一种基于潮汐过程的海岛礁形态变化定量描述提取方法与流程

本发明属于海洋地图海岛礁制图综合与可视化领域，特别是涉及一种基于潮汐过程的海岛礁形态变化描述定量提取方法。

背景技术：

海岛、礁石是海洋环境监测和研究中的重要载体和平台，是实施海洋开发与保护的重要战略对象，是国家海洋经济发展中的特殊区域，在国防、权益和资源等方面有着很强的特殊性和重要性，其涉及的领土、领海、毗连区及专属经济区等相关权利和利益巨大。受海洋潮汐的影响，海岛礁在不同的潮位下出露水的形态和面积有很大的区别，其中特别是礁石，在低潮时出露较多，而伴随潮汐的不断涨高，出露形态会发生很大的变化。而现有海洋制图中考虑海岛礁潮汐动态过程相关的研究较少，大多数侧重于大尺度涉及的海洋地理信息系统模型设计、表达等方面的工作，也有部分的研究是从三维模型的角度去表达海岛礁这一海洋研究从三维模型的角度去表达海岛礁这一重要的海洋专题要素。此外，海岛礁对象相比陆地要素中的点、面群组目标在地图制图综合过程中具有一定的特殊性，受潮汐影响是一个动态变化的过程。但是考虑如何在潮汐动态时空过程下对岛礁出露形态进行定量提取、描述可视化表达的方法较少。传统或以往的海岛礁制图综合过程中对其视作静态的对象进行处理，未考虑其时空变化过程，更未涉及海岛礁随潮汐动态过程形态定量变化因素的影响。

在现有技术中，主要有以下文献1与本发明申请相关：文献1中国科学院地理科学与资源研究所于2013年4月16日申请，并于2013年8月12日公布的，公开号为cn103258348a的中国发明专利《一种基于潮汐过程的海岛礁动态可视化方法》，该方法特征在于，依据用户设定的区域和时间域，从基础地理信息数据库中提取对应区域的地形、水深等数据，获取或生成该区域的dem，根据该区域和时间域的潮汐表生成一段时间段的潮高绝对高程时间序列，然后从dem上分别提取各潮高的岛礁出露水形态，并按时间序列进行合并，动态展示不同潮位下海岛礁出露水情况。

总结可知，目前现有方法中对海岛礁潮汐动态过程的方法及研究中存在以下主要的问题：（1）海岛礁制图可视化表达考虑因素比较概括，关键在于海岛礁潮汐过程形态定量变化信息提取，但对出露水形态的定量提取信息不够；（2）现有的海岛礁制图综合中只是将海岛礁作为静态对象，而岛礁形态随着潮汐过程在发生着变化，在海洋制图海岛礁地图综合中未考虑动态过程。而潮汐动态过程中，海岛礁出露水形态的定量信息是非常重要的定量描述表达参数。

潮汐是发生在海洋中的一种自然现象，是海水在天体（主要是月球和太阳）引力潮作用下所产生的周期性运动，其变化对海岛礁出露水形态有着重要的影响，目前的海洋地图仅展示了某一潮位静态的岛礁出露水形态，而不能展示其他潮位，或整个潮汐过程中各个潮位海岛礁的出露水形态的定量变化，本发明为使其进一步展示潮汐过程中岛礁形态的定量变化进行了思路方法的创造。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：提供了一种基于潮汐过程的海岛礁形态变化描述定量提取方法，目的在于解决现有海洋制图领域海岛礁地图综合中未考虑潮汐动态过程的影响，提供了一种解决海岛礁在潮汐过程变化下的定量形态变化和描述问题的简单方法，并通过运用编程语言和开发平台对其进行模拟和实现，方法中运用岛礁模拟数据和来自中国海洋信息网的潮汐预测数据，对海岛礁在潮汐过程中的定量形态变化进行了图表可视化展示。

本发明的技术方案为：用户依据对特定海岛礁区域的需求，从相应的海洋基础地理信息数据库中提取出对应的描述海岛礁形态的dem数据或等高线数据，同时从所选定的海岛礁区域范围内搜索和查找到潮汐预测或观测数据，将潮汐参考高程与海岛礁等高线数据的高程基准进行统一，之后应用遍历等高线属性表与等高线高程字段进行匹配及插值方法获取潮汐过程中海岛礁形态定量变化的参数。

（1）根据上述需求，从海洋基础地理数据库中获取海岛礁基础地理数据，可以是等高线地形图矢量数据，也可以是海岛礁dem数据，如果是dem数据，运用转换工具将其转换为等高线的矢量数据。

（2）根据上述需求，获取所选定区域内的海岛礁内的潮汐观测（或预测）数据或附近潮汐观测站的观测（或预测）数据。

（3）根据步骤（1）、（2）获得的数据进行参考高程的转换，转换至统一的参考基准之下。

（4）根据步骤（3），提取获取的潮汐时间序列，提取序列编号为1的潮高值，将其获得的潮高值在海岛礁等高线属性表中遍历，找到与该潮高值相匹配的等高线高程值，直接获取或插值获取该潮高值对应的岛礁形态面积、周长定量描述和表达参数，并进行存储。

