等深区约束的航海图高精度数字水深模型构建方法与流程

1.本发明属于海洋测绘技术领域，涉及一种等深区约束的航海图高精度数字水深模型构建方法。


背景技术：

2.数字水深模型(ddm，digital depth model)，是通过有限水深数据对海底表面形态的数字化表达。ddm的一项重要应用，就是保障舰船海上的安全航行。特别是随着数字海图的推广应用，ddm作为一种信息化模型，与传统的手工作业模式相比，能够更为准确、可靠地服务于舰船导航。
3.近年来，众多学者针对各类来源的水深数据(包括多波束水深数据、单波束水深数据、海图水深数据等)，在不同情形下的内插方法进行一些探索。其中，一些方法是直接由dem借鉴而来，将dem中对高程值的内插引入到ddm的水深内插之中；还有一些方法是在dem高程内插方法的基础上，针对水深数据自身的特点，对内插方法进行了一些改进，使之更为适用于特定条件下的ddm内插。上述这些方法均在其特定的条件下取得了较好的构建效果，然而，需要注意的是，以上这些方法多是针对水深较为密集的高密度数据，而对于水深密度较为稀疏的航海图数据则考虑较少。
4.航海图上多采用水深与等深线的协调配合来表达海底地形地貌。在实际航海图制图过程中，为了图面表达的美观性和清晰易读性，依据规范要求删除了部分要素密集区域的水深，且对于相距较近的等深线进行了选取、中断、合并等操作。因此，航海图上的等深线和水深数据实际上是经过制图综合后的“简易”数据，当采用这种类型的航海图作为数据源，直接利用上述方法构建ddm，则其构建结果与实际航海图表达意图将出现偏差，甚至出现“扩深”的错误现象。为此，急需一种专门针对航海图数据进行构建航海图用ddm的一种模型，用以提高ddm精度，进而拓展航海图的应用范围。


技术实现要素：

5.为了解决当前ddm构建方法在针对航海图进行构建时容易出现的偏差问题，本发明提供了一种基于等深区约束的航海图高精度ddm构建方法。
6.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
7.一种等深区约束的航海图高精度数字水深模型构建方法，包括以下步骤：
8.s1：输入航海图数据，依据航海图数据，提取其中岸线、等深线(含滩线)、特殊线(图廓线、强制连接线、附加缓冲区等)以及水深点等要素；
9.s2：依据等深区(本发明所述等深区是指由等深线、岸线、滩线等所围多边形区域)、等深线以及水深点之间的关系，自动分析提取等深区深度范围值(本发明所述等深区深度范围是指由等深线、岸线、滩线等所围多边形区域的深度值范围)；
10.s3：依据输入的岸线、等深线(含滩线)、水深点等要素对数据进行必要前期准备；
11.s4：构建约束delaunay三角网，并依据三角形顶点水深及三边性质对三角形进行
分类，自动识别无法直接内插的三角形；
12.s5：构建三叉树模型。依据步骤s4得到的三角形类型，对无法直接内插的三角形采用三叉树模型进行系统组织，用以识别待内插区域，为后续内插传递奠定基础；
13.s6：采用“溯源”算法对待内插区域进行内插传递。基于上述三叉树模型，采用“溯源”算法对待内插区域进行内插值传递，同时在三角形边上记录传递的内插值；
14.s7：转换输出构建完毕的高精度数字水深模型。基于上述经内插传递后的三角形，对三角形进行进一步拆分，并根据当前主流内插方法对各三角形区域进行内插，输出经内插后的高精度格网数字水深模型。
15.进一步的，所述步骤s2中，自动分析提取等深区深度范围值的方法为：
16.s2.1：根据航海图中等深区多边形的属性，若属性为陆地、干出滩区域则直接将其深度范围的上限与下限均设置为0m；若属性为浅区、次浅区或深区，则依据等深线及水深等信息进一步判断其深度范围值，转步骤s2.2；
17.s2.2：依据等深区多边形与等深线之间的关系，提取出构成该等深区的所有等深线(含岸线、滩线)，为增加算法可靠性，对长度小于0.25cm(本值为多次试验后所得的经验值)的等深线直接舍去，随后提取上述等深线的最大深度值depth
max
；
18.s2.3：根据表1，获取上述最大深度值depth
max
上下各两个层级的等深线深度值(分别记为d

