基于二维模式复杂度的海底地形分类方法

饶　喆　张静远　熊宏锦

(海军工程大学兵器工程系1)　武汉　430033)　(海军装备部驻重庆地区军事代表局2)　重庆　400042)



基于二维模式复杂度的海底地形分类方法

饶喆1)张静远1)熊宏锦2)

(海军工程大学兵器工程系1)武汉430033)(海军装备部驻重庆地区军事代表局2)重庆400042)

摘要：针对海底地形复杂程度分类问题，通过确定典型海底地形分类库中各类地形的二维模式复杂度，并以该二维模式复杂度值作为分类标准，将待确定海底地形的二维模式复杂度值与之比较，从而确定待分类地形的地形复杂程度.通过实测数据验证了基于二维模式复杂度的海底地形分类方法的有效性.

关键词：海底分类；数字高程模型；地形复杂程度；二维模式复杂度

饶喆(1988- )：男，博士生，主要研究领域为制导与控制技术

*国家自然科学基金(批准号：61104814)、国防科技课题项目(批准号：1010602010502)资助

0引言

地形复杂度是描述地表起伏变化程度的一种重要参数，但现阶段相关研究领域并没有给出地形复杂度统一、明确的定义和描述指标[1].在国内地形复杂度研究方面，李毅等[2]提出了一种小波变换的方法描述地形复杂程度.刘春等[3]提出了地形复杂因子的概念，并以此描述地形复杂度.马锦娟[4]提出应用表征地表坡面单元丰富程度及其空间分布的变异程度来描述地形复杂度.但这些方法在量化表征地形复杂度方面均较为复杂，文中采用二维模式复杂度方法对地形复杂度进行量化计算，通过数字高程模型(digital elevation model，DEM)二维复杂度确定海底地形的复杂程度，并根据海底地形标准分类库确定海底地形类别及复杂程度，为水下地形匹配制导匹配区域选取提供参考.

1DEM二维模式复杂度

对于N×N个像素组成的黑白双色二维图像，其中任一像素周围的上下左右4个像素按照逆时针方向顺序，共有16种排列模式，除去重复模式可得到6种，用1表示黑色，0表示白色，则这6种模式可用一维向量表示：(0000)，(1111)，(1000)，(1110)，(1100)，(1010).

令mi(i=0,1)为第i种颜色在整个图像中所占比例，mij(i=0,1;j=1,2,3,4,5,6)为中心像素为i且相邻像素模式为j在整个图像中所占比例，则中心像素颜色为i时相邻像素为j的条件概率mi→j为

(1)

则二维模式复杂度为

(2)

2海底地形分类方法

2.1典型海底地形分类库建立

根据文献[5-6]对测量海区海底地形的分类标准，通过Matlab的peaks函数生成典型海底地形，假设海底任一点(x,y)的水深值为z(x,y)，则

(3)

式中：a,b,m,n为测量海区大小控制参数；k,l为地形起伏程度控制参数.通过调整以上控制参数的大小，模拟18种海底地形以建立典型海底地形分类库，并分别计算各海底地形的水深均值、水深最大值与最小值之差(极差)和标准差，其结果见文献[6]表1.

2．2DEM二维模式复杂度计算

对于地形DEM栅格数据，分别以每个栅格为中心点，依次计算该中心栅格相邻的8个栅格数据与中心栅格的差值，大于0.1倍的整个DEM栅格数据均值与中心栅格差值的栅格标记为1，否则为0，即将地形DEM栅格数据转化为二值栅格数据，此时K=36.分别计算DEM二维模型复杂度，其结果见表1.

表1　典型海底地形的DEM二维模式复杂度

2.3复杂程度确定

根据6类地形的水深变化范围，通过计算海区海底的DEM数据均值确定该海底属于6类中第几类地形，然后计算其DEM二维模式复杂度，并与表1中对应地形的二维模式复杂度值比较来确定该地形属于平坦、一般或复杂海底，从而得出海底复杂度类型.具体计算方法如下.

设定表1中第i类复杂程度为j的地形二维模式复杂度值为Gij，其中i=1～6为地形类型；j=1～3分别为地形复杂程度为平坦、一般和复杂，待确定地形的二维模式复杂度值为Gx，计算离差dj，即

(4)

则j|(dj)min为地形复杂程度.