（5）根据步骤（4），重复步骤（4）内容，直到潮汐序列潮位值遍历完成。

（6）根据步骤（5），对所获得的海岛礁潮汐动态过程定量描述和表达数据进行可视化表达和展示。

本发明与现有技术相比的优点在于。

（1）本发明方法思路简便易于操作和实现。

（2）将潮汐过程中海岛礁形态变化的定量描述表达参数进行了准确的获取，定量展现了海岛礁在潮汐动态变化过程中的差异。

（3）可将其方法推广应用于陆地一定区域内滑坡形成堰塞湖，湖面水位上升，导致湖水所淹没面积发生过程中的信息提取与可视化表达。

附图说明

图1是本发明的方法实现流程图。

图2是杭州湾海黄山2019年5月12日潮汐预测数据图。

图3是海岛礁结构示意图及本发明海岛礁基础地理数据和潮汐观测数据参考基准统一变换图。

图4是本发明海岛礁潮汐动态过程岛礁定量形态提取方法算法图。

图5是本发明将该方法进行编程实现的程序界面图。

图6是说明书摘要附图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实施方式如下。

（1）依据用户需求，从海洋基础地理信息数据库中获取海岛礁基础地理信息数据，具体包括以下几个步骤；（a）如果是纸质地形图数据，需对等高线数据进行矢量化处理；（b）如果是dem数据，需利用arcgis等软件中的转换工具将其转换成矢量等高线数据；（c）如果是多波束及激光或lidar扫描数据，将其制作成矢量等高线数据；（d）对处理好的等高线数据进行检查，无误后，在等高线属性表中添加面积、周长字段，并对其进行对应等高线高程值计算得到确切的属性数值。

（2）依据用户的需求，根据选取的海岛礁区域范围，选择区域内或区域一定范围内的潮汐时序观测数据。

（a）若选定的区域内有一个潮汐观测站点，则选择离海岛礁中心最近的一个，选用该潮汐观测站点数据；（b）若选定的区域内有多个潮汐观测站点，则选取区域范围内的多个站点的平均值；（c）若选定区域内无潮汐观测站点，则选择海岛礁区域附近距离海岛礁测区中心最近的站点，使用该测站数据；（d）本发明方法实验潮汐数据选取如图2中的杭州湾海黄山2019年5月12日潮汐预测数据进行模拟实验。

（3）对所获得潮位序列观测数据及海岛礁的基础地理数据（注：本发明中所应用的主要是等高线矢量数据），查阅两类数据高程参考基准的起算面差值。

（4）通过获得的高程参考计算面差值，换算至统一的参考高程基准之下，通过如下公式，将两类数据换算至统一的参考基准下。

高程参考基准差值（）=海岛礁基础地理数据起算高程面（）-潮汐观测或计算潮位面（）。

海岛礁绝对高程（）=潮位高程（）±高程参考基准插值（）。

（5）根据上述（1）、（2）、（3）、（4）步骤，已准备好数据，并对数据进行了一定的预处理，然后如图4所示，通过提取潮汐序列中的潮高值在海岛礁等高线属性表中进行遍历，直接获取（如果潮位高程值与等高线高程值相等）或利用线性插值方法（如果潮位高程值与等高线高程值不相等，遍历获得潮位高程值对应于前后高程值，利用线性插值插值获得数据）获取海岛礁潮位对应的等高线面积、周长数据。

（a）其中所述，如果潮位高程值与海岛礁等高线高程值相等，则等高线属性表中记录数据（面积、周长）即为海岛礁在该潮位记录下的定量表达形态参数，否则定量表达形态参数的获取需要采用线性插值方法获取；（b）根据步骤5（a）所述，如果不满足情况（a）,则需要进行插值计算，首先从潮位序列数据表中，按照顺序提取潮位高程记为，将提取的潮位高程在海岛礁等高线属性表等高线高程序列字段中进行遍历，找取符合逻辑判断，获取等高线属性表中的序列位置，之后分别以潮位高程和、以及、对应的面积属性值和周长属性值构造两个不同的线性插值函数进行插值计算。

（c）其中，上述内容中所述的线性插值计算为数值计算方法中常用的线性插值计算方法，其计算步骤如下：a．首先，构造求取插值函数，设函数在两点，上的值分别为，求多项式，使满足；b．其次，将待插点带入上述步骤a中，计算所得即为插值所需的数值；（d）重复上述步骤，直至潮位高程值在等高线高程值数据序列中遍历完成为止；（e）根据上述步骤，将其获取的海岛礁潮汐动态过程中的定量描述和表达数据进行可视化如图5中所示。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。