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.海軍大連艦艇學院軍事海洋與測繪系 大連 116018）

（3.海軍大連艦艇學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、布雷、掃雷、艦艇活動和水下武器的使用等［10］。目前潮汐潮流的預報方式主要是動力方法和統計方法。前者管理繁瑣，需要長時間的高分辨率預報，計算量大，研究區域一旦確定，每次預報不能隨意更改；后者觀測時間序列長，只適用于有限站點，無法得到一個區域的潮汐潮流場的整體情況［1～4，13～14］。傳統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的，記錄地點少，不具備時態特征，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律，根據潮汐潮流預報中數值計算方法和調和分析方法的優缺點，采用將兩者結合起來進行預報的方法，對登陸區域潮汐潮流的預報和可視化仿真，分析了潮汐潮流對登陸可行性的影響，實現了可視化評估登陸的可行性，具有重要的現實意義。

2 潮汐潮流的可視化建模

2.1 潮汐的可視化建模

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

式中，i考慮的分潮數；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為區時時間；u格i-gi為天文角的交角訂正角；分潮調和常數包括：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測和可視化表達。本文采用潮流調和常數，用調和方法進行潮流的預報，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，結合給定的潮流調和常數，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，實現潮流的預報。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 潮汐潮流網格劃分

根據第2節所示原理，在整個登陸區域水平方向采用 21×15的網格，網格大小為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，水平方向的網格劃分如圖1所示。計算出每個網格點逐時的潮位值和潮流的流向、流速，生成記錄文件，每個網格點一個記錄，外循環由東向西，內循環從南至北的記錄順序。每月逐時潮位數據作為潮位的每個記錄數據；每月逐時潮流流速和流向代表潮流的每個記錄數據；每個記錄的數據為2字節整型，9999表示陸地或無資料。

圖1 潮汐潮流網格劃分圖

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域潮汐數據的可視化。單點潮汐數據的可視化主要通過讀取潮汐的過程數據，即潮位隨時間的變化規律然后繪制潮汐曲線而實現的；區域潮汐數據的可視化主要是讀取某一時刻整個區域的潮位數據，然后通過數據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域潮位數據，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域的潮汐，由于每個網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

潮流是動態變化要素，所以潮流的可視化包括單點潮流和區域潮流數據的可視化以及區域潮流的動態演示［5～8，14～15］。根據登陸場地理環境可視化的要求，以及已有數據條件的限制，本文主要實現了登陸場區域潮流數據的可視化，而沒有分析單點潮流的情況，因此無法實現區域潮流的動態演示。對于區域潮流數據的可視化，本文考慮到與地理環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 融合技術集成顯示

融合技術是實現各要素集成的關鍵因素，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。并且現實世界中的海水本來就是半透明化的，融合技術可以使模擬的效果更加逼真。調用融合技術的關鍵函數代碼如下：

本文采用上述融合技術，對登陸區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］，相應等級設置為不同顏色，分別進行了登陸可行性的三維可視化靜態和動態評估，可登陸級別與顏色的對應表1。

表1 登陸級別與顏色對應表

4.1 靜態環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，因此靜態評估在進行地理環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，結果如圖6。

從圖中可以看出，本海區此時刻的潮流較小，各地域均滿足可登陸與尚可登陸要求，經分析得到潮流對登陸可行性的登陸可行性地帶圖。實驗結果如圖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 動態水位影響下的登陸可行性的評估

實際登陸作戰一般在高潮前2h～3h發起，不可能只在一個時間點進行［10，12］。而在此登陸時間段內，水位不可能是一成不變的，水位的不同將會引起0～5m水深區間的變化，相應潮流也會隨之改變，因此基于動態水位研究登陸可行性可視化評估是必要的。

在傳統研究中，對登陸可行性的研究大多采用靜態的方法，沒有考慮水位的變化［11～12］。實際中，隨著水位的漲落，登陸區域潮流也隨之變化，根據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 是另一時刻當潮流條件發生明顯變化后，登陸可行性發生較大變化的結果。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 結語

本文分析了潮汐潮流對登陸可行性的影響，分別實現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，最后在動態水位影響下的潮流對登陸可行性評估，并進行了動態綜合顯示。實驗表明，所提方法對選擇登陸地域的可行性提供準確科學的參考依據。