、d

、d-、d
‑‑
，例如当前比例尺为1:25万，当前最大水深值为30m，则需上述上下各两个层级的深度值d

、d

、d-、d
‑‑
分别为50m、100m、10m、20m)，随后提取当前等深区中的全体正常水深点(不含危险水深)，逐一与上述各层级深度值进行比对，分别统计各层级(0～d-、d-～depth
max
、depth
max
～d

、d

～∞)范围内的水深个数，并计算其百分比，分别记为ρ
d-、ρ
d-depth
、ρ
depthd
、ρ
d
。
19.表1不同比例尺图上表示的基本等深线
[0020][0021]
s2.4：依据步骤s2.3中计算所得百分比，作如下判断：
[0022]
若则将该等深区深度范围设置为d
‑‑
～depth
max
；
[0023]
反之若则将该等深区深度范围设置为d-～depth
max
；
[0024]
反之若则将该等深区深度范围设置为depth
max
～d

；
[0025]
反之若则将该等深区深度范围设置为depth
max
～d

。
[0026]
进一步的，所述步骤s3中，数据前期准备的主要步骤如下：
[0027]
s3.1：依据传入的航海图数据，遍历数据中的等深区多边形，获取深度范围值；
[0028]
s3.2：提取当前等深区中的点岛、礁石、水深等要素，逐一将这些要素与等深区深
度范围进行比对，若深度小于等深区下限，则将该要素标记为“待处理要素”，否则不作任何处理；
[0029]
s3.3：遍历全体“待处理要素”，以该要素点为中心，以较小距离(距离值为0.01cm)为半径构建缓冲区(本发明将这些缓冲区称为附加缓冲区)，并将缓冲区边界线的深度设置为该等深区下限值，以防止由于要素深度浅于等深区下限而导致内插值与航海图实际表达意图产生偏差。
[0030]
进一步的，所述步骤s4中，构建的三角形分类及无法直接内插三角形识别方法为：
[0031]
s4.1：依据岸线、等深线(含滩线)、特殊线(图廓线、强制连接线、附加缓冲区等)以及水深点等要素，构建约束delaunay三角网，并记录三角形顶点编号；
[0032]
s4.2：依据各三角形的重心点坐标，求取三角形所在面层中的等深区多边形，依据等深区多边形上下限深度值，判断三角形三顶点的深度值是否小于等深区的深度范围下限，若是，则将该顶点处的深度值记录为该等深区深度范围下限；
[0033]
s4.3：在约束delaunay三角网构建完毕后，为了对无法直接插值区域进行有效识别，并便于后续三叉树模型构建，依据三角形顶点属性(点状岛屿也是按曲线点进行处理)、经改正后的深度值(深度是否相等)以及三边属性等条件将三角形分为11类三角形(如附图4所示)；
[0034]
s4.4：依据本发明三角形类型划分方法(如附图4所示)，在约束delaunay三角网构建完毕以后，图上无法直接进行内插的区域应为附图4所示v类三角形、vi类三角形、viii类三角形、x类三角形、xi类三角形所在区域。为便于表述，将上述三角形中非约束、且顶点深度值相同的边称为“可拓展边”。
[0035]
进一步的，步骤s5中，为了对各类型三角形进行系统组织，本发明采用三叉树模型组织步骤s4中无法直接内插的三角形数据，并在三叉树节点中存储父节点father、三个子节点son、节点区域内的所有三角形alltri以及节点是否可直接处理ispossible。
[0036]
由于步骤s4得到的可拓展三角形中的xi类三角形可拓展情形最多，也最为复杂，因此首先处理该类三角形，并采用排列组合思想，按照xi类、x类、v类、vi类三角形的顺序进行逐一处理，以保证三角形拓展过程中不产生冲突。为便于后续处理方便，本发明将所有三角形均标记为“假”，若处理后，则将其设置为“真”。同时在三角形的三边中点设置相应内插值subdepths，初始值为-1。
[0037]
其三叉树构建的基本步骤如下：
[0038]
a、首先遍历传入的三角形，获取其中的未经处理的xi类三角形，若存在该xi类三角形，则将该三角形进行存储，转步骤c；若不存在该类型三角形，则转步骤b；
