一种高频地波雷达海态数据的等高面生成方法与流程

本发明属于高频地波雷达海态数据应用领域，具体涉及一种高频地波雷达海态数据的等高面生成方法。

背景技术：

常用的等高面生成算法利用样本生成delaunay三角网，通过稳定的三角网结构生成等高线，最后利用相邻等高线闭合形成等高面，填充相应高程颜色，形成等高面。

本发明算法基于微分思想，运用微分方法进行近似计算，将高频地波雷达海态数据构成的空间曲面“无限细分”，在微小局部用平面去近似替代曲面，使得等高面计算函数线性化，等高面的高程变化可以在三角网化后，转化为点与点高程差的线性描述。通过对细小多边形进行剖分，相邻且高程值相等的细碎多边形融合形成环状等高面或者不规则多边形等高面，等高面边界平滑等操作，最终生成较高质量的等高面。

技术实现要素：

本发明提供一种高频地波雷达海态数据的等高面生成方法，在生成等高面的过程中，能够保证高频地波雷达海态数据等高面的生成速度与图形质量，同时避免了传统方法等高线生成等高面过程中，等高面内部嵌套导致赋值困难颜色填充困难等问题。

一种高频地波雷达海态数据的等高面生成方法，包括：采用微分方法将高频地波雷达海态数据所在区域网格化；并以高频地波雷达海态数据为样本数据，对划分的网格进行插值；将网格化高频地波雷达海态数据分解成多个直角三角形；针对单个直角三角形进行剖分，将直角三角形按等高线剖分为多个等高面，并对同一等高面级别的相邻细碎多边形合并，形成多个等高面多边形；对所述等高面多边形进行平滑处理，得到高频地波雷达海态数据等高面。

本发明的有益效果：

本发明直接将高频地波雷达海态数据空间曲面微分化，可直接确定微小多边形的高程值，进而确定其填充颜色，碎部多边形融合后呈环形或者不规则多边形，避免了传统方法等高线生成等高面过程中，等高面内部嵌套导致赋值困难颜色填充困难等问题。

附图说明

图1为本发明高频地波雷达海态数据的等高面生成方法流程图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图，对本发明进行详细描述。

本发明的一种高频地波雷达海态数据的等高面生成方法，具体包括以下步骤：

步骤一、采用微分方法将高频地波雷达海态数据所在区域网格化，计算公式如下：

其中，(xi，yi)、(xj，yj)表示高频地波雷达海态数据样本点坐标，w表示网格宽度；

在具体实施时，网格越小，等高面划分越精细，但网格大小会影响算法效率，网格不是越小越好，因此网格大小以离散数据最小距离的2～3倍为宜。

步骤二、以高频地波雷达海态数据为样本数据，对划分的网格进行插值；本实施例中插值方法采用idw反距离加权插值法，网格点高程h计算公式如下；

其中，(x，y)表示待插值点坐标，(xi，yi)表示高频地波雷达海态数据样本点坐标，hi表示样本点浪高、流速或风速的数值，h表示待插值点插值数值；

步骤三、将网格化高频地波雷达海态数据分解成多个直角三角形；

这一步的原理是，网格化后，由于四边形具有不稳定性，不能唯一确定一个面，三角形具有稳定性，三个点可以唯一确定一个面，因此将四边形分解为两个直角三角形，便于步骤四中的三角形剖分。

步骤四、针对单个直角三角形进行剖分，将直角三角形按等高线剖分为多个等高面，并对同一等高面级别的相邻细碎多边形合并，形成多个等高面多边形；

一种情况，三角形顶点全部处于某一个高度区间内，该三角形处于该等高面高程为h的等高面内，则直接导出至某高程等高面集合；另一种情况为三角形顶点处于多个高度区间内，从高程最小点的序号k前后查找，直到找到两个顶点，该顶点高程处于下一个高程区间，利用该顶点pj与前一个顶点pi，计算分界点p(x，y)，计算公式如下，则将三角形剖分为两个多边形。重复该过程直至遍历所有细碎多边形。

x＝(h-hi)/(hj-hi)*(xj-xi)+xi

y＝(h-hi)/(hj-hi)*(yj-yi)+yi

其中，(xi，yi)、(xj，yj)表示高频地波雷达海态数据样本点坐标，在具体实施时，由于数据区域网格化以及步骤四切割，导致细碎多边形过多，为了减少细碎多边形数量，针对同一等高面级别的相邻细碎多边形合并。

本实施例的合并规则为：遍历细碎多边形集合，查找同一等高面级别的细碎多边形是否具有相同顶点的边，若有，则将两多边形外接多边形顶点依次相连，若没有，则循环至下一个细碎多边形。

融合后的多边形分为两种情况：一种是中心镂空的环状多边形，内部镂空处由其他等高面填充构成，另一种是不规则多边形，由数据边界以及两条等高线封闭构成不规则多边形。

步骤五、对所述等高面多边形进行平滑处理，得到高频地波雷达海态数据等高面；

步骤四将细碎多边形融合后，得到n个等高面，每个等高面与其他等高面之间一定有公共边、公共点。本步骤的平滑处理方法则是取出相应公共点，利用贝塞尔曲线插值做曲线平滑操作，贝塞尔曲线一般参数公式如下，本实施例采用其二次方形式，将公共边替换为平滑后点位即可得到质量较高的高频地波雷达海态数据等高面。

其中，pi表示多边形上的点，t表示贝塞尔曲线中确定曲线弧度的比例，其中a、b、c折线上，取ab上一点d与bc上一点e，保证ad/ab＝be/bc＝t即可，其中曲线各点x，y分别取pj的xj，yj带入计算即可。

下面举例说明本发明：

高频地波雷达海态数据来源于我司地波雷达海态反演数据，离散数据位于(20.18n，112.82e，22.109n，114.76e)矩形区域内，在系统前端页面进行显示。用户通过选择日期、时间、浪场海态数据，接收到请求后，系统将去查询是否存在该时间是否存在海态数据，如果不存在则界面不会显示等高面；如果存在，即可显示相应海态数据的等高面，根据公式：

求得网格宽度为0.1°。

根据网格宽度，将数据所在区域划分为row＝34，col＝36的网格，进一步三角网化，网格被剖分为直角三角形，查找三角形顶点最小高程序号k，前后查找是否存在另一等高面高程的顶点，如果存在，则通过两顶点线性平均，公式如下，将三角形分割为两个多边形，所有三角形分割完成，可得多边形集合s＝{s1，s2，s3.....sn}，

x＝(h-hi)/(hj-hi)*(xj-xi)+xi

y＝(h-hi)/(hj-hi)*(yj-yi)+yi

三角形剖分后，获取所有碎部多边形集合。由于数据区域网格化以及步骤四切割，导致细碎多边形过多，为了减少细碎多边形数量，针对同一等高面级别的相邻细碎多边形合并。对多边形集合遍历，查找具有公共边且高程值相同的的多边形，将此类多边形进行合并融合并标记，得到多个环形或者不规则多边形等高面，且等高面直接可确定其高值与颜色。

环形和不规则多边形等高面由多个细碎多边形合并而成，可能导致等高面边界棱角分明，严重可能出现宝塔状等高面，后续通过贝塞尔曲线平滑多个等高面的公共边，公式如下，本算法选择其二次方形式进行多边形边界插值平滑得到最后的等高面，通过与matlab中contour生成等高线进行对比，结果具有较高的相关性，算法生成等高面质量较好，满足算法性能需求。