数字水深模型多尺度表达方法研究

针对现有数字水深模型(DDM)多尺度表达过程中由于单一固守"安全性"准则所导致的DDM表达精度不高和DDM产品形式单一及使用范围受限的问题,该文在简要介绍二维滚动圆变换及其在等深线化简中的应用的基础上,通过对二维滚动圆变换的维数扩展,提出了滚动球变换的概念。经过大量的计算推导,得到了正(负)向滚动球变换的不同组合方式,实现了既可以顾及"安全性"准则,又能够满足"保真性"需求的DDM多尺度表达方法。该方法可以提高测深数据的利用率和数据表达精度,适应多领域不同层次的DDM应用需求。     

基于滚动球变换的TIN_DDM地形形态划分及连续尺度表达

针对TIN_DDM地形形态划分及连续尺度表达中存在的应用场景与数据类型特殊、地形形态划分边界不明确和地形尺度认知存在差异等问题,提出了一种基于滚动球变换的TIN_DDM地形形态划分及连续尺度表达算法。该算法在分析滚动球变换构建原理的基础上,通过挖掘滚动球变换在地形形态识别方面的应用潜能,设计了TIN_DDM采样点地形类型判定准则;针对判定准则在地形形态连续尺度表达过程中无法应用的问题,通过对滚动球接触点与滚动球半径之间的数值关联性进行分析,求解出各采样点与滚动球接触状态变换时的临界滚动球半径,构建了面向TIN_DDM地形形态连续尺度表达的滚动球变换。试验结果表明:该算法可快速实现以滚动球半径作为尺度因子的TIN_DDM地形形态自动化分及连续尺度表达。     

顾及形态差异的TIN-DDM地形复杂度度量方法

地形复杂度是海底地形形态研究领域的一个综合性参数,合理构建TCI计算模型是实现度量DDM表面地形形态变化的重要环节之一。目前TIN-DDM地形复杂度度量方法所建立的TCI计算模型,均无法较好地以采样点TCI值比较的方式反映出其所在不同地形单元间形态变化特征的差异。针对此问题,本文提出了一种充分顾及形态差异的TIN-DDM地形复杂度度量方法。该方法在分析滚动球变换原理的基础上,阐明了TIN-DDM在滚动球变换过程中采样点的深度变化与其TCI的关联性,分析了最佳滚动球半径的选取原则,构建了采样点TCI计算模型并进行优化处理,最后通过TCI内插复杂场的方式实现了TIN-DDM地形复杂度的有效度量。试验结果表明,本文方法具有良好的地形复杂度度量效果,所构建的TCI计算模型可较好区分采样点所表达局部地形形态的差异,且相对于对比方法,依据本文方法TCI重构的DDM具有更高的精度。     

基于约束条件的不规则水深网构建方法

针对传统水深综合原则适用性不强、可操作性差等缺陷,利用海底地形骨架线作为反映区域趋势的趋势线。构网过程中,通过约束角度和距离控制网络结点的生成,实现水深网的自动构建。实验证明,该方法可以很好地控制水深分布密度和结构,反映出的海底地形趋势比传统菱形网更加合理,为水深自动综合提供了一个新思路,具有一定的可行性和实用价值。     

航海用DDM向非航海用转换时的整体偏差补偿方法

针对航海用数字水深模型（DDM）向非航海用转换这一问题,提出了一种用整体偏差值补偿来提高转换精度的方法。首先建立航海用DDM整体性偏差值与海底地形复杂因子、海图比例尺之间的关系;其次依据上述关系预先推算航海用DDM的整体偏差值;最后将整体偏差值补偿到转换前的航海用DDM的模型点上,以提高转换后的非航海用DDM精度。试验证明：①所提的方法可行,可提高转换后非航海用DDM的精度;②转换后非航海用DDM精度提高的程度与海底地形复杂因子和海图比例尺有关。     

利用拟构模型面调控水深模型点选取的航海DDM构建

针对传统方法难以确保所建模型的深度保证率满足航海安全要求的问题,提出了一种利用拟构模型面调控水深模型点选取的航海数字水深模型（digital depth model,DDM）构建方法。定义了已选、待选、拟选水深点以及拟构模型面的概念,并利用待选水深点来定量评估模型面的深度保证率与表达度,实现了水深自动选取过程中的DDM质量动态监控。在此基础上,通过构造水深选取中的质量评估综合算子,利用该算子来定量调控水深点的选取,确保所构DDM的深度保证率能达到规定指标要求。实验结果表明:（1）与传统方法相比,所提方法能确保所建模型的保证率满足航海安全要求;（2）对于深度保证率均能满足航海安全要求的水深点,所提方法较传统方法能从一定程度上提高模型在此处的表达度。     

