容是其空間形態及其與周邊航行環境的空間關系分析。Matlab提供了很多空間分析函數來實現這一過程，在完成三維立體圖的繪制之后，除了前文提到的二維和三維等高線工具，還可以利用gradient函數和quiver函數針對礙航物的坡度、坡向進行計算，本次礙航區的坡度、坡向計算結果圖如圖4所示。

View函數則可以通過設置不同的觀察視點，來展示不同視角下三維礙航物的空間特征。其調用格式為：viexv（az，el），參數az是方位角值，參數el是仰角值，均以度為單位。系統缺省的視點定義為方位角-37.5°，仰角30°。當x軸平行觀察者身體，y軸垂直于觀察者身體時，az=0；以此點為起點，繞著z軸順時針運動，az為正，逆時針為負。el為觀察者眼睛與xy平面形成的角度。當觀察者的眼睛在xy平面上時，el=0；向上el為正，向下為負。圖5分別顯示了從幾個不同視角來對觀察礙航物的效果圖。

當通航區存在礙航物時，在已經探明礙航物的空間形態之后，在做出臨時通航決策時，需要獲取船舶航行通過礙航區的實時模擬圖，完整的三維動態模擬需要耗費較多建模和動態演算的時間，通過Matlab的Contouslice函數可以繪制等值切面圖進行測試。圖6分別顯示了連續等值切面圖在礙航物上的效果。

3.結語

（1）三維可視化利用計算機圖形學和圖像處理技術精確描述和理解水下地質結構物，既可以怍為一項技術，也是一種工具，但是針對水下礙航物的三維可視化研究還比較少，目前的研究多停留在探測技術手段的使用上面，或者說是還停留在數據的獲取階段，而缺少對數據的深入挖掘。可視化技術提供了一種仿真的、三維的并且具有實時交互的能力，幫助研究者從三維圖形世界中通過空間形態學和空間分析技術來獲取信息或者創造性思維。

（2）Matlab具有強大的計算引擎和圖形引擎，提供了圖像處理分析函數及工具箱，極大的簡化了具體的編程過程，通過矩陣數據的重構快速實現對礙航物的形態重現和空間分析，并且可以通過句柄函數來對圖形參數進行修改，即使是在繪圖已完成的情況，仍然可以在繪圖界面實現實時交互，并能通過反編譯將最終繪圖結果以編程M文件的方式呈現出來，實現從結果到源程序的反編譯過程，大大減輕了面向對象程序語言編程的困難。

（3）利用Matlab來對水下礙航物進行三維可視化呈現，一方面解決了地理空間數據可視化過程中的復雜編程，為不同地域空間環境的模擬和仿真提供了捷徑，另一方面也為水深數據的深度挖掘提供了一種新的途徑，將先進的科學計算可視化軟件引入到礙航物的信息化管理當中，可以為礙航區通航決策提供依據，具有重要的實用價值。