一种三维海洋环境数据插值处理方法与流程

本发明涉及数据处理，提供一种三维海洋环境数据插值处理方法。

背景技术：

1、三维海洋环境数据，包括温度、盐度、密度、深度、流速等数据，具有采集困难、采集区域大、数据量大等特点，易造成部分位置或部分区域数据缺失问题。

2、传统三维数据插值基本上基于同一层平面数据采用临近插值算法进行数据插值，插值效率低而且插值数据的准确度不高，插值的数据与实际的数据误差大。

3、与公开专利cn115690193a“一种对于非均匀分布海图深度信息栅格化方法”的技术对比；

4、专利cn115690193a的深度信息栅格化方法针对的是二维海图深度栅格数据，采用原始深度数据栅格化算法、空白行或空白列元素处理算法与个别空白元素处理算法，其中使用的栅格处理算法都是平面数据插值处理方法，以实现非均匀分布海图深度信息的数据插值功能。本专利针对的是三维海洋环境数据，采用立体插值模型，不但可以处理三维栅格数据，同时也可以处理二维栅格数据，与专利cn115690193a的数据源维度不同，插值方式与算法完全不同；

5、专利cn115690193a中的空白行或空白列元素处理算法，先按行遍历栅格，当遍历到每行第一个非空白值元素时，将该行该栅格前所有空白值赋该值，当遍历到每行最后一个非空白值元素时，将该行该栅格后所有空白值赋该值，将遍历到的两个非空白值之间的空白栅格，按照等步长插值。再按列遍历进行相同操作，将得到的插值栅格与按行遍历得到的插值栅格相加并取平均值；而本专利通过建立快速立体插值模型、快速平面插值模型、高精度与高准确度立体插值模型，遍历三维栅格数据，根据使用不同使用场景，对缺失数据的位置点的各个方向(6个方向、8个水平方向或26个方向)进行临近取值，然后对各个方向取值的数据进行加权平均，求取平均值，使其作为插值模型中心点数据。本专利与专利cn115690193a中的空白行或空白列元素处理算法原理存在本质区别；

6、专利cn115690193a中的个别空白元素处理算法，根据空白值的位置，然后取临近3个、5个或8个栅格处深度平均值填入空白值的位置，最后得到map_reaverage栅格，临近取的栅格数据未考虑不同方向与距离的数据权重影响；而本专利的快速平面插值算法模型，考虑不同方向与距离的数据权重影响，根据缺失数据的位置点的周围的8个方向与不同距离，设置不同权重，最后加权平均，同时通过数据缺失的快速平面插值模型根据缺失数据的位置周围数据情况进行动态临近取值。本专利的快速平面插值算法模型与专利cn115690193a中的个别空白元素处理算法的临近取值范围存在重大区别、计算方法与插值方式存在本质区别。

7、与公开专利cn110956696b“一种基于多尺度海图数据的海底地形模拟仿真方法”的技术对比；

8、专利cn110956696b针对的是海底地形模拟仿真，其中使用了插值算法（陆地dem插值算法），而非针对插值算法，而本专利针对的是三维数据插值算法，与专利cn110956696b应用目的不同；

9、专利cn110956696b中的陆地dem插值算法，对于三角网内部的格网点，查找格网点所处的三角形，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。本专利根据使用场景通过建立快速立体插值模型、快速平面插值模型、高精度与高准确度立体插值模型，遍历三维栅格数据，对缺失数据的位置点的各个方向进行临近取值，然后对各个方向取值的数据进行加权平均，求取平均值，使其作为插值模型中心点数据。本专利与专利cn110956696b中陆地dem插值算法原理与计算方法存在本质区别。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种三维海洋环境数据插值处理方法，针对采集三维栅格数据边界缺失、中间部分数据缺失问题进行数据插值，提供速度更快、精度与准确度更高的三维数据插值功能。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种三维海洋环境数据插值处理方法，包括如下步骤：首先，建立立体插值算法模型，对缺失数据的位置点的各个方向进行临近取值，然后对各个方向取值的数据进行加权平均，求取平均值，使其作为缺失数据的位置点处的数据值，即中心点，实现三维海洋环境数据快速插值功能；对于中心点各个方向存在缺失部分数据的情况，通过部分数据缺失立体插值算法模型，缺失数据的位置点不参与计算，由其他位置点数据加权平均，总加权值根据参与计算位置动态计算，实现三维海洋环境数据快速插值功能。

4、作为本发明的优选技术方案：所述立体插值算法模型包括快速立体插值模型，对缺失数据的位置点上、下、左、右、前、后6个方向进行临近取值，然后对6个方向数据求和取平均值，作为缺失数据的位置点处的数据值，即中心点，实现三维海洋环境数据快速插值功能；对于中心点上、下、左、右、前、后六个方向存在缺失部分数据情况，通过部分数据缺失快速立体插值模型，缺失数据位置处不参与计算，由其他位置点数据加权平均。

5、作为本发明的优选技术方案：所述快速立体插值模型计算中心点位置数据，公式为：

6、（1）；

7、其中， x、y、z为待插值位置，为对缺失数据的位置点上、下、左、右、前、后6个方向数据，为插值后数据值， t为快速立体插值模型参与计算数据总个数，，，， i、j与 k不能同时为0， i、j与 k任意两个需同时为0，

