圓控制域的水深網分層構建方法

王　沫, 劉　波, 董　箭, 劉　濤

1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州，450052;2.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連，116018;3.海軍出版社，天津，300450

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圓控制域的水深網分層構建方法

王沫1,2, 劉波3, 董箭2, 劉濤3

1.信息工程大學地理空間信息學院，河南 鄭州，450052;2.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連，116018;3.海軍出版社，天津，300450

針對當前水深自動綜合過程中無法形成合理網格的問題，本文提出了一種圓控制域的水深網分層構建方法。通過提取測量海域地形趨勢線，設定水深網構造規則，根據不同情況下結點選擇結果，實現水深網的分層構建。實驗結果表明，該方法在滿足已有水深綜合中網形要求的前提下，可以從海域整體地形特征入手，快速簡捷地實現水深疏密分布，較好地提高了水深綜合效率。

水深綜合；水深網；圓控制域；趨勢線

1　引　言

水深是海圖可視化表達的主要內容，水深數據的綜合處理是海圖制圖綜合的重要方面，也是實現海圖自動綜合的關鍵前提。水深數據的綜合方法依據其綜合處理程度不同而有所差異。對于經過初步綜合處理的水深制圖成果數據，其水深分布已大致能夠反映海底地形形態分布，在二次綜合時通常借鑒地圖點群的綜合方法[1-9]；而對于未進行任何綜合處理的水深測量成果數據，其水深數據圍繞測線呈均勻分布的狀態，無法直觀反映海底地形形態特征，故在綜合處理此類水深數據時無法套用地圖點群綜合方法[10-13]，而需結合海圖水深綜合原則對其進行二次綜合處理。

面對水深測量成果的數據綜合，需著重解決兩方面問題，即海圖水深綜合原則中規定的數據載負量和水深排列的結構問題。受傳統地圖點群綜合方法的影響，現有的水深數據綜合方法大都關注于其中的某一方面，對于兼顧數據載負量和水深排列結構的水深數據綜合方法研究較少。傳統水深數據綜合作業通過控制水深間距以及水深菱形排列的方式，為面向水深測量成果的數據綜合提供了一定的解決思路，但受制于當時的技術條件，大部分的作業流程需要通過人機交互完成，受作業人員的主觀因素影響較大，效率較低，且無法保證水深數據綜合的作業質量。

為了解決上述問題，顧及水深測量成果數據的分布特性，結合海圖水深的綜合原則，本文提出了一種顧及水深選取間距和分布規律的“圓控制域的水深網分層構建方法”，該方法通過模擬傳統水深數據綜合作業流程，設計水深網構造規則，實現水深網的層次構造。通過少量水深數據綜合閾值的設定，自動完成水深數據綜合過程中選取工作以及整體綜合區域的水深網構建。在降低作業人員工作量、縮短作業周期的同時，從整體對水深網進行構建，排除了人為因素對綜合區域整體性把握的差異，提高了綜合的作業質量。

2　水深選取原則與分析

2.1水深選取原則

(1)水深間距[14]：<20m區域，10～15mm；20～50m,12～20mm；>50m，18～30mm；特殊情況，沿岸陡深處要適當加密，水道、航門、地形復雜區、突出的岬角處，間距一般縮小至5～10mm。

(2)形狀與方向：盡可能菱形分布，菱形在理想狀態下是規則的，從岸線向海部延伸；菱形短對角線垂直岸線或等深線方向，長對角線平行岸線或等深線方向。

(3)密度：距海岸由近至遠，由密到稀；地形起伏較大地域，可適當加密。

2.2原則分析與轉換

(1)兩水深點分別位于圓控制域圓心和邊界線上，<20m區域，控制域半徑大于10mm且小于15mm；20～50m，控制域半徑大于12mm且小于20mm；>50m，控制域半徑大于18mm且小于30mm；特殊情況，控制域半徑大于5mm且小于10mm。

(2)理想狀態下(平坦海域)全域水深呈現菱形分布，但多數情況下(或復雜海域)不可能到達水深全部的菱形分布，需要出現局部三角形分布，對整體海底地形趨勢加以修正，即可以接受的轉換分布結果等價于：一是保證臨近4個水深點間距符合菱形分布的要求；二是保證臨近3個水深點間距符合三角形分布的要求。

