航道水下数字高程模型的构建方法

曾 涛,杨武年,卢秀明,刘汉湖,吴志春

(1.成都理工大学 遥感与G IS研究所,四川成都 610059;2.广东正方圆工程咨询有限公司,广东广州 510023;3.成都勘察测绘研究院,四川成都 610081)

航道水下数字高程模型的构建方法

曾 涛1,杨武年1,卢秀明2,刘汉湖1,吴志春3

(1.成都理工大学 遥感与G IS研究所,四川成都 610059;2.广东正方圆工程咨询有限公司,广东广州 510023;3.成都勘察测绘研究院,四川成都 610081)

以东莞市某航道水下数字地形构建为例,应用GPS-RTK技术并配合测深仪,获取水下地形测量原始数据。通过VC+ObjectARX CAD二次开发,在构建格网DEM精度和运行效率方面,利用几种内插方法实现了数字航道水下地形模型的构建,得出在水下地形起伏不大的情况下,TIN线性内插在构建航道格网DEM中是一种高效率、高精度的方法。

数字航道;水下地形;ObjectARX CAD+VC;DEM内插

0 前言

近年来,我国各地数字城市、数字地球的建设如火如荼,各行各业的信息数据管理都向数字化方向发展。城市内河航道运输业也在快速地发展。为了提高我国内河航道管理的效能,使之能更好地服务于内河航运经济发展[1、2],提出了建立数字航道的构想。其中,航道信息资源数字化的实现就是数字航道的一个核心方面,它是实现数字化航道的基础性支持体系[3]。由于船舶安全航行离不开高质量的航道水下地形数据,因此,在航道信息资源数字化建设中离不开航道数字地形模型的构建,尤其是水下高精度数字地形模型的构建。

航道水下地形数据相对于地面地形数据的密集而言,水下地形数据稀疏,点分布不均匀,有时很长一段的航道内点的高程变化不大,这就需要找到一种高效的内插算法,构建高精度的三维水下地形模型。作者在东莞市某航道利用GPS-RTK配合测深仪技术获取水下地形测量原始数据的基础上,通过VC+ObjectARX CAD二次开发,对比几种内插方法在构建格网DEM精度和运行效率方面的效果,得出在水下地形起伏不大的情况下基于TIN的线性内插是一种高效率、高精度的内插方法,实现了航道水下数字地形模型的构建。

1 东莞航道水下地形数据采集

要构建航道水下数字地形模型,首先要获取必要的水下地形三维原始数据。目前,水下三维地形数据主要依靠实地水下地形测量完成。随着GPS定位技术、水声测量技术和电子计算机技术的发展,水下地形测量技术从传统的光学定位,单波束测深,手工进行数据处理和绘图,成果单一的时代跨入GPS定位,使用多种测深手段,数据处理和绘图自动化,成果多样化的崭新时代[4]。

实时动态(Real Tim e Kinem atics,简称RTK)技术是一种高效的定位技术,它是以载波相位观测为依据的实时差分GPS(RTK GPS)测量技术[5]。目前RTK测量技术已经普遍应用于水下地形测量,其基本作业模式是在船上使用双频GPS,以RTK作业方式+便携机+数字测探仪实时水深数据自动采集。由于双频RTK定位实时高程精度较高,因此同时可以取代水尺布测水位观测等多道复杂的工序[4]。在本次试验中,我们就使用了RTK和数字测深技术,对东莞航道从石龙至老虎围尾河段(全长34 km,测量面积17 km2),进行水下测量,测绘了1∶2 000的水下地形图,为水下DEM构建提供了现实、精确的数据。

2 航道水下数字地形模型的构建

2.1 构建航道水下数字地形模型的方法

水下地形是一个复杂的曲面,在不规则分布的点中间,存在着一些具有特殊结构的特征点及特征线。在格网DEM内插的过程中,如果不能将这些特征点、线的信息有效地利用起来,就会在一定程度上影响DEM内插精度,最终导致DEM显示效果的失真。作者在本文中,在对比分析前人构建数字高程模型方法和技术的基础上[6、7],通过多次实验,选取适合水下地形建模的方式,最终确定了基于TIN到格网DEM内插方法构建航道水下数字地形模型。

2.2 航道水下数字地形模型构建过程

本次实验在W in2000操作系统和V isual C+Ob jectARX Au toCAD二次开发编程平台上,实现了从TIN到格网DEM内插方法。具体建立步骤如下:

2.2.1 TIN的构建

建立TIN过程的实现函数定义如下:

int FvsTriangle InCirc le(doub le xp,double yp,double x1,doub le y1,double x2,doub le y2,double x3,double y3,doub le＊xc,double＊yc,double＊r);//判定点是不是在外接圆内

int BuildTin(int nvert,CA rray&Vertex,CA rray&Triangle);//构建TIN的主函数

void W riteFileCTinOb j(CA rray&Triangle,int inum ber);//输出文件

boo lReadData(CA rray&m_data,ads_point&wm in,ads_point&wm ax,double&dm inH ight);//读取测量数据

boo lReadTin(CA rray&Triangle,int&iTinNum ber,CString strfilenam e);//读取已有的TIN文件

void DeltinFun()//删除TIN某个三角形

程序运行结果如图1所示。

由于部份三角形理论上是不应连到一起的,如果让这些多余的三角形参与内插计算,会影响到内插的精度。在CAD运行命令DELTIN选择多余的三角形后删除,即可得到如图1(b)所示的符合实际的三角网。