水下地形测量

同陆地一样，海洋与江河湖泊开发的前期基础性工作也是测图。不同的是，在水域是测量水下地形图或水深图。兴建港口；水上运输；海上采油；海底探矿；海洋捕捞，发展水产；海域划界，海战保障；监测海底运动，研究地球动力等任务都需要各种内容的水下地形测量。 水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。定位的作用是不言而喻的，目前的水上定位手段有光学仪器定位、无线电定位、水声定位、卫星定位和组合定位。平面位置的控制基础主要是陆上已有的国家等级控制点，卫星定位如采用差分方式，其岸台亦多采用已知控制点，以求坐标系统的统一。如果大洋测量采用卫星单点定位方式，则应根据需要确定是否进行坐标换算。水声定位网通常在特殊的、较小的范围内使用，因为目前水声传播的距离，在一般情况下，是不足以满足人们要求的。 水上定位同时，测量水的深度是确定水下地形的重要内容。测深主要靠回声测深仪进行。利用水声换能器垂直向下发射声波并接收水底回波，根据回波时间和声速来确定被测点的水深，通过水深的变化就可以了解水下地形的情况。20世纪60年代，出现了侧扫声纳，可探测船一侧(或两侧)一定面积海域内的水下障碍物和水底地貌，可以取得类似于航摄效果的水底表面声学图像。20世纪70年代，又出现了多波束测深系统，它能一次给出与航线垂直的平面内几十个甚至百余个海底被测点的水深值，形成一定宽度的全覆盖的水深条带，可以比较可靠地反映出水下地形的细微起伏，比单一测线的水深测量确定水下地形更真实。目前，多波速测深系统正向小型化发展，适用浅水海域和简易船只的新产品已经有售。20世纪80年代以后，又推出了高效率的机载激光测深系统，激光光束的高分辨率能获得海底传真图像，从而可以详细调查海底地貌和底质。美国国防制图局于1990年研制的ABS机载水深测量系统，除包括一台激光测深仪外，还有一台多光谱扫描仪和一台电磁剖面仪，能够在各种环境条件下，在飞机上利用激光、光谱和电磁测量几种方法互补快速测制沿海的水下地形图。这些手段一般可测深30～50 m，精度在±0.3 m左右。目前，还可以利用卫星上安装合成孔径雷达(SAR)等设备对海面遥感摄影，通过对照片处理确定水深。需要强调的是，以上水深测量得到的瞬时值存在着仪器、潮汐等因素的影响。因此，需在数据后处理中加入相关改正，并归算至统一的高程基准面。为了与陆上地形图实现拼接，水下地形图宜采用与陆地统一的高程基准。而为航海服务的海图通常采用理论深度基准面，它和平均海面相差一个常数。国外少数国家，在水下工程施工前，还利用潜水器携带水下立体摄影机获取水下地形的立体相片，或者利用高分辨率声学系统采取全息摄影技术测量水下地形。在特殊地区还可利用水下经纬仪、水下激光测距仪、水下气压水准仪和水下液体比重水准仪、水下电视摄影系统测量水下地形。 目前，水下地形测量过程已逐步实现自动化，数字产品已多见。     

数字海图水深注记的自动选取

水深注记作为表示海底地形地貌特征的主要制图要素,它的正确选取对于保证航海安全、反映海底地貌起伏具有重要意义。针对传统的水深注记方法,该文提出一种顾及多重约束条件的水深注记选取方法。在总结水深注记综合约束条件基础上,以Vononoi图为支撑几何构造,对水深注记综合涉及的地形特征、空间分布特征、邻近特征3个方面的综合约束进行了形式化定义;借鉴人工选取的思想,在水深综合约束条件重要性排序的基础上,通过反映地形、空间分布、邻近关系等主体特征的重要水深的依次选取,以及背景水深的抽稀实现水深注记选取;最后以实测数据进行实验,验证该方法的有效性。     

非航海用DDM向航海应用转换的方法

针对非航海用数字水深模型（DDM）不能直接应用于航海上的这一问题,提出了一种基于水深不确定度拟合面的非航海用DDM向航海应用转换的方法。采用不确定度合成方法计算原始水深不确定度对非航海用DDM建模点的传递不确定度;利用测试点检验法估算非航海用DDM网格的地形描述不确定度,进而合成建模点的综合不确定度;基于模型网格双线性法构建非航海用DDM的水深不确定度拟合面,并推估模型内任一点的水深不确定度,以提高转换后非航海用DDM的深度保证率。试验证明：所提方法切实可行,能够较大程度地提高转换后非航海用DDM的深度保证率,以满足舰船的安全航海需求。     

数字水深模型建模技术研究进展与展望

水深是反映海底地形起伏形态的基本要素,是人类认识和利用海洋并进行科学决策的重要依据。数字水深模型是用离散水深数据实现对海底地形起伏变化的一种数字化表达。数字水深模型建模技术与所构建模型的质量、特点及应用领域密切相关,直接决定了海底地形表达的真实可靠性和精度,并将对舰船航行的安全性及其他相关应用产生重要影响,一直是海道测量和海图制图人员科学研究与海洋测绘地理信息产品生产实践关注的核心内容。本文在总结数字水深模型概念内涵的基础上,结合国内外数字水深模型建模技术现状,重点阐述了数字水深模型在航海和非航海领域的研究进展及取得的成果,并对数字水深模型建模技术的未来发展方向做出了展望。     

