一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法与流程

本发明属于海洋测绘技术领域，尤其是一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法。

背景技术：

海底地形模拟仿真对于海洋研究和开发利用具有十分重要的意义。由于保密原因，水深测量原始数据难以获得，国际上公开的海底地形规则格网数据在分辨率和精度方面存在不足，无法满足多样化应用需求。与地形图数据相比，电子海图数据在经纬度范围和比例尺等方面具有不规则性，根据用途(通常分为：概览、一般、近海、沿岸、港口、锚泊)、航行区域和资料掌握情况等因素综合确定。同一用途的电子海图涉及多个不同比例尺，具有一定的比例尺区间范围，不同数据之间可能存在空间上的重叠压盖；除“概览”和“一般”用途外，同一用途的电子海图无法实现空间连续覆盖。如何利用现有海图数据实现海底地形模拟仿真功能，必须要解决如下两个难题：

1、用户需求区域覆盖。用户对海底地形数据的需求范围往往涵盖多个海图数据，而且有可能需要多个不同用途海图数据才能完全覆盖，必须通过一定的策略抽取关联数据，既要满足用户需求，又不能有重叠数据。

2、效果和效率的平衡。用户希望提高三维模拟仿真的精细度，但是越精细就要求参与计算的水深点越多，对计算能力要求越高，同时响应时间也会越长。

专利文献(公开号为cn103456041a)公开了一种基于s-57电子海图数据的三维地形和雷达地形生成方法，提取的是海图等高线作为岸上dem数据处理和制作来源，其模拟仿真的精度不高。另有文献“基于s57标准的电子海图三维可视化”可以建立海道数据三维可视化模型，但是其未考虑多尺度数据之间的关系，因此其处理效率不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，其利用多尺度海图数据，突破了“最佳比例尺估算”和“关联数据抽取”两个核心问题，达到“用户需求覆盖”和“效果和效率的平衡”效果，解决了海底地形模拟仿真精细度不足的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、估算多尺度海图数据的最佳比例尺；

步骤2、根据待查询的地理空间范围计算关联海图数据；

步骤3、抽取水深点和陆地区；

步骤4、海底地形规则格网插值与海陆拼接；

步骤5、使用色带配色方法构建海陆立体渲染图。

进一步，所述步骤1的具体方法包括以下步骤：

⑴用户输入待查询的地理空间范围targetrect；

⑵计算targetrect的实地面积t，水深点处理限额估算为maxcount，水深间隔整体平均估算值d；

⑶估算单个水深点的平均占用面积a，a＝t/maxcount；

⑷估算的最佳比例尺分母为m，m＝sqrt(a)/d。

进一步，所述步骤2的具体处理方法包括以下步骤：

⑴根据待查询的地理空间范围targetrect，过滤出与targetrect有重叠的所有海图数据，按照比例尺分母由小到大进行排序，形成mlist，形成海图信息列表chartlist；

⑵如果mlist和chartlist为空，转步骤⑹；否则，转步骤⑶；

⑶查找最佳比例尺分母m是否在mlist中存在，如果存在，在chartlist中查找对应海图数据，记为targetchart；如果不存在，则查找mlist中位于m两边的比例尺分母值m1和m2，在两者中取最接近m的一个数值targetm，在chartlist中查找对应海图数据，记为targetchart；

⑷将targetchart插入targetchartlist末端，从mlist中剔除targetm，从chartlist中剔除targetchart；

⑸根据targetchart数据有效范围对应的多边形targetboundry，判断chartlist中有效数据范围与targetboundry相同或包含于targetboundry的海图数据，将其从chartlist中剔除，并在mlist剔除相应项；

⑹对targetchartlist中所有数据有效范围进行多边形合并，结果记为unionboundry，如果unionboundry与targetrect相同或完全包含targetrect，过程结束；否则，转步骤⑵。

进一步，所述步骤3的具体处理方法包括以下步骤：

⑴令裁剪多边形remainboundry＝targetrect，水深点总集合为allsoundings，陆地区总集合为alllandareas；

⑵如果targetchartlist为空，则过程结束；否则，从targetchartlist中选取第一个海图数据，记为targetchart；

⑶从targetchart中提取所有水深要素，记为集合soundings，提取陆地区要素，记为集合landareas，使用remainboundry对这两个要素集合进行裁剪，保留位于remainboundry内部的要素，分别合并入allsoundings和alllandareas；

⑷使用targetchart的数据有效范围targetboundry对remainboundry进行裁剪，令remainboundry＝remainboundry-targetboundry；

