圆控制域的水深网分层构建方法

王　沫, 刘　波, 董　箭, 刘　涛

1.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450052;2.海军大连舰艇学院，辽宁 大连，116018;3.海军出版社，天津，300450



圆控制域的水深网分层构建方法

王沫1,2, 刘波3, 董箭2, 刘涛3

1.信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州，450052;2.海军大连舰艇学院，辽宁 大连，116018;3.海军出版社，天津，300450

针对当前水深自动综合过程中无法形成合理网格的问题，本文提出了一种圆控制域的水深网分层构建方法。通过提取测量海域地形趋势线，设定水深网构造规则，根据不同情况下结点选择结果，实现水深网的分层构建。实验结果表明，该方法在满足已有水深综合中网形要求的前提下，可以从海域整体地形特征入手，快速简捷地实现水深疏密分布，较好地提高了水深综合效率。

水深综合；水深网；圆控制域；趋势线

1　引　言

水深是海图可视化表达的主要内容，水深数据的综合处理是海图制图综合的重要方面，也是实现海图自动综合的关键前提。水深数据的综合方法依据其综合处理程度不同而有所差异。对于经过初步综合处理的水深制图成果数据，其水深分布已大致能够反映海底地形形态分布，在二次综合时通常借鉴地图点群的综合方法[1-9]；而对于未进行任何综合处理的水深测量成果数据，其水深数据围绕测线呈均匀分布的状态，无法直观反映海底地形形态特征，故在综合处理此类水深数据时无法套用地图点群综合方法[10-13]，而需结合海图水深综合原则对其进行二次综合处理。

面对水深测量成果的数据综合，需着重解决两方面问题，即海图水深综合原则中规定的数据载负量和水深排列的结构问题。受传统地图点群综合方法的影响，现有的水深数据综合方法大都关注于其中的某一方面，对于兼顾数据载负量和水深排列结构的水深数据综合方法研究较少。传统水深数据综合作业通过控制水深间距以及水深菱形排列的方式，为面向水深测量成果的数据综合提供了一定的解决思路，但受制于当时的技术条件，大部分的作业流程需要通过人机交互完成，受作业人员的主观因素影响较大，效率较低，且无法保证水深数据综合的作业质量。

为了解决上述问题，顾及水深测量成果数据的分布特性，结合海图水深的综合原则，本文提出了一种顾及水深选取间距和分布规律的“圆控制域的水深网分层构建方法”，该方法通过模拟传统水深数据综合作业流程，设计水深网构造规则，实现水深网的层次构造。通过少量水深数据综合阈值的设定，自动完成水深数据综合过程中选取工作以及整体综合区域的水深网构建。在降低作业人员工作量、缩短作业周期的同时，从整体对水深网进行构建，排除了人为因素对综合区域整体性把握的差异，提高了综合的作业质量。

2　水深选取原则与分析

2.1水深选取原则

(1)水深间距[14]：<20m区域，10～15mm；20～50m,12～20mm；>50m，18～30mm；特殊情况，沿岸陡深处要适当加密，水道、航门、地形复杂区、突出的岬角处，间距一般缩小至5～10mm。

(2)形状与方向：尽可能菱形分布，菱形在理想状态下是规则的，从岸线向海部延伸；菱形短对角线垂直岸线或等深线方向，长对角线平行岸线或等深线方向。

(3)密度：距海岸由近至远，由密到稀；地形起伏较大地域，可适当加密。

2.2原则分析与转换

(1)两水深点分别位于圆控制域圆心和边界线上，<20m区域，控制域半径大于10mm且小于15mm；20～50m，控制域半径大于12mm且小于20mm；>50m，控制域半径大于18mm且小于30mm；特殊情况，控制域半径大于5mm且小于10mm。

(2)理想状态下(平坦海域)全域水深呈现菱形分布，但多数情况下(或复杂海域)不可能到达水深全部的菱形分布，需要出现局部三角形分布，对整体海底地形趋势加以修正，即可以接受的转换分布结果等价于：一是保证临近4个水深点间距符合菱形分布的要求；二是保证临近3个水深点间距符合三角形分布的要求。

