水深测量成果相邻图幅拼接质量评估方法研究

鲍晶晶，蔡 锋，吴承强，郑勇玲，卢惠泉

（1.国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门 361005；2.中国海洋大学，山东 青岛 266100）

水深测量成果相邻图幅拼接质量评估方法研究

鲍晶晶1，蔡 锋1，吴承强2，郑勇玲1，卢惠泉1

（1.国家海洋局第三海洋研究所，福建 厦门 361005；2.中国海洋大学，山东 青岛 266100）

在利用搜索重合点水深比对法检查相邻两水深测量成果拼接质量过程中，通过展现重合点在拼接区域的分布情况，发现搜索的重合点存在相对总点数较少且分布不均匀的缺点，影响评估质量。针对上述问题，建立了网格选取剖面比对法，系统阐述了该方法的操作原理及其应用并通过实例验证取得了较好的结果，为水深测量成果相邻图幅拼接质量评估提供新的思路。

水深测量；相邻图幅；拼接；质量评估

对于图幅的合理接边，国内有一些研究，如吴少琴等[1]，针对多波束数据各条测线间的空间相关性，提出了一种基于高斯地形曲面拟合的数字地理模型数据网格化方法，进行了多波束条带间的拼图研究；赵江洪[2]，针对地形图的接边问题，提出了趋势接边的方法；周政春等[3]，提出了一种适合于超大规模地形渲染的实时拼接技术。但这些研究主要是针对存有拼接偏差的相邻图幅给出合适的拼接方法，并未就水深测量成果相邻图幅接边区域数据之间相互关系的质量评估方法进行研究。所谓水深测量成果相邻图幅拼接质量评估，主要是两相邻图幅接边重叠区域（根据拼接测量的重叠测线布设方法：每个幅图应各自从拼接的图廓线起向外0.5 cm布设一条测深线，再依次布设本幅其他测深线。上述测深线的两端均应向图廓外延长1～2 cm）[5]的水深数据相互偏差程度与现阶段的相应标准给出限差的对比过程，即是评估这两相邻图幅数据是否达到可拼接条件的过程。对于测量成果相邻图幅接边区域的数据质量评估的技术方法现在大都倾向于使用《IHO海道测量规范》[4]和《GB 12327-1998海道测量规范》[5]中所给的搜索重合点水深的方法和标准进行质量评估。我们通过实际运用发现，现行技术规范中所给的技术方法存在些许的不完善，尤其是局部区域未参与计算的问题，致使质量评估结果有所偏颇。实际运用表明，网格选取剖面比对法与搜索重合点比对法相结合使用，能够有效弥补搜索重合点比对法判断的不完善，有效地提高水深测量成果相邻图幅拼接区域数据质量的判断的准确度及图幅拼接的精度。

1 拼接数据质量评估方法

1.1 搜索重合点水深比对法

水深测量成果图幅相拼接，两图幅接边水深点均散落于拼接区域。要实现重合点水深比对，理想状态即是两比对水深点在同一位置，但这些在实际测量中是无法达到的。国内外现在较为流行的方法是给定范围，认定范围内的点即为重合点。搜索重合点水深比对法（现行技术规程所用方法），其相关原理通过《GB 12327-1998海道测量规范》可知，即将两拼接图幅的其中一图的拼接区域看作比对区域（区域内所分布水深点为比对点），另一幅图的拼接区域视为被比对区域（区域内所分布水深点视为被比对点），以比对点为圆心，并以一定的搜索半径R搜索被比对点（图1），最后比对两点水深值得出比对结果。

若所给搜索半径为图上距离，则实际搜索半径可以通过比例尺将两点图上搜索半径r（图上给定范围）换算为实际搜索半径R，其换算公式为：

式中：r为图上搜索半径；R为实际搜索半径；scale为水深测量成果比例尺。

搜索重合点水深比对法主要流程，如图2。

内蒙古锡盟～江苏泰州±800kV特高压直流输电线路工程是国家实施北电南送的重点工程，工程建设投运后，将实现北部资源优势转化为能源优势，满足东南部地区社会发展对电力增长的需求，且有利于缓解日趋严重的雾霾污染问题。该输电线路起于内蒙古自治区锡林浩特市境内锡盟换流站（毛登站址），途径内蒙古、河北、天津、山东、江苏5省，止于江苏省盐城市泰州换流站（杨师村站址），全线总长1619.7km。该项工程等级为Ⅰ级，防洪标准为100年一遇洪水。

图1 搜索重合点水深示意图

图2 搜索重合点水深比对法流程图

1.2 网格选取剖面比对法

基于等深线对接的原理，本文在此建立了一种可以用来量化比较评估的方法——网格选取剖面比对法，其主要是将两相邻图幅进行网格化，在拼接区域提取水深剖面（图3）。即可认为将等深线对接中同等水深位置的偏移转化为同一位置水深的偏差，在剖面上提取出该剖面距离与水深的关系，最后进行两剖面的比对以及同位置点（网格重合点）水深偏差的量化比较。

