SURFER软件在多波束测深数据处理分析中的应用研究

魏荣灏,张　杰,蒋小海，史永忠

(浙江省河海测绘院，浙江　杭州　310008)



SURFER软件在多波束测深数据处理分析中的应用研究

魏荣灏,张杰,蒋小海，史永忠

(浙江省河海测绘院，浙江杭州310008)

多波束测深系统获取的数据具有全覆盖、数据密度高、成果精细和输出数据网格化的特征，需要研究其数据的处理和分析方法。而Surfer软件作为快捷的网格数据处理和成果输出软件，已在地质、气象等领域得到了广泛应用，但在多波束数据处理方面研究较少。主要研究采用Surfer软件对多波束测深成果进行数据插值、容积计算与冲淤分析和图件绘制，研究结果表明，Surfer在多波束数据处理方面具有良好的应用前景。

多波束测深数据;Surfer;容积计算;三维可视化

1　问题的提出

随着近年来材料科学和计算机处理技术的快速发展，海洋测绘设备和技术也得到了长足发展，多波束测深系统以其高效率、高精度和全覆盖等特征，在水下大比例尺测量领域正逐渐取代传统的单波束测深仪并成为未来的主要发展方向。多波束测深系统可输出海量的标准网格数据，常规的数据处理方法效率较低，而传统的CAD图件也难以反映出多波束测深数据的优势与特点，非常有必要研究新的数据处理分析方法。美国Golden软件公司的Surfer软件主要用于处理网格数据，且具有强大的数据插值、处理和分析及可视化能力，已经广泛应用于生物、矿业、工程、地学和气象等领域[1-2]，但在多波束测深数据处理及分析中的研究较少。因此本文主要研究采用Surfer软件处理和分析多波束测深数据，并取得了一些初步成果。

2　数据处理和分析

Surfer软件主要处理格式为ascii码的(x,y,z)离散点数据，也可以直接导入各种行业标准格式文件(如AutoCAD的dxf格式文件、ERSI的shp格式文件和Google Earth的kml格式文件等)等，数据导入后可以进行多种操作，如数据插值、图件绘制和计算分析等，并可通过脚本文件编程实现数据自动化处理，功能强大，且相对于其他的地理信息软件具有体积小、操作简便等特点，便于用户进行数据处理及分析。

2.1数据插值

多波束测深系统能获取全覆盖的水下地形数据，但在内业处理过程中可能存在误删数据的情况，导致部分区域存在数据空缺；另外，由于多波束测深系统输出数据的网格间距可能与实际工程应用有所不同，需要进行数据抽稀或加密，因此需要对数据进行插值。Surfer支持的插值方法共12种：反距离加权插值法、克里金插值法、最小曲率插值法、改进的谢别德插值法、自然邻点插值法、最近邻点插值法、多元回归插值法、径向函数插值法、线性插值三角网法、移动平均插值法、局部多项式插值法和数据度量法。其中数据度量方法主要用于提取处理数据的信息，不用于数据内插。关于这些插值算法的研究已经取得了丰硕的成果[3-4]可以根据实际研究和工程应用要求进行选取。由于多波束测深系统获取的数据主要反映实际水下地形地貌情况，具有明显的地学相关性，同时数据量也比较大，因此在综合考虑插值精度和插值速度的要求后建议采用克里金插值法或者径向函数插值法进行插值计算。这2种算法具有较强的适应性，能较好地提取出地形特征，具有较高的插值精度；处理海量数据的速度较快，工作效率高。

2.2容积计算及冲淤分析功能

容积计算及冲淤分析是水利枢纽设计、水库运营管理的重要技术支撑，而多波束测深数据正以其高密度和全覆盖成为了水库库容监测的重要手段，通过单次测量可获取水库库容分布情况，结合多次测量结果即可进行水库的冲淤分析。该方法也可广泛用于各种工程的方量计算和疏浚工程量的计算，并同时获取填挖区域的表面积和投影面积。Surfer主要采用3种方法进行体积计算：梯形法、辛普森法和辛普森3/8法，各个方法的计算公式如下：

梯形法：

(1)

(2)

辛普森法：

(3)

(4)

辛普森3/8法：

(5)

(6)

以上各式中，Δx和Δy分别代表数据的网格间距，Gi,j分别代表在i行j列的数值大小，V为最终的计算结果。

通过多个测次的测量获取不同期数据，在进行网格化后可以进行减法操作，对输出结果进行容积计算便可获取冲淤变化结果，具体操作如下：①分别对2次数据执行网格化操作，即选择“Grid”菜单下的“Data”菜单，假设获取的网格数据分别为A.grd和B.grd；②进行冲淤计算，即选择“Grid”菜单下的“Math”菜单，分别输入A.grd和B.grd，并将计算方法选取为”A-B”，点击”OK”后便可保存输出结果，对输出结果计算容积就可以得到冲淤分析的结果；同时将数据采用南方CASS软件进行验算，其结果见表1。从表1可见，由于采用的计算方法不同，获取的方量也有所不同，但计算所得的最大值与最小值之间的变化为4.7%，满足相关规范的要求。