对于复杂海域而言，无法得到海域的总方向，对菱形长短对角线的方向控制失去其实际意义，转换为海域趋势线(人工预设的起始线、岸线或海域骨架线等)两侧呈一定夹角的菱形分布；三角形分布则忽略此原则。

(3)趋势线向岸一侧密度逐渐密集，即水深分布向岸收缩；趋势线离岸一侧密度逐渐稀疏，即水深分布离岸扩散。

3　水深网构造一般流程

3.1趋势线生成与海域判别

3.1.1趋势线生成

趋势线是反映海底地形走势的不规则曲线，其生成方法有以下2种：

(1)人工设定：已有的岸线、等深线或人工绘制的区域趋势线；

(2)自动计算生成：骨架线[15-17]、等值线。

3.2.2海域判别

通过趋势线数值与两侧水深值的差值正负关系判定两侧区域的水深网构建的密度趋势。较大数值一侧的区域为深区，需要收缩；较小数值一侧的区域为浅区，需要扩散。

3.2趋势线综合

非闭合趋势线，它以一段点为起点，采用控制圆切分法(圆半径由人工预设)对趋势线进行综合处理，直到切分圆与趋势线不存在交点为止，获得综合后的趋势线作为构网起始线。

闭合趋势线，它以任意一点为起点，采用圆切分法对趋势线进行综合处理，直到趋势线起点被切分圆包含为止，末端可进行人工的适当处理，获得综合后的趋势线作为构网起始线。

3.3分层构建条件设定

分层构建条件的设定是使水深逐渐密集或稀疏分布的保证，为了保证水深网构建密度的层次性，需要在构建前预设以下参数：

(1)搜索半径设定

搜索半径ra是在水深网结点上搜索水深点的搜索半径，根据水深网结点在自动捕获水深点时的处理需求而定。搜索半径的设定应该保证以结点为圆心，以ra为半径进行搜索，可以搜索到至少1个水深点，一般ra=0.5mm为宜。

(2)起始半径设定

起始半径r0为层次构建水深网的起始控制圆的半径，即趋势线的切分控制圆半径。切分控制圆半径的预设遵循的原则是：<20m区域，12.5mm；20～50m区域，16mm；>50m区域，24mm。

(3)控制圆半径设定与取值

控制圆半径ri(i为水深网层的编号)为构建水深网2→n层的控制圆半径，采用等差数列的方式进行设定，控制圆半径公差设定为rδ。因此，每一层的控制圆半径设定公式为：

ri=r0+(i-1)×rδ,(i=2,3…n)

半径取值区间由人为设定，遵循一般原则：

①<20m区域，收缩区域，10+ra→12.5mm；扩散区域，12.5→15-ramm。

② 20～50m区域，收缩区域，12+ra→16mm；扩散区域，16→20-ramm。

③>50m区域，收缩区域，18+ra→24mm；扩散区域，24→30-ramm。

3.4结点情况分析与选取规则

3.4.1扩散区域结点情况分析与选取规则

所谓扩散区域，即新一级水深网构造层的控制圆半径大于上一级的控制圆半径(ri-1

图1　扩散区域可能出现的结点情况

(1)情况1(如图1-1):当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在1、2点之间，a与3点的距离大于ri，则a被选取并作为下一次选取的1号点。

(2)情况2(如图1-2):当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在1、2点之间，a与3点的距离小于ri，则作1、3的中垂线与上一级控制圆相交得到交点b，b、3被选取，3点作为下一次选取的1号点。

(3)情况3(如图1-3):当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在2、3点之间，a到3点的距离大于ri，则a被选取并作为下一次选取的1号点。

(4)情况4(如图1-4):当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在2、3点之间，a到3点的距离小于ri，到4点的距离大于ri，则a被选取并作为下一次选取的1号点。

(5)情况5:当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在2、3点之间，a到4点的距离小于ri，则作1、4的中垂线与上一级控制圆相交，得到交点b