3实例分析

根据某海区的实测地形数据，制作网格数为100×100、分辨率为5 m的DEM数据，得到实验区A和B，见图1.

图1　水下地形图

表2　地形复杂程度判定结果

因此，由表2即可确定实验区A为第三类复杂海底地形，实验区B为第五类一般海底地形.2种地形复杂程度从图1也能直观地反映.为进一步验证分类结果的正确性，利用文献[6]提出的正交小波变换方法，根据文献[6]式(9)进行计算，其结果见表3.

表3　正交小波变换分类计算结果

因此，dA=min(d1,d2,d3)|A=d3，dB=min(d1,d2,d3)|B=d2，与本文方法对地形复杂程度确定结果一致.

地形分析中，地形复杂程度的确定受DEM分辨率大小的影响.为保证选取适宜大小的DEM分辨率，分别设定分辨率为5，10，20，25，50，100 m，计算得到不同分辨率下DEM二维模式复杂度，确定DEM分辨率与二维模式复杂度的关系及分辨率适宜范围.现以第三类地形为例，任选10种地形进行多分辨率分析，计算结果见表4.

表4　二维模式复杂度与分辨率关系

由表4可见，由于DEM分辨率越高，DEM与真实地形越接近，越能反映真实地形变化情况，则确定的地形复杂度越准确，随着DEM分辨率的降低，对于同一地形，二维模式复杂度逐渐减小，导致确定的地形复杂度有偏差，真实地形为复杂地形会误确定为一般地形，甚至平坦地形，而真实地形为一般地形会误确定为平坦地形.这是由于随着DEM分辨率的降低，DEM描述地形的误差越来越大，且得到地表的变化情况越趋于简单，因而复杂程度会越来越小.因此，出于计算量的考虑，在地形复杂度分析中选择20 m分辨率较为合适.

4结 束 语

根据典型海底分类库，通过DEM二维模式复杂度算法，确定分类库中各类地形DEM二维模式复杂度值，并以此为标准，判定待定海底地形的类型及复杂程度.通过实例验证了该方法的有效性，且计算较为简便，能够快速确定地形的类型和复杂程度.以第三类海底地形为研究对象，确定了地形复杂度分析中DEM适宜分辨率为20 m.

参 考 文 献

[1]赖志坤，陈坚.基于GEBCO的海底热液区地形复杂度分析方法研究[J].海洋测绘,2014,34(4):58-61.

[2]李毅，龚建华.基于SPIHT小波的DEM自适应压缩方法研究[J].地理与地理信息科学,2009,25(4):22-29.

[3]刘春，孙伟伟，吴航彬.DEM地形复杂因子的确定及与地形描述精度的关系[J].武汉大学学报：信息科学版，2009,34(9):1015-1020.

[4]马锦绢.地形复杂度量化研究[D].南京:南京师范大学,2012.

[5]夏伟，刘雁春，边刚，等.基于海底地貌表示法确定主测深线间隔和测图比例尺[J].测绘通报,2004(3):24-27.

[6]夏伟，刘雁春，黄谟涛，等.基于正交小波变换的海底地形复杂程度分类方法研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2008,33(6):631-634.

A Method of Classifying Complication of Seabed

Terrain Based on Two Dimensional Pattern Complexity

RAO Zhe1)ZHANG Jingyuan1)XIONG Hongjin2)

(DepartmentofWeaponryEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)1)

(MilitaryRepresentativeofficeofNavalEquipmentDepartmentinChongqing,

Chongqing400042,China)2)

Abstract：According to the complex terrain classification problem, by determining two dimensional pattern complexity of all types of terrain model in typical seabed terrain classification database, and the two dimensional model complexity value as a classification standard, the complexity classification for terrain is determined after the two dimensional pattern of seabed terrain complexity and value comparison. The measured data verify the validity of this seabed terrain classification method, and this method can provide a theoretical basis for the classification of seafloor topography and the selection of terrain matching area.

Key words：seabed classification；digital elevation model； terrain complication； two dimensional pattern complexity

收稿日期：2015-11-05

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.016

中图法分类号：P208