[0039]
b、遍历全体三角形，获取其中未经处理的x类、v类、vi类三角形，若存在该类型三角形，则将该三角形进行存储，转步骤e；若不存在该类型三角形，则表明此时全体需处理的三角形均组织完毕，三叉树模型构建完毕，输出全体树模型根节点；
[0040]
c、创建三叉树根节点t
root
，将步骤a中传入的xi类三角形存储于该根节点中，将其处理标识设置为“真”，并开始向其三侧的可拓展边进行拓展。例如，若传入的三角形为xi类三角形m0，将其直接存储于创建的根节点t
root
，并为该根节点创建三个子节点，将根节点t
root
的末尾三角形m0存入三个子节点的alltri中，并为其指定拓展方向，设置该根节点为上述三个子节点的父节点(father)，逐一将这三个子节点传入步骤d；
[0041]
d、依据传入的子节点及其指定的拓展方向，将其指定拓展方向上的邻近三角形存储于子节点中，将其处理标识设置为“真”，然后判断子节点末尾三角形类型，若为viii类三角形，则其拓展方向上的邻近三角形存入子节点中，继续判断末尾三角形类型，直到出现其末尾三角形不为viii类三角形为止；若末尾三角形为xi类三角形，则为子节点创建两个子节点，将该末尾三角形存入子节点的两个子节点中，并指定拓展方向，设置该子节点为上述两个子节点的父节点(father)，重复步骤d；若末尾三角形为v类、vi类、x类三角形，则停止拓展操作，待全体子节点均停止拓展后，转步骤a；
[0042]
e、创建三叉树根节点t
root
，将步骤b中传入的三角形存入根节点t
root
中，将其处理标识设置为“真”，并依据三角形类型开始拓展。具体方法为，获取根节点t
root
末尾三角形的可拓展方向上的邻近三角形，并将其存入节点t
root
中，将其处理标识设置为“真”，判断根节点t
root
末尾三角形类型，若为viii类三角形，则依据拓展方向，将其邻近三角形存入根节点t
root
中，继续判断末尾三角形类型，直到其末尾三角形不为viii类三角形为止；若末尾三角形为v类、vi类、x类三角形时停止拓展，转步骤b。
[0043]
进一步的，步骤s6中所述“溯源”算法的基本方法如下：
[0044]
s6.1：依次输入根节点，判断根节点是否存在子节点，若不存在，则表明该节点为单一节点，可直接进行内插传递，直接对本节点进行内插传递处理；若存在子节点，则将这些子节点传入步骤s6.2；
[0045]
s6.2：依次输入子节点，结合节点是否可内插传递条件(节点中的首尾两个三角形与可拓展边的深度值之间是否存在差值)进行判断，若可直接进行内插传递，则进行内插传递操作，并返回值“真”；若无法进行内插传递，则判断该子节点是否存在子节点，若存在，则将这些子节点传入步骤s6.2：进行递归；若不存在则返回值“假”；待子节点判断完毕后转步骤s6.3；
[0046]
s6.3：依据步骤s6.2中子节点的返回值，若返回值均为“假”，则直接返回“假”，否则，则表明该节点的子节点中存在以进行内插传递的节点，从而使得本节点的末尾xi类三角形某一边进行了内插传递，存在附加水深点(由内插传递过程中，在三角形可拓展边上中点上自行设置的水深点，其水深值由内插计算得到)；依据该附加水深点，将本节点进行内插传递操作，并对本节点下的全体子节点(以进行内插传递的子节点除外)进行内插传递操作，随后返回值“真”。直到该节点不存在父节点时，表明该根节点下，全体节点均进行了内插传递操作，随后转步骤s6.1。
[0047]
所述内插传递基本过程如下：以首尾为x类和v类三角形为例，利用构建的三角网提取中轴线如附图6中所示，由于曲线点p
l7
以及水深点pd与周围的等深线上的值不相等，因此可采用线性内插方式计算各可拓展边中点深度值，其计算公式如下：
[0048][0049]
其中，depth
psubi
表示可拓展边中点p
subi
的深度值，本发明将其称为该边的附加深度值，|p
l7
p
subi