8、对公式(1)展开，快速立体插值模型中心点插值数据为：

9、(2)。

10、作为本发明的优选技术方案：所述快速立体插值模型对于中心点上、下、左、右、前、后六个方向存在缺失部分数据情况，通过部分数据缺失快速立体插值模型，计算中心点位置数据，缺失数据位置处不参与计算，部分数据缺失快速立体插值模型中(x+1，y，z)与(x，y，z-1)两个位置处数据不参与计算，由其他位置点数据加权平均，

11、对公式(1)展开，部分数据缺失快速立体插值模型中心点插值数据为：

12、(3)。

13、作为本发明的优选技术方案：所述立体插值算法模型包括3x3快速平面插值模型，对缺失位置点周围的8个水平方向数据进行临近取值，对缺失数据的位置点四周数据进行加权平均，作为缺失数据的位置点处的数据值，即中心点，实现三维海洋环境数据快速插值功能，其中3x3快速平面插值模型中4个正方向权重为2，4个斜对角方向权重为1，总权重值为12；对于中心点周围的8个水平方向存在缺失部分数据情况，通过部分数据缺失3x3快速平面插值模型，中心点四周缺失数据位置处不参与计算，由其他位置点数据加权平均，总加权值根据参与计算位置动态计算。

14、作为本发明的优选技术方案：所述3x3快速平面插值模型计算中心点位置数据公式为：

15、（4），

16、其中， x与 y为待插值位置，为缺失数据的位置点四周数据，为插值后数据值， w i、j为3x3快速平面插值模型各个位置的权重， w为3x3快速平面插值模型各个位置的权重总和，，， i与 j不能同时等于0，

17、将3x3快速平面插值模型中4个正方向权重为2，4个斜对角方向权重为1，总权重值为12，带入公式(4)，对公式(4)展开，3x3快速平面插值模型中心点插值数据为：

18、(5)。

19、作为本发明的优选技术方案：所述3x3快速平面插值模型对于中心点周围的8个水平方向存在缺失部分数据情况，通过部分数据缺失3x3快速平面插值模型，计算中心点位置数据，部分数据缺失3x3快速平面插值模型中心点四周缺失数据位置处不参与计算，模型中(x+1，y-1)与(x，y+1)两个位置处数据不参与计算，由其他位置点数据加权平均，参与计算总加权值为9，总加权值根据参与计算位置动态计算，

20、对公式(4)展开，部分数据缺失3x3快速平面插值模型中心点插值数据为：

21、(6)。

22、作为本发明的优选技术方案：所述立体插值算法模型包括3x3x3高精度立体插值模型，对缺失数据的位置点周围的26个方向数据进行临近取值, 然后对这26个方向数据加权平均，作为缺失数据的位置点处的数据值，即中心点，实现三维海洋环境数据高精度与高准确度插值功能，其中，3x3x3高精度立体插值模型中最临近缺失数据的位置点处权重最高，对角线位置处权重次之，立方体角点位置处权重最低，3x3x3高精度立体插值模型中6个最临近缺失数据的位置点位置的权重为3，12个对角线位置处权重为2，8立方体角点位置处权重为1，总加权值为50；针对中心点周围的26个方向数据存在缺失部分数据情况，通过部分数据缺失3x3x3高精度立体插值模型，中心点四周缺失数据位置处不参与计算，由其他位置点数据加权平均，总加权值根据参与计算位置动态计算。

23、作为本发明的优选技术方案：根据3x3x3高精度立体插值模型计算中心点位置数据，公式为：

24、（7）；

25、其中，x、y、z为待插值位置，为缺失数据的位置点四周数据，为插值后数据值， w i、j、k为3x3x3高精度立体插值模型各个位置的权重， w为3x3x3高精度立体插值模型各个位置的权重总和，，，， i、 j与 k不能同时为0， i、j与 k任意两个需同时为0，

26、将3x3x3高精度立体插值模型中6个最临近缺失数据的位置点位置的权重为3，12个对角线位置处权重为2，8立方体角点位置处权重为1，总加权值为50，展开公式(7)分子，

27、3x3x3高精度立体插值模型中8个权重为1的总加权值为：

28、（8）；

29、12个权重为2的总加权值为：

30、（9）；

31、6个权重为3的总加权值为：

32、（10）；

33、将公式(8)、(9)与(10)计算结果，代入公式(7)，中心点插值数据为：

34、（11）。

35、作为本发明的优选技术方案：针对中心点周围的26个方向数据存在缺失部分数据情况，通过部分数据缺失3x3x3高精度立体插值模型，中心点四周缺失数据位置处不参与计算，部分数据缺失3x3x3高精度立体插值模型中(x，y+1，z+1)、(x+1，y+1，z+1)与(x+1，y+1，z-1)三个位置处数据不参与计算，由其他位置点数据加权平均，其他位置点数据总加权值为46，记为w，总加权值根据参与计算位置动态计算，展开公式(7)分子，

36、部分数据缺失3x3x3高精度立体插值模型中6个权重为1的总加权值为：

37、（12）；

38、11个权重为2的总加权值为：

39、（13）；

40、6个权重为3的总加权值为：

41、(14)；

42、将公式(12)、(13)与(14)计算结果，代入公式(7)，中心点插值数据为：

43、 (15)。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

45、本发明提出的三维海洋环境数据插值算法，针对采集三维栅格数据边界缺失、中间部分数据缺失问题进行数据插值，提供速度更快、精度与准确度更高的三维数据插值功能，本发明还有效提高了三维海洋环境数据的插值效率、精确度与准确度，实现了三维海洋环境数据快速、高精度与高准确度插值功能。