三维点云的分割及骨架提取研究

针对在三维点云环境下分离目标物体所出现的过度分割问题,提出一种结合随机抽样一致性和颜色差值区域聚类的分割方法。首先利用RANSAC算法去除场景中大部分平面,使得目标物体和连成片的点云脱离,然后结合点云的距离阈值和目标颜色差值,得到目标点云数据。针对L1中值算法对曲率较大模型的骨架提取存在的不足,进行了改进。通过L1中值算法对点云模型进行骨架提取,得到点云的骨架点,然后沿端点方向向外进行最大内切球的球心提取,最后连接多个球心及骨架末端点,得到符合人类视觉效果的骨架。改进的算法提高了L1中值对曲率较大点云骨架提取的准确性。     

DEM多尺度表达与地形结构线提取研究

提升方法是一种新型小波变换方法,比小波理论中的多分辨分析更加有效.介绍提升方法实现的原理和构造的三个步骤,将提升方法应用于DEM数据的多尺度表达;简述结构算法并重点说明对该算法的改进,最后给出利用改进的结构算法在多尺度DEM数据中提取地形特征线的方法和实验过程.     

不规则三角网数字水深模型缓冲面快速构建的滚动球加速优化算法

针对TIN_DDM缓冲面构建与应用中存在的数据类型特殊、算法效率与模型精度不匹配的问题,本文将滚动球模型应用扩展至TIN_DDM缓冲面的构建过程。在分析滚动球模型构建精度局限的基础上,建立了滚动球半径关联的滚动球模型整体精度控制方法;结合大数据量TIN_DDM缓冲面多次构建的应用效率需求,阐明了关键采样点与滚动球半径对TIN_DDM缓冲面构建效率的影响规律;设计了TIN_DDM缓冲面构建关键采样点的判定准则,建立了关键采样点与滚动球半径的数值关联关系;提出了一种基于滚动球加速优化模型的TIN_DDM缓冲面快速构建算法,算法时间复杂度为O(n)。试验结果表明:本文算法可实现任意缓冲半径条件下TIN_DDM缓冲面的多次快速构建,且算法精度控制在2σ内。     

基于多分辨率模型的地形实时显示

如何实现地形的实时动态显示是GIS/VR的研究内容之一 ,多分辨率模型 (LOD)作为加速显示速度的手段近年来得到了普遍的重视和发展。在总结前人LOD算法的基础上 ,针对大数据集地形数据 ,文中采用三角形法向量判断的方法将地形数据组织成具有层次结构的多分辨率模型 ,在分辨率选择的基础上 ,根据视点位置和视线方向对不可见面片进行删除 ,在不影响视觉效果的前提下减少绘制所需的三角面片数 ,从而实现地形实时显示。实验结果表明 ,该算法是成功有效的。     

全球经纬度网格的雷达探测范围真三维建模

针对雷达探测范围会受到复杂地形因素影响,单一地依靠电磁传播模型可视化雷达探测区域很难真实有效地展现电磁覆盖情况的问题,该文提出一种基于GeoSOT-3D空间剖分的雷达探测范围的计算与表达一体化的真三维模型。GeoSOT-3D剖分框架将上至地球50 000km,下至地心的全部地球空间划分成多层次、多尺度空间体元,体元可承载多源异构空间数据。依据GeoSOT-3D的剖分流程,将地形数据、雷达探测空间数据离散化。最后,开发了雷达探测范围可视化验证平台。实验结果表明,该建模方法对复杂的地形适应性强,可视化表现效果真实直观。     

基于SuperMap的全球晕渲图设计与制作

晕渲图的设计与制作一直是地学工作者研究的热点问题,使用晕渲图展示地形直观、形象、立体感强.目前有多种思路被提出用于改善晕渲图的显示效果,但是在制作小比例尺晕渲图时,仍然存在一些问题,如地形破碎导致难以把握地形宏观骨架,缺少海洋地形或海洋地形过于具体干扰到陆地要素表达,传统的DEM与山影数据叠加的模式使得美观与地形清晰无法兼得,这就需要重新对这些问题进行思考.本文以晕渲图的基本理论为出发点,采用地貌晕渲与分层设色相结合的方法,讨论全球范围的晕渲图制作过程中,不同显示比例尺下DEM分辨率配置技巧、海洋地形展示方法与地形可视化新思路.实验证明,该方法可以保证晕渲图在每级显示比例尺下都能展示出良好的地形效果,为中小比例尺晕渲图增强表现力提供了参考.     

面向水流三维登记探索的多波束点云去噪及应用

针对多波束点云数据去噪难以保留精细特征,无法精确“锁定”河床形态问题,本文提出了一种面向自然资源确权水流三维登记探索的多波束点云去噪算法。以KD树搜索为基础,引入统计滤波理论进行多尺度噪声分类,并剔除大尺度噪声;针对小尺度噪声,在信息熵理论基础上,以主成分分析算法为基础,以信息熵最小原则确定最优邻域,并据此构建曲率信息熵对双边滤波因子进行优化改进,以实现水下地形点云去噪与精细特征保留的目的。试验结果表明,本文算法具有可行性,能够有效保证水下地形的精细特征,并能够应用于自然资源水流三维登记。