表1　冲淤计算结果表

3　图件绘制与输出

传统的测深数据由于受采集手段的限制，难以提供精细的测量成果，数据一般采用水深图或水下地形图通过绘制水下等高线的方式进行表达。多波束测深系统能获取全覆盖的高密度水下地形数据，不但可以通过传统的图件形式表达数据成果，还可以利用其海量数据的特征利用渲染图或三维图等形式对测量结果进行简洁、直观的表示，将水下精细探测结果提供给各种用户使用。同时还可以利用Surfer制作测量背景图，更好指导多波束测深系统野外数据采集工作。

3.1测量背景图制作

Surfer软件自9.0版本后支持坐标系统的定义，可以将不同坐标系统的数据，如基于WGS84系统的卫星影像数据和基于北京54坐标系统的数字线划图分别通过内置参数或自定义七参数等方式实现不同坐标系统之间的转换并统一输出作为测量背景图，用于野外数据采集工作。进行本操作时，首先分别打开卫星影像图片，由于其已经具有地理位置参考，软件自动识别其坐标系统为WGS84并正确显示在绘图区。其次，以增加底图的方式增加一幅基于北京54坐标系统的dxf文件。由于dxf文件是基于XY格式的文件，软件将其识别为局部坐标系统，需要用户手动定义正确的系统。可在软件内部设置相应椭球参数、投影方式和转换参数等进行定义。如图1所示，经过转换的2幅图像已经较好拼接在一起，可用于野外生产作业。

图1　测量背景图

3.2水下等高线绘制

在绘制水下等高线之前，需要将数据采用网格化的方式导入到Surfer中。数据导入之后选择“Map”菜单下的“New”选项，新建1个等高线图(Contour Map)即可以生成水下等高线了。由于Surfer软件会根据数据的水深分布范围自动分配等高线的最大值、最小值和等高距，此数据生成等高线的间距为0.5 m，在此根据工程的实际需要修改为1.0 m。同时，工程应用中各种图件主要还是以AutoCAD文件为主，因此在“File”中选择“Export”，可选择将等高线输出为dxf文件并在CAD中进行进一步处理，输出的结果见图2。

图2　等高线绘制示意图

3.3测量成果三维可视化

多波束测深数据具有全覆盖和高分辨率的特征，可通过三维可视化的方式表达水下地形地貌的精细特征。采用该种方式展现水下地形数据时，首先导入测深数据并网格化，然后选择“Map”菜单并新建“3D Surface”就可以将数据三维可视化。通过调整观察角度、光照的强度和角度可以对显示结果进行调节，最终得到的结果见图3。

图3　三维可视化示意图

4　结　语

针对多波束测深数据一般为标准网格数据的特点，研究基于Surfer软件的数据处理和可视化方法，介绍了Surfer软件的各种插值方法的特点及其使用范围，并通过容积计算和冲淤分析功能进行数据的快速处理与分析。其次介绍了Surfer软件的图件绘制与输出功能，主要包括制作测量背景图和绘制水下等高线，最后通过采用三维可视化的方式对多波束测深成果进行了展示，较好地表达了多波束测深的精细探测结果。应用研究表明Surfer软件具有较好的多波束测深数据处理和表达能力，具有良好的应用前景。

[1]连志鸾.Surfer二次开发实现加密雨量图自动显示与输出[J].气象科技，2006，34(2)：220-224.

[2]武俊红,汪云甲.基于Surfer的煤矿等值线空间插值方法有效性评价[J].中国矿业,2007，16(1)：108-110.

[3]白世彪,陈晔,王建.等值线绘图软件SURFER7.0中九种插值法介绍[J].物探化探计算技术,2002,24(2)：157-162.

[4]陈欢欢,李星,丁文秀.Surfer 8.0等值线绘制中的十二种插值方法[J].工程地球物理学报,2007,4(1)：52-57.

(责任编辑郎忘忧)

Application Research on Surfer Software in Multi-beam Bathymetric Data Processing and Analysis

WEI Rong-hao,ZHANG Jie,JIANG Xiao-hai,SHI Yong-zhong

(Zhejiang Survey Institute of Estuary and Coast,Hangzhou 310008,Zhejiang,China)

Data obtained by multi-beam sounding system have features of full coverage,high data density,fine achievements and output data gridding.It is needed to study its data processing and analyzing method.As a quick grid data processing and results output software,Surfer software is widely applied in fields of geology and meteorology,but research on multi-beam data processing was less.This paper mainly studied on using Surfer software for data interpolation,volume calculation and deposition analyses,and map drawing of multi-beam bathymetric achievements.The results show that the Surfer software has a good application prospect in multi-beam data processing.

multibeam bathymetric data;Surfer software;volume calculation;three-dimensional visualization

2016-04-12

浙江省水利科技计划项目(审核类) RC1501。

魏荣灏(1982-)，男，工程师，硕士，主要研究海洋物理探测及Lidar数据采集、处理与融合。

E-mail:weironghao@gmail.com

P332

A

1008-701X(2016)03-0079-03

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.025