|表示中轴线上点p
l7
至点p
subi
的距离，|p
l7
pd|表示中轴线上点p
l7
至点pd的距离。
[0050]
进一步的，步骤s7中所述三角形拆分内插方法如下：
[0051]
首先依据三角形上附加点的数量拆分三角形：
[0052]
若只有一边存在附加点：对于该类型三角形，直接连接附加点及其对应顶点，直接将其划分两个三角形，并采用当前主流内插算法(本类型方法较多，不做要求)分别计算两三角形内部深度值。
[0053]
若两边存在附加点：对于存在两个附加点深度值的三角形，首先直接连接上述两附加点，随后计算各附加点到其对应顶点之间的距离，取其距离较小者进行连接，从而将三角形划分为3个小三角形；最后同样采用当前主流内插算法计算各三角形内部深度值。
[0054]
若三边均存在附加点：对于存在3个附加点的三角形，顺次连接各附加点，从而将三角形划分为4个小三角形，并计算各三角形内部深度值。
[0055]
本发明的有益效果：本发明针对当前数字水深模型构建方法主要针对密度较高的水深数据(如多波束数据)，当数据改为航海图时，现有方法将出现与航海图表达实际意图相违背的情况。本发明主要针对水深数据相对较为稀疏的航海图数据，结合航海图上等深线、岸线以及碍航物等要素，构建符合航海图实际表达意图的高精度数字水深模型，相比于现有方法，本发明有效克服了由于水深密集稀疏导致的局部区域深度值与航海图表达意图出现明显偏差的问题，显著提高了数字水深模型质量。
附图说明
[0056]
图1是本发明等深区约束的航海图高精度数字水深模型构建方法的总流程图；
[0057]
图2是本发明等深区深度范围自动分析提取方法流程图；
[0058]
图3是本发明数据预处理主要流程图；
[0059]
图4是本发明构建三角形分类的示意图；
[0060]
图5是本发明三叉树构建主要流程图；
[0061]
图6是本发明内插传递基本过程示意图；
[0062]
图7是本发明溯源算法内插传递主要流程图。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图并对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0064]
本发明提出的等深区约束的航海图高精度数字水深模型构建方法，实现过程是采用计算机实现对航海图高精度数字水深模型的构建，假设现有航海图a，采用本发明方法进行构建高精度数字水深模型，包括以下步骤，如图1所示：
[0065]
s1：输入航海图数据，依据航海图数据，提取其中岸线、等深线(含滩线)、特殊线(图廓线、强制连接线、附加缓冲区等)以及水深点等要素并存储于内存中，对假设中的航海图a，将其提取要素的集合称为s(l)；
[0066]
s2：依据s(l)中的等深区(所述等深区是指由等深线、岸线、滩线等所围多边形区域)、等深线以及水深点之间的关系，采用图2所示方法自动分析提取等深区深度范围值；
[0067]
s3：依据图3所示方法对输入的要素集合s(l)进行必要前期准备，得到要素集合s
′
(l)；
[0068]
s4：针对要素集合s
′
(l)构建约束delaunay三角网，得到三角形集合s(t)，并依据
三角形顶点水深及三边性质，采用图4所示方式对三角形进行分类；
[0069]
s5：依据步骤s4得到的三角形类型，对无法直接内插的三角形采用图5所示三叉树(得到三叉树集合s(tree))组织方法进行系统组织，用以识别待内插区域，为后续内插传递奠定基础；
[0070]
s6：基于上述三叉树模型，采用图7所述“溯源”算法对待内插区域进行内插值传递，同时在三角形边上记录传递的内插值，得到内插传递后的三角形集合sr(t)；
[0071]
s7：基于上述经内插传递后的三角形集合sr(t)，根据主流内插方法对各三角形区域进行内插，输出经内插后的高精度航海图ddm。
[0072]
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。