⑸如果remainrect为空，则过程结束；否则，将targetchart从targetchartlist中剔除，转步骤⑵。

进一步，所述步骤4的具体处理方法包括以下步骤：

⑴对alllandareas中所有多边形进行合并重组，构建一个新的陆地区总集合newalllandareas；

⑵以allsoundings作为离散点，以newalllandareas中所有多边形的边界作为0米约束线，构建delaunay约束三角网；

⑶已知targetrect宽为width，高为height，面积为rectarea，离散点总数为soundingscount，计算格网横间距为gridcellx＝sqrt(rectarea/soundingscount)×sqrt(width/height)/n，格网纵间距为gridcelly＝sqrt(rectarea/soundingscount)×sqrt(height/width)/n，n为正整数并可根据用户需要和显示效果实时调整；

⑷对于targetrect内所有位于newalllandareas多边形内的网格点设置为无效；

⑸对于非无效网格点，通过利用插值算法生成每个网格点的高度值；

⑹对无效网格点，通过陆地dem插值算法重新计算高度值。

进一步，所述步骤⑸生成每个网格点的高度值为负值；所述步骤⑹重新计算的高度值为正值。

进一步，所述步骤5中的色带包含：⑴蓝色渐变的海底部分，⑵绿色、褐色、白色共同渐变的陆地部分。

本发明的优点和积极效果是：

本发明以海图数据为基础实现海底地形模拟仿真，在数据获取方面更加简易；通过多尺度数据的组合，能够灵活适应海图分幅的不规律特征；通过最佳比例尺估算，可以在效果和效率方面取得较好的平衡；在海底地形和陆地地形的拼接之后，以统一色带进行渲染，具有美观高效的效果；通过海底地形和陆地地形的拼接，实现海陆一体化模拟仿真功能，具有灵活、快速、自适应强等特点。

附图说明

图1为来源于us5nc17m.000的水深菱形分布图；

图2为关联海图查询过程示意图；

图3为第一次裁剪示意图；

图4为第二次裁剪示意图；

图5为地形渲染色带示意图；

图6为本发明模拟仿真后的海底地形渲染效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法，包括以下步骤：

步骤1、估算多尺度海图数据的最佳比例尺，具体方法为：

⑴用户输入待查询的地理空间范围(矩形)targetrect；

⑵计算targetrect的实地面积t(单位：m²)，水深点处理限额估算为maxcount，水深间隔整体平均估算值d(单位：m)。

⑶估算单个水深点的平均占用面积a(单位：m²)，a＝t/maxcount。

⑷估算的最佳比例尺分母为m，m＝sqrt(a)/d。

下面以图1给出的来源于us5nc17m.000的水深菱形分布为例对本步骤进行说明。使用估算最佳比例尺是为了避免处理过量数据超出系统负载能力。为了能正确反映海底地形，海图水深点的构图通常要呈菱形分布。为了简化计算，可将每个水深点的平均占用面积近似按照正方形计算。

假设用户输入待查询的地理空间范围targetrect为矩形，该targetrect的实地面积t查询矩形targetrect对应的实地面积t(单位：m²)，估算水深点处理限额估算为maxcount，水深间隔(纸图)整体平均估算值d(单位：m)。那么，单个水深点平均最多占用面积a(单位：m²)可按照“矩形面积/容纳点数”估算，即：a＝t/maxcount；最佳比例尺分母为m，可按照“实际长度/图上长度”估算，即：m＝sqrt(a)/d。

由于大部分海图数据都存在陆地区要素(无水深点)，因此按照上述比例尺分母提取的水深点数倾向小于maxcount。利用统计方法，可构建水深间隔与深度区间的大致关系，如下表所示：

为便于计算，可选取中间值0.0015m作为d的初始值。在实际计算过程中，如果发现抽取水深点过少，可适当增大d值；反之，则适当减小d值。

步骤2、计算关联海图数据，具体方法为：

⑴根据待查询的地理空间范围targetrect，过滤出与targetrect有重叠的所有海图数据，按照比例尺分母由小到大进行排序，形成mlist，形成海图信息列表chartlist。

⑵如果mlist和chartlist为空，转步骤⑹；否则，转步骤⑶。

⑶查找最佳比例尺分母是否在mlist中存在，如果存在，在chartlist中查找对应海图数据，记为targetchart；如果不存在，则查找mlist中位于m两边的比例尺分母值m1和m2，在两者中取最接近m的一个数值targetm，在chartlist中查找对应海图数据，记为targetchart。

⑷将targetchart插入targetchartlist末端，从mlist中剔除targetm，从chartlist中剔除targetchart。

⑸根据targetchart数据有效范围对应的多边形targetboundry，判断chartlist中有效数据范围与targetboundry相同或包含于targetboundry的海图数据，将其从chartlist中剔除，并在mlist剔除相应项。

⑹对targetchartlist中所有数据有效范围进行多边形合并，结果记为unionboundry，如果unionboundry与targetrect相同或完全包含targetrect，过程结束；否则，转步骤⑵。

下面以图2给出的海图数据查询的某个场景为例说明关联海图数据的方法：图中虚线为查询区域targetrect，过滤得到候选海图列表mlist，包括：海图a(1:5万)、海图b(1：10万)、海图c(1：2万)、海图d(1：20万)。假设最佳比例尺分母m为6万，位于m两边的比例尺分母分别为2万和5万。比例尺分母的接近程度可采用三种策略进行计算：