①如果b落在1、2之间(如图1-5)，则2、4点被选取，4点作为下一次选取的1号点；

②如果b落在2、3之间(如图1-6)，则b点被选取并作为下一次选取的1号点。

3.4.2收缩区域结点情况分析与选取规则

所谓收缩区域，即新一级水深网构造层的控制圆半径小于上一级的控制圆半径(ri-1>ri)。下面将收缩区域结点判断选取的可能情况(如图2)进行详细分析，并给出结点选取的处理规则。

(1)情况1：当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在1、2点之间，交点与3点的距离大于ri，则作1、3的中垂线与上一级控制圆相交，得到交点b。

图2　收缩区域可能出现的结点情况与特殊情况

①如果b到1、3点距离落在[ri,ri-1](如图2-1)，则b、3点被选取，点3作为下一次选取的1号点；

②如果b到1、3点距离大于ri-1(如图2-2)，则a点被选取并作为下一次选取的1号点。

(2)情况2：当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在1、2点之间(如图2-3)，交点与3点的距离小于ri，则作1、3的中垂线与上一级控制圆相交，得到交点b，b、3被选取，点3作为下一次选取的1号点。

(3)情况3：当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在2、3点之间，交点到点3的距离大于ri，则作1、3的中垂线与上一级控制圆相交得到交点b

①如果b到1、3点的距离落在[ri,ri-1](如图2-4)，则b、3点被选取，点3作为下一次选取的1号点；

②如果b到1、3点距离大于ri-1(如图2-5)，则a点被选取并作为下一次选取的1号点。

(4)情况4：当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在2、3点之间，交点到3点的距离小于ri，到4点的距离大于ri，则作1、4的中垂线与上一级控制圆相交，得到交点b

①如果b到1、4点距离落在[ri,ri-1](如图2-6)，则b、4点被选取，4点作为下一次选取的1号点；

②如果b到1、4点距离大于ri-1(如图2-7)，则a点被选取并作为下一次选取的1号点。

(5)情况5：当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在2、3点之间，a到4点的距离小于ri，则作1、4的中垂线与上一级控制圆相交，得到交点b

①如果b落在1、2之间(如图2-8)，则2、4点被选取，4点作为下一次选取的1号点；

②如果b落在2、3之间(如图2-9)，则b、4点被选取，4点作为下一次选取的1号点。

3.4.3特殊情况的结点选取规则

(1)当i层控制圆与上一级控制圆相交的交点a落在3、4点之间(如图2-10)，则点3被选取并作为下一次选取的1号点。

(2)当后一个控制圆覆盖已生成控制点，则该控制圆圆心作为相应控制点，并作相应标号，不再继续生成控制圆，处理完成后，以该点圆心作为第一个控制圆继续生成控制点。

(3)每次选取的结点都要进行一次搜索，将距离符合水深选取要求的点，以最外侧一层的连线上的选取点作为下一层控制圆的圆心。

(4)如果控制点数少于4个，当有1或2个控制点时，选取i-1级控制圆与i级控制圆相交的交点为选取结点；当有3个控制点时，选取方法遵从基本规则(扩散、收缩区域基本规则)的(1)、(2)、(3)选取规则。

3.5水深网层次构造方法

每一网络层次采用4个控制圆交点的附带约束条件(选取规则)的结点选取方法：

(1)依次设定趋势线的起点、切分控制圆圆心、终点为p1,p2,…pn；

(2)依次以1-5号点为圆心，建立初始三角形，即1、2号控制圆圆心与两圆交点构成；

(3)以初始控制圆半径 (预设)作5个控制圆，依次设定连续的4个控制圆交点为1-4号点；

(4)基于2.4的结点选取规则，选取水深网结点；

(5)分别连接相交控制圆的圆心与交点；

(6)以选取结点最后一个控制圆为下一次选取处理的第一个控制圆，迭代上述步骤进行处理；

(7)直到选取的结点到综合边界的距离不符合水深选取阈值下限为止，结点选取结束。

4　实验与分析

实验假定一条趋势线、预设搜索半径ra为0.5mm；起始半径r0为12.5mm；控制圆半径公差设定为rδ为0.5mm，分别设定趋势线某一侧为扩散区(结点间距[12.5,14.5])或收缩区(结点间距[10.5,12.5])为待综合区域(水深<20m)。应用本文所提出的水深网构建方法进行方法验证。通过实验结果可知，局部可能出现不符合综合区域总体控制阈值要求的结点和区域，若要完成最终的水深综合，需要加入一定的人工干预处理，主要处理集中在结点间距小于综合原则最低要求的区域、综合过程中出现的内部空白区域，处理方式是人机交互的局部结点移位、加密。