對于復雜海域而言，無法得到海域的總方向，對菱形長短對角線的方向控制失去其實際意義，轉換為海域趨勢線(人工預設的起始線、岸線或海域骨架線等)兩側呈一定夾角的菱形分布；三角形分布則忽略此原則。

(3)趨勢線向岸一側密度逐漸密集，即水深分布向岸收縮；趨勢線離岸一側密度逐漸稀疏，即水深分布離岸擴散。

3　水深網構造一般流程

3.1趨勢線生成與海域判別

3.1.1趨勢線生成

趨勢線是反映海底地形走勢的不規則曲線，其生成方法有以下2種：

(1)人工設定：已有的岸線、等深線或人工繪制的區域趨勢線；

(2)自動計算生成：骨架線[15-17]、等值線。

3.2.2海域判別

通過趨勢線數值與兩側水深值的差值正負關系判定兩側區域的水深網構建的密度趨勢。較大數值一側的區域為深區，需要收縮；較小數值一側的區域為淺區，需要擴散。

3.2趨勢線綜合

非閉合趨勢線，它以一段點為起點，采用控制圓切分法(圓半徑由人工預設)對趨勢線進行綜合處理，直到切分圓與趨勢線不存在交點為止，獲得綜合后的趨勢線作為構網起始線。

閉合趨勢線，它以任意一點為起點，采用圓切分法對趨勢線進行綜合處理，直到趨勢線起點被切分圓包含為止，末端可進行人工的適當處理，獲得綜合后的趨勢線作為構網起始線。

3.3分層構建條件設定

分層構建條件的設定是使水深逐漸密集或稀疏分布的保證，為了保證水深網構建密度的層次性，需要在構建前預設以下參數：

(1)搜索半徑設定

搜索半徑ra是在水深網結點上搜索水深點的搜索半徑，根據水深網結點在自動捕獲水深點時的處理需求而定。搜索半徑的設定應該保證以結點為圓心，以ra為半徑進行搜索，可以搜索到至少1個水深點，一般ra=0.5mm為宜。

(2)起始半徑設定

起始半徑r0為層次構建水深網的起始控制圓的半徑，即趨勢線的切分控制圓半徑。切分控制圓半徑的預設遵循的原則是：<20m區域，12.5mm；20～50m區域，16mm；>50m區域，24mm。

(3)控制圓半徑設定與取值

控制圓半徑ri(i為水深網層的編號)為構建水深網2→n層的控制圓半徑，采用等差數列的方式進行設定，控制圓半徑公差設定為rδ。因此，每一層的控制圓半徑設定公式為：

ri=r0+(i-1)×rδ,(i=2,3…n)

半徑取值區間由人為設定，遵循一般原則：

①<20m區域，收縮區域，10+ra→12.5mm；擴散區域，12.5→15-ramm。

② 20～50m區域，收縮區域，12+ra→16mm；擴散區域，16→20-ramm。

③>50m區域，收縮區域，18+ra→24mm；擴散區域，24→30-ramm。

3.4結點情況分析與選取規則

3.4.1擴散區域結點情況分析與選取規則

所謂擴散區域，即新一級水深網構造層的控制圓半徑大于上一級的控制圓半徑(ri-1

圖1　擴散區域可能出現的結點情況

(1)情況1(如圖1-1):當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在1、2點之間，a與3點的距離大于ri，則a被選取并作為下一次選取的1號點。

(2)情況2(如圖1-2):當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在1、2點之間，a與3點的距離小于ri，則作1、3的中垂線與上一級控制圓相交得到交點b，b、3被選取，3點作為下一次選取的1號點。

(3)情況3(如圖1-3):當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在2、3點之間，a到3點的距離大于ri，則a被選取并作為下一次選取的1號點。

(4)情況4(如圖1-4):當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在2、3點之間，a到3點的距離小于ri，到4點的距離大于ri，則a被選取并作為下一次選取的1號點。

(5)情況5:當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在2、3點之間，a到4點的距離小于ri，則作1、4的中垂線與上一級控制圓相交，得到交點b