⑴折衷策略：min(max(m1，m)/min(m1，m)，max(m2，m)/min(m2，m))

⑵积极策略：选比例尺更大的，min(m1，m2)；

⑶消极策略：比例尺更小的，max(m1，m2)；

这里采用折衷策略进行说明，min(max(20000，60000)/min(20000，60000)，max(50000，60000)/min(50000，60000))，结果为50000，即应当选用海图a。海图a无法覆盖targetrect，因此，需在候选海图列表中继续查找关联数据，得到的是海图b，同时由于海图b包含海图c，因此可直接将海图c剔除。海图a和海图b的并集仍然无法覆盖targetrect，继续查找得到海图d，完成所有关联数据的查找。

步骤3、抽取水深点和陆地区，具体方法为：

⑴令裁剪多边形remainboundry＝targetrect，水深点总集合为allsoundings，陆地区总集合为alllandareas。

⑵如果targetchartlist为空，则过程结束；否则，从targetchartlist中选取第一个海图数据，记为targetchart。

⑶从targetchart中提取所有水深要素，记为集合soundings，提取陆地区要素，记为集合landareas，使用remainboundry对这两个要素集合进行裁剪，保留位于remainboundry内部的要素，分别合并入allsoundings和alllandareas。

⑷使用targetchart的数据有效范围targetboundry对remainboundry进行裁剪，令remainboundry＝remainboundry-targetboundry。

⑸如果remainrect为空，则过程结束；否则，将targetchart从targetchartlist中剔除，转步骤⑵。

本步骤在图2基础上，进行第一次水深点和陆地区数据抽取时，使用targetrect对海图a进行要素裁剪，得到图3种横线部分数据，同时裁剪多边形缩小为图3斜线部分；第二次数据抽取时，裁剪多边形完整包含了海图b，因此海图b内的水深点和陆地区全部保留，同时裁剪多边形缩小为图4斜线部分；第三次数据抽取时，剩余的裁剪多边形被海图d包含，保留海图d内斜线部分，裁剪多边形剩余为空。

符合iho国际标准的海图数据中水深要素名称简写为soundg，数字编码为129，显示为黑色；陆地区要素名称简写为lndare，数字编码为71，显示为黄色。

步骤4、海陆格网拼接，具体方法为：

⑴对alllandareas中所有多边形进行合并重组，构建一个新的陆地区总集合newalllandareas。

⑵以allsoundings作为离散点，以newalllandareas中所有多边形的边界作为0米约束线，构建delaunay约束三角网。

⑶已知targetrect宽为width，高为height，面积为rectarea，离散点总数为soundingscount，计算格网横间距为gridcellx＝sqrt(rectarea/soundingscount)×sqrt(width/height)/n，格网纵间距为gridcelly＝sqrt(rectarea/soundingscount)×sqrt(height/width)/n，n为正整数，可根据用户需要和显示效果实时手动调整。

⑷对于targetrect内所有位于newalllandareas多边形内的网格点设置为无效。

⑸对于非无效网格点，通过利用插值算法生成每个网格点的高度值(负值)。

⑹对无效网格点，通过陆地dem插值算法重新计算高度值(正值)。

在本步骤中，构建约束三角网的方法有很多，例如，jonathanrichardshewchuk提供了一套完整的方法和工具(参见“atwo-dimensionalqualitymeshgeneratoranddelaunaytriangulator”)。

水深点的平均面积为rectarea/soundingscount，平均间距为sqrt(rectarea/soundingscount)。为了使得后续构造的规则格网横间距和纵间距相等，初始横间距设置为gridcellx＝sqrt(rectarea/soundingscount)×sqrt(width/height)，初始纵间距设置为gridcelly＝sqrt(rectarea/soundingscount)×sqrt(height/width)。根据需要可对格网进行加密，即间距处于n。

在插值计算过程中，对于三角网内部的格网点，需查找格网点所处的三角形，可通过坐标范围做快速筛选，使用向量叉积进行精确判断，最后使用反距离插值法计算该点深度值；对于三角网外部的单个格网点，以格网间距大小向四周搜索离散水深点，如果找到的点数不足3个，则以2倍、3倍甚至更多倍间距进行搜索直到满足，从中找出最靠近格网点的3个点，构造平面方程，进行格网深度值的外推计算。

步骤5、通过色带配色方法构建海陆立体渲染图。

在构建海陆立体渲染图过程中，色带的构建方法是影响地形渲染效果的重要内容。如图5所示，本实例给出的色带包含两部分，一是海底，选用蓝色渐变，二是陆地，选用绿色、褐色和白色共同渐变。将色带按照图片进行存储，通过贴纹理可实现配色，从而构建出完整的海陆立体渲染图，如图6所示。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。