图3 网格选取剖面比对示意图

由于该方法是将同等水深位置的偏移转化为同一位置水深的偏差，因此网格预测数据的精度必须要高。综合几种网格方式，本文选用反距离加权插值法[9]，其是20世纪60年代末提出的计算区域平均降水量的一种方法。它实际上是一种加权移动平均方法，设平面上分布一系列离散点P(x，y，z)，已知其位置坐标 P（xi，yi）和属性值 zi（i=1，2，…，n），根据周围离散点的属性值，通过距离加权插值求P点属性值。其插值原理是待插值点邻域内已知散乱点属性值的加权平均，权的大小与待插点的邻域内散乱点之间的距离有关，是距离k（0≤k≤2）（k 一般取 2）次方的倒数。 即：

网格选取剖面比对法主要流程，如图4。

图4 网格选取剖面比对法流程图

2 不同评估方法之间的应用差异

2.1 实例概况及相关准则

近年来我们开展了数个水深勘测项目，获取了相当的水深测量成果，但在实际对水深测量成果相邻图幅拼接质量评估过程中发现了一些问题——评估结果有时与实际接边情况不符。为了更好地说明问题，这里选取需要图幅接边的水深成果区域A和区域B来操作，比例尺均为1:10 000（如图5、图 6）。

图5 区域A两相邻图幅及拼接区域分布图

图6 区域B两相邻图幅及拼接区域分布图

其相关准则参考我国 《GB 12327-1998海道测量规范》对水深测量中主、检比对及图幅拼接比对超限情况判断的标准。如主、检比对及图幅拼接比对超限情况由重合点深度（两点相距图上1.0 mm以内）所列出的不符值数列表示，其不符值限差为：水深0～20 m时为0.5 m，水深20～30 m时为0.6m，水深 30～50 m 时为 0.7 m，水深 50～100 m 时为 1.5 m，水深大于100 m时为水深的3%，超限的点数不得超过参加比对总点数的15%。

2.2 搜索重合点水深比对法应用

利用搜索重合点水深比对法对上述需要图幅接边的水深成果区域A和区域B来说明，搜索半径以及相关标准参照《GB 12327-1998海道测量规范》，两区域水深测量成果则按上述搜索重合点水深比对法的相关原理操作：区域A（点A-north设为比对点，点A-south为被比对点）（如图5），区域B（点B-north设为比对点，点B-south为被比对点）（如图6），比例尺为scale=1：10 000，利用搜索重合点水深比对法计算，通过换算公式计算得到搜索半径R=10 m。最后利用Visual Basic编程进行批量比对。

比对结果：区域A拼接区域共有比对点181个、被比对点179个，其中符合搜索要求并参与比对的一共51组，有50组水深偏差符合限差标准，合格率为98.04%；区域B拼接区域共有比对点207个、被比对点188个，其中符合搜索要求并参与比对的一共27组，有27组水深偏差符合限差标准，合格率为100%。

2.3 网格选取剖面比对法应用

利用网格选取剖面比对法同样选取上述水深成果区域A和区域B来说明，水深偏差相关标准仍参照 《GB 12327-1998海道测量规范》。

区域A两图幅根据比例尺1：10 000进行网格化如图7所示，在拼接区域同一剖面位置分别提取各自图幅的剖面水深值（剖面 A-north、剖面 A-south），从剖面端点开始每10 m取一水深值（剖面上每点都有相应的水深值，文中按10 m取点为了方便计算统计）得出剖面上距离与水深的关系；区域B的操作与区域A相同。

比对结果：从图8可以看出剖面A-north与剖面A-south能够较好重叠，与等深线对接情况吻合，区域A剖面上取得网格重合点705组，水深比对偏差全部合格。对于区域B，剖面图（图10）中剖面B-north与剖面B-south对比可发现在拼接区域中部偏左侧距离端点约1 400～3 200 m之间图幅B-south水深明显浅于B-north，区域B剖面上取得网格重合点735组，其中有98组水深偏差超出限差，合格率为86.67%。

图7 区域A网格图

图8 区域A拼接区域剖面图

图9 区域B网格图

图10 区域B拼接区域剖面图

3 讨论

众所周知，相邻拼接图幅之间等深线的偏移量可较为准确地反映相邻图幅拼接情况，而图幅拼接情况又直接反映着相邻图幅拼接质量评价方法的合理性，因此利用等深线的偏移可以有效地评估相邻图幅拼接质量评价方法的优劣。对于等深线的偏移情况的判断，将其进行量化较为困难，通常采用目视估算的方法进行。于是本文采用目视估算的方法对上述两种质量评价方法进行评估。

对拼接区域利用计算机网格生成等深线，区域A接边区域等深线分布在26～36 m之间，等深距设为1 m，如图11所示拼接区域等深线A-north与A-south可以较好的对接；区域B接边区域等深线分布在29～53 m之间，等深距设为1 m，如图12所示拼接区域等深线B-north与B-south在拼接区域两端可较好对接，但在中部等深线在37～51 m之间出现了明显的偏移，部分等深线甚至出现了错位，水深偏差值达到1 m左右。