①如果b落在1、2之間(如圖1-5)，則2、4點被選取，4點作為下一次選取的1號點；

②如果b落在2、3之間(如圖1-6)，則b點被選取并作為下一次選取的1號點。

3.4.2收縮區域結點情況分析與選取規則

所謂收縮區域，即新一級水深網構造層的控制圓半徑小于上一級的控制圓半徑(ri-1>ri)。下面將收縮區域結點判斷選取的可能情況(如圖2)進行詳細分析，并給出結點選取的處理規則。

(1)情況1：當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在1、2點之間，交點與3點的距離大于ri，則作1、3的中垂線與上一級控制圓相交，得到交點b。

圖2　收縮區域可能出現的結點情況與特殊情況

①如果b到1、3點距離落在[ri,ri-1](如圖2-1)，則b、3點被選取，點3作為下一次選取的1號點；

②如果b到1、3點距離大于ri-1(如圖2-2)，則a點被選取并作為下一次選取的1號點。

(2)情況2：當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在1、2點之間(如圖2-3)，交點與3點的距離小于ri，則作1、3的中垂線與上一級控制圓相交，得到交點b，b、3被選取，點3作為下一次選取的1號點。

(3)情況3：當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在2、3點之間，交點到點3的距離大于ri，則作1、3的中垂線與上一級控制圓相交得到交點b

①如果b到1、3點的距離落在[ri,ri-1](如圖2-4)，則b、3點被選取，點3作為下一次選取的1號點；

②如果b到1、3點距離大于ri-1(如圖2-5)，則a點被選取并作為下一次選取的1號點。

(4)情況4：當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在2、3點之間，交點到3點的距離小于ri，到4點的距離大于ri，則作1、4的中垂線與上一級控制圓相交，得到交點b

①如果b到1、4點距離落在[ri,ri-1](如圖2-6)，則b、4點被選取，4點作為下一次選取的1號點；

②如果b到1、4點距離大于ri-1(如圖2-7)，則a點被選取并作為下一次選取的1號點。

(5)情況5：當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在2、3點之間，a到4點的距離小于ri，則作1、4的中垂線與上一級控制圓相交，得到交點b

①如果b落在1、2之間(如圖2-8)，則2、4點被選取，4點作為下一次選取的1號點；

②如果b落在2、3之間(如圖2-9)，則b、4點被選取，4點作為下一次選取的1號點。

3.4.3特殊情況的結點選取規則

(1)當i層控制圓與上一級控制圓相交的交點a落在3、4點之間(如圖2-10)，則點3被選取并作為下一次選取的1號點。

(2)當后一個控制圓覆蓋已生成控制點，則該控制圓圓心作為相應控制點，并作相應標號，不再繼續生成控制圓，處理完成后，以該點圓心作為第一個控制圓繼續生成控制點。

(3)每次選取的結點都要進行一次搜索，將距離符合水深選取要求的點，以最外側一層的連線上的選取點作為下一層控制圓的圓心。

(4)如果控制點數少于4個，當有1或2個控制點時，選取i-1級控制圓與i級控制圓相交的交點為選取結點；當有3個控制點時，選取方法遵從基本規則(擴散、收縮區域基本規則)的(1)、(2)、(3)選取規則。

3.5水深網層次構造方法

每一網絡層次采用4個控制圓交點的附帶約束條件(選取規則)的結點選取方法：

(1)依次設定趨勢線的起點、切分控制圓圓心、終點為p1,p2,…pn；

(2)依次以1-5號點為圓心，建立初始三角形，即1、2號控制圓圓心與兩圓交點構成；

(3)以初始控制圓半徑 (預設)作5個控制圓，依次設定連續的4個控制圓交點為1-4號點；

(4)基于2.4的結點選取規則，選取水深網結點；

(5)分別連接相交控制圓的圓心與交點；

(6)以選取結點最后一個控制圓為下一次選取處理的第一個控制圓，迭代上述步驟進行處理；

(7)直到選取的結點到綜合邊界的距離不符合水深選取閾值下限為止，結點選取結束。

4　實驗與分析

實驗假定一條趨勢線、預設搜索半徑ra為0.5mm；起始半徑r0為12.5mm；控制圓半徑公差設定為rδ為0.5mm，分別設定趨勢線某一側為擴散區(結點間距[12.5,14.5])或收縮區(結點間距[10.5,12.5])為待綜合區域(水深<20m)。應用本文所提出的水深網構建方法進行方法驗證。通過實驗結果可知，局部可能出現不符合綜合區域總體控制閾值要求的結點和區域，若要完成最終的水深綜合，需要加入一定的人工干預處理，主要處理集中在結點間距小于綜合原則最低要求的區域、綜合過程中出現的內部空白區域，處理方式是人機交互的局部結點移位、加密。