4.1水深网检查与判定

4.1.1水深网检查

检查全部的水深结点连线，找到需要结点移位处理的区域(结点间距小于综合原则最低要求的区域)，定义为1类区域；需要加密处理的区域(综合过程中出现的内部空白区域)，定义为2类区域。

4.1.2待处理区域的判定

① 1类区域判定：自动综合结果中，水深网结点连线长度小于综合原则的最低要求；

② 2类区域判定：自动综合结果中，由大于4个结点连线所围成的闭合区域判定为综合过程中出现的内部空白区域。

图4　水深网构建实验结果

4.2实验结果对比分析

表1实验结果

待综合区域向内扩散向内收缩结点控制线总数(条)353483自动构网结点控制线(条)346474自动构网结点间距控制线完成率(%)98.0298.14结点总数(个)181251人机交互移位点(个)11人机交互加密点(个)21自动构网合格的结点总数(个)178249自动构网结点完成率(%)98.3499.2

续表

其中，图4-1为向内扩散区域水深网自动构建的实验结果，图4-2为向内扩散区域引入人工处理的水深网修正结果，图4-3为向内收缩区域水深网的自动构建结果，图4-4为向内收缩区域引入人工处理的水深网修正结果。

水深网构建的自动化程度评价指标是自动构网结点间距控制线完成率和自动构网结点完成率；水深网构建结果的质量评估指标是优良率和合格率。

自动构网结点间距控制线完成率=(自动构网结点控制线×结点控制线总数)×100%

自动构网结点完成率=(自动构网合格的结点总数×结点总数)×100%

优良率=(符合优良标准的结点控制线×结点控制线总数)×100%

合格率=(合格的结点间距控制线×结点控制线总数)×100%

从实验结果数据(如表1)可以看出，本文所提出的方法在构建水深网的自动化程度上高于98%，并且具有85%以上的优良率和100%的合格率。因此，实验证明本方法可行，且自动化程度和综合结果质量很高。

5　结　论

本文提出的方法通过实验结果可以证明：

(1)由于选取规则方便易懂，实现难度低，因此本方法具有精度可控和实用性强等特点；

(2)能够有效地控制水深点间距、不同类型待综合区域水深分布的逐步密集或稀疏；

(3)能够较好地反映海底地形变化趋势，通过引入三角形水深分布，可以降低海底地形走势给水深分布带来的变形影响。

综上所述，本方法在充分解读水深综合原则的基础上，为水深综合提供了一种全新的思维模式，对水深综合自动化起到了一定的推动作用。

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The Hierarchical Construction Method of Sounding Network Based on Circle Control Sphere

Wang Mo1,2, Liu Bo3, Dong Jian2, Liu Tao3

1.Institute of Geospatial Information, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 2.Department of Hydrography and Cartography, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China 3.Navy Publishing House,Tianjin 300450, China

Since it is difficult to construct reasonable grid in current data automatic generalization process of sounding network, a hierarchical construction method of sounding network based on circle control sphere is presented in this paper. By extracting the topographic trend line in measuring sea area, and setting the rules of sounding network construction, the hierarchical construction of sounding network is realized according to the node selecting results under different conditions. The experiment result indicates that the method will make the sounding network distribute reasonable easily and rapidly on the premise of satisfying the requirement of present comprehensive sounding network based on the topographic feature of the sea area, and it can also improve the sounding generalization efficiency.

sounding generalization; sounding network; circle control sphere; trend line

2015-12-09。

王沫(1980—)，男，硕士研究生，主要从事海图制图方面的研究。

P223

A