图1 由离散数据生成三角网Fig.1 The triangulation generated by discrete data

2.2.2 航道水下地形格网DEM的内插

基于Ob jectARX AutoCAD二次开发提供了如图2(见下页)所示的三种方法:

(1)基于TIN的线性内插。

(2)距离加权内插。

(3)移动曲面拟合内插。

在程序运行时,只要选择前面的数字序号就可以进行相应的内插计算。

基于TIN的线性内插结果如下页图3所示(格网距离10m)。

图2 内插方法的选择Fig.2 The selection of interpo lationm ethod

图3 由TIN内插生成的格网DEMFig.3 Constructing underwater gird DEM based on TIN interpo lation

图4 二种内插方法生成的格网DEM效果对比图Fig.4 The resu lts comparison of the underwater girdsDEM constructed by two interpo lationm ethods

3 基于TIN到格网DEM内插方法评定

基于TIN到格网DEM内插方法建立了航道水下数字地形模型。下面从DEM三维显示和精度二个方面,评定基于TIN到格网DEM内插构建水下DEM的效果。

3.1 三维显示效果对比

图4(a)是基于TIN的线性内插立体效果,图4(b)是移动曲面拟合内插方式生成的格网DEM立体效果(由于基于距离加权内插和移动曲面拟合内插效果几乎一致,在此不在单独附图)。由图4可初步判断,基于TIN到格网DEM的线性内插方法,充分顾及了水下地形的地貌特征,构建的水下DEM立体效果较好。

3.2 DEM精度评定

DEM精度评定可通过二种不同的方式进行:(1)平面精度和高程精度分开评定。

(2)二种精度同时评定。

对第一种方式,平面的精度结果可独立于垂直方向的精度结果而获得。但对第二种方式,二种精度的获取必须同时进行。在实际应用中,一般只讨论DEM的高程精度评定问题。常用的DEM精度评定方法有检查点法、剖面法、等高线法等[8、9]。基于检查点法编写程序较易实现,计算量较小的特点。

作者在本次试验中,采用基于检查点法实现DEM内插精度的评定。检查点随机分布在东莞航道从石龙至老虎围尾河段,检查点水下高程数据通过高实测方式获取,通过DEM内插生成检查点的内插高程,根据检查点的实测高程和内插高程之差计算中误差。将中误差作为DEM精度评定指标,通过对比不同建模方法获取的中误差大小,评定水下DEM建模方法的好坏。

根据运行编写好的程序,三种DEM内插方法在不同格网间隔得到的中误差结果如表1所示。

表1 几种内插方法的精度对比表Tab.1 Comparison of the accuracy of several interpo lation m ethods

由表1可以看出,格网间距越小,DEM内插中误差越小。在相同格网间距的前提下,作者选用的基于TIN到格网DEM内插方法中误差最小,构建的DEM精度最高,建模效果最好。

4 结语

通过内插精度数据分析和程序运行的结果可以得出,基于TIN的线性内插精度高,内插效果好,能满足本工程的精度要求。移动曲面拟合法的精度相对较差,原因是移动曲面拟合法对选点的要求、选点的范围都很难调整到最理想的状态。距离加权在三维数据内插的精度不为乐观,但是运行比较稳定,在对精度要求不高的情况下,可以采用这种内插方法。

航道水下数字地形模型的构建是一件复杂的事情,它既要考虑数据内插的精度,又要考虑三维显示和漫游的效果。由于时间关系,作者在本文未对航道水下数字地形模型三维显示作探讨。从本次的试验只能得出在水下地形起伏不大的情况下,构建航道水下数字地形模型,宜选用基于TIN的线性内插的方法,该方法不但效率高,而且精度也较高。

[1]董春来,史建青,焦明连.数字航道地形模型建设实践与研究[J].测绘技术装备,2007,9(1):3.

[2]眭海刚,王娟,张安民,等.基于三维G IS的数字航道若干关键技术研究[J].武汉大学学报信息科学版,2006,31(8):713.

[3]胡宁,刘杨.数字航道技术在内河航道管理中的应用[J].水运工程,2007,(10):52.

[4]刘树东,田俊峰.水下地形测量技术发展述评[J].水运工程,2008,(1):11.

[5]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.

[6]贾俊涛,翟京生,谭冀川.海底地形数据的格网DEM内插方法[J].海洋测绘,2003,23(6):24.

[7]张瑞军,杨武年,曾涛.数字高程模型(DEM)的构建及其应用[J].工程勘察,2005,(5):61.

[8]冯桂,林宗坚.DEM高精度内插算法及其实现[J].遥感信息,2000,(4):402.

[9]周兴华,姚艺强,赵吉先.DEM内插方法与精度评定算法及其实现[J].测绘科学,2005,(10):86.

TP 72

A

1001—1749(2011)01—0083—04

国家自然科学基金项目资助(41071265)

2010-07-08 改回日期:2010-11-17

曾涛(1977-),女,四川遂宁人,讲师,博士,研究方向:“3S”技术及其应用。