4.1水深網檢查與判定

4.1.1水深網檢查

檢查全部的水深結點連線，找到需要結點移位處理的區域(結點間距小于綜合原則最低要求的區域)，定義為1類區域；需要加密處理的區域(綜合過程中出現的內部空白區域)，定義為2類區域。

4.1.2待處理區域的判定

① 1類區域判定：自動綜合結果中，水深網結點連線長度小于綜合原則的最低要求；

② 2類區域判定：自動綜合結果中，由大于4個結點連線所圍成的閉合區域判定為綜合過程中出現的內部空白區域。

圖4　水深網構建實驗結果

4.2實驗結果對比分析

表1實驗結果

待綜合區域向內擴散向內收縮結點控制線總數(條)353483自動構網結點控制線(條)346474自動構網結點間距控制線完成率(%)98.0298.14結點總數(個)181251人機交互移位點(個)11人機交互加密點(個)21自動構網合格的結點總數(個)178249自動構網結點完成率(%)98.3499.2

續表

其中，圖4-1為向內擴散區域水深網自動構建的實驗結果，圖4-2為向內擴散區域引入人工處理的水深網修正結果，圖4-3為向內收縮區域水深網的自動構建結果，圖4-4為向內收縮區域引入人工處理的水深網修正結果。

水深網構建的自動化程度評價指標是自動構網結點間距控制線完成率和自動構網結點完成率；水深網構建結果的質量評估指標是優良率和合格率。

自動構網結點間距控制線完成率=(自動構網結點控制線×結點控制線總數)×100%

自動構網結點完成率=(自動構網合格的結點總數×結點總數)×100%

優良率=(符合優良標準的結點控制線×結點控制線總數)×100%

合格率=(合格的結點間距控制線×結點控制線總數)×100%

從實驗結果數據(如表1)可以看出，本文所提出的方法在構建水深網的自動化程度上高于98%，并且具有85%以上的優良率和100%的合格率。因此，實驗證明本方法可行，且自動化程度和綜合結果質量很高。

5　結　論

本文提出的方法通過實驗結果可以證明：

(1)由于選取規則方便易懂，實現難度低，因此本方法具有精度可控和實用性強等特點；

(2)能夠有效地控制水深點間距、不同類型待綜合區域水深分布的逐步密集或稀疏；

(3)能夠較好地反映海底地形變化趨勢，通過引入三角形水深分布，可以降低海底地形走勢給水深分布帶來的變形影響。

綜上所述，本方法在充分解讀水深綜合原則的基礎上，為水深綜合提供了一種全新的思維模式，對水深綜合自動化起到了一定的推動作用。

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The Hierarchical Construction Method of Sounding Network Based on Circle Control Sphere

Wang Mo1,2, Liu Bo3, Dong Jian2, Liu Tao3

1.Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 2.Department of Hydrography and Cartography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China 3.Navy Publishing House,Tianjin 300450, China

Since it is difficult to construct reasonable grid in current data automatic generalization process of sounding network, a hierarchical construction method of sounding network based on circle control sphere is presented in this paper. By extracting the topographic trend line in measuring sea area, and setting the rules of sounding network construction, the hierarchical construction of sounding network is realized according to the node selecting results under different conditions. The experiment result indicates that the method will make the sounding network distribute reasonable easily and rapidly on the premise of satisfying the requirement of present comprehensive sounding network based on the topographic feature of the sea area, and it can also improve the sounding generalization efficiency.

sounding generalization; sounding network; circle control sphere; trend line

2015-12-09。

王沫(1980—)，男，碩士研究生，主要從事海圖制圖方面的研究。

P223

A