图11 区域A两相邻图幅等深线分布图

图12 区域B两相邻图幅等深线分布图

通过上述相邻图幅间的等深线对接目视比较，得到区域A接边区域等深线对接情况与上述利用搜索重合点比对法计算的合格率98.04%基本对应，而区域B接边区域等深线对接情况却与上述计算所得合格率100%相矛盾。发现合格率为98.04%的区域A等深线对接情况竟然优于合格率为100%的区域B，从而可以认定利用搜索重合点水深比对法产生了误差。

对于使用搜索重合点水深比对法所产生的误差究其原因可知：本文将相邻图幅比对数据及重合点数据同时展布，根据重合点在比对数据中的相对关系，不难发现使用搜索重合点水深比对该种方法所存在的问题。首先，对比分析区域A的情况，其拼接区域共有重合点51组，在拼接区域的分布情况如图13所示，区域A拼接区域重合点除两端及中间少部分区域重复较少外，其余呈条状散布于拼接区域的中间基本有效覆盖拼接区域。因此98.04%质量评估结果与图11所示等深线对接情况相符合。再分析区域B，区域B拼接区域共有27组重合点，其在拼接区域的分布情况如图13所示，区域B拼接区域重合点分布在两端，而在拼接区域中部偏左大片缺失。将等深线对接情况（图12）与重合点分布情况（图14）相比较，发现等深线偏移区域即是没有重合点分布的区域，该区域未能参与拼接质量评估，质量评估结果100%只片面地反映了有重合点位置的拼接质量。

图13 区域A搜索的重合点分布图

图14 区域B搜索的重合点分布图

因此，可以认为搜索重合点比对法具有片面和不确定的不完善因素，这些不完善因素直接导致了质量评估出现片面性和不确定性。重合点散落在拼接区域，每组重合点水深比对质量代表了重合点位置的拼接质量，但由于无法保证所有拼接区域均有重合点分布，每个重合点还被认为成一个控制样点代表其周围一定范围拼接质量。若重合点散布较为均匀可以有效覆盖拼接区域，则利用搜索重合点水深比对法得出的评估结果可较客观地反映实际拼接质量；反之，若重合点零星散布无法有效覆盖整个拼接区域，则利用搜索重合点水深比对法得出的评估结果则具有很大的片面性，无法对其未分布区域拼接质量做出客观评估。在无法保证重合点对拼接区域实现有效覆盖的前提下用该方法来判断相邻图幅的拼接质量是有明显的缺陷。

而采用搜索重合点水深比对法得到区域A剖面A-north与剖面A-south能够较好重叠以及剖面上取得网格重合点水深合格率达100%，均与等深线对接情况具有较好一致性；区域B剖面B-north与剖面B-south对比反映的情况 （在拼接区域中部偏左侧距离端点约14 00～3 200 m之间图幅B-south水深明显浅于B-north）及区域B剖面上取得网格重合点水深合格率为86.67%也均与等深线对接的情况吻合。通过比较可以得出网格选取剖面比对法可以较好地评估相邻图幅的拼接质量。

4 结论

通过本文两种方法的研究以及实例的应用，可以得出以下结论：

（1）搜索重合点水深比对法和网格选取剖面比对法均可用来评估水深测量成果相邻图幅拼接的质量，但由于这两方法受其各自基本原理及优缺点不同，其适用情况也不同。

（2）搜索重合点水深比对法具有比对数据均是真实值和受重合点分布影响的特点，其适合用于水深测量原始数据拼接的校检，高密度的原始数据可较好保证重合点有效覆盖拼接区域，真实值之间的比较可有效评估测量结果的优劣。

（3）网格选取剖面比对法通过网格插值拼接区域做剖面比对，受点分布的影响较小，可适用于各种拼接情况，有效弥补了《GB 12327-1998海道测量规范》中搜索重合点水深比对方法的不完善。同时该方法利用网格插值与计算机成图过程较为一致，因此利用网格选取剖面比对法评估的拼接质量尤对成果图的拼接有利。

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Abstract：Using the searching and comparing coincidence depth point method to evaluate the quality of maps splicing.Through showing the distribution of the coincidence points in overlap region,the disadvantage of this method is found that the coincidence points are less and not well-distributed,which would reduce the quality of evaluation.A new method selecting profile from grid data was built and achieved a good result in experiment.It is more helpful to evaluate the quality of maps splicing.

Key words：bathymetric survey;neighbor charts;splicing;quality evaluation

Study on the Quality Evaluation of Chart-Splicing in Bathymetric Survey

BAO Jing-jing1,CAI Feng1,WU Cheng-qiang2,ZHENG Yong-ling1,LU Hui-quan1
（1.Third Institute of Oceanography State Oceanic Administration,SOA,Xiamen Fujian 361005,China;2.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China）

P229

A

1003-2029（2011）01-0010-05

2010-11-30

我国近海海底地形地貌调查研究项目（908-CZ-I-07）；古雷半岛沙滩资源预警防护措施研究（海三科2010013）

鲍晶晶（1985-），男，籍贯江苏南通，硕士研究生，主要从事海底地形地貌及水深测量数据处理方面研究。

蔡锋（1965-），男，研究员，Email：fcai800@126.com