海底管道多波束数据可视化方法研究

王金龙

摘 要：海底管道的裸露部分，存在着很多不同的情况，比如悬空、全裸露，半裸露等，有些裸露的管道，露出海底面的高度仅仅有十几厘米;反映在根据水深变化形成的图像上，产生的效果图很难判断和显示裸露情况。针对这个问题，使用海底斜率数据，基于DEM生成坡度图，大大加强了海底管道多波束数据的可视化效果。

关键词：海底管道;坡度图;可视化

引 言

针对海底管道的探测项目，工作内容包括海管的裸露及悬空情况探测、水深地形测量、浅地层探测、探测管道位置及埋深等工作，其中最主要的是使用多波束测深仪的探测，利用多波束测深仪得到的海量XYZ数据，得到水深地形变化，海底管道裸露情况等，传统的处理方法是生产等深线图和DEM渲染图，以此来显示海底地形和管道裸露情况，但是海底管道裸露出海底面的高度，常常仅有十几厘米;反映在根据水深变化形成的图像上，体现不出很大的差异，产生的效果图很难判断和显示裸露情况。所以使用水深变化数值来表现这种传统方法，往往不能很好的显示海底管道的裸露情况。

在探测过几条海底管线并进行资料处理后，经过认真分析，针对海底管道与其它目标物的不同特点，比如一条海底管道，裸露出来的部分沿一定距离是保持一种线性规则变化的，海底管道本身外形尺寸是有固定值的，这是区别于自然海底的重要不同。基于此我们考虑到使用斜率这一数据，基于DEM生成坡度图，能够加强海底管道多波束数据的可视化效果，使可視化图形更加一目了然。

一、方法路线

1、软件的选择：生成坡度图，可以用ARCGIS等GIS软件，但对于处理海底管道数据，基于简单快捷的原则，我们选择了SURFER软件来生成坡度图。

2、坡度和方位数据的处理方法：该方法将基于DEM生成斜坡的方向（方位）和斜坡的坡度（以度为单位），并使用颜色和饱和度来显示组合结果。面向不同方向的斜坡使用不同的颜色，并且该颜色的饱和度显示该斜坡的陡度（颜色越亮，斜率越陡）。两种数据共同的渲染，可以显示在DEM图中可能被忽视的小的变化。

但是方位和坡度是两个数据，基于XYZ数据的网格做图工具无法直接处理，所以要对这连个数据进行合并处理：将坡度数据重新分类为0到8的区间，步长为2，如表1所示;并将方位数据重新分类为10到80的区间，步长为10，如表2所示。

将坡度和方位两个数据根据上表重新分类赋值，然后合并为一个数据，此数据就包含了坡度和方位，数值范围10-88，这是坡度的最小值加上方位的最小值（10 + 0）和坡度的最大值加上方位的最大值（80 + 8）。数字中的十位数是方位，个位数是坡度。例如，值24表示方位角在22.5°和67.5°方位角之间（因为第一个数字是2），坡度在15%到30%之间（因为第二个数字是4）。

然后，我们将根据此组合值创建地图并对其进行着色。实际颜色基于方位（十位数）和该颜色的饱和度基于坡度（个位数）。由于任何一个地方都有0的值（例如10，20，30等）相对平坦（0-5°之间的斜率），我们可以为它指定一个我们可以完全透明的扁平灰色。对于其他颜色，我们可以使用预定义色标来进行着色渲染，如图1所示。

3、生成海底管道坡度图的方法：第一步，把原始的多波束数据经过处理后输出为XYZ数据。第二步，在SURFER软件中，点击GRIDS选单，根据原始XYZ数据生成GRID网格数据，此时生成的网格数据是基于深度的，网格的大小，要根据原始野外数据采集的精度来确定，为提高分辨率，尽可能的要相近。第三步，根据原始网格数据，生成坡度数据：

选择生成的坡度数据文件：

输入函数：  IF（A> = 45，8，IF（A> = 30.0且A <45，6，IF（A> = 15且A <30，4，IF（A> = 5且A <15， 2，IF（A> = 0和A <5，0，A）））））

单击“ 输出网格文件 ”右侧的“ 更改文件名”按钮，为文件指定一个新名称然后单击“ 保存”。单击“ 确定”，然后创建网格。

第四步，创建方位数据网格。

打开原始网格数据后：

在Grid Calculus对话框中，选择Terrain Modeling | 地形方面。

单击“ 输出网格文件 ”右侧的“ 更改文件名”按钮，为文件指定一个新名称，然后单击“ 保存”。单击“ 确定”，然后创建网格。

使用网格数学重新分类方位网格文件。

单击“ 添加网格”按钮。

输入函数：  IF（A> = 337.5或A <22.5，10，IF（A> = 22.5且A <67.5，20，IF（A> = 67.5且A <112.5，30，IF（A> = 112.5 AND） A <157.5，40，IF（A> = 157.5且A <202.5，50，IF（A> = 202.5且A <247.5，60，IF（A> = 247.5且A <292.5，70，IF（A> = 292.5和A <337.5，80，A））））））））

单击“ 输出网格文件 ”右侧的“ 更改文件名”按钮，为文件指定一个新名称，然后单击“ 保存”。单击“ 确定”，然后创建网格。

第五步，合并坡度数据和方位数据。

打开第三步和第四部生成的网格文件，输入功能：  A + B.

单击“ 输出网格文件 ”右侧的“ 更改文件名”按钮，为文件指定一个新名称（例如海底管道坡度图.grd），然后单击“ 保存”。单击“ 确定”，然后创建网格。

第六步，使用上面定义的色标尺创建地图并为其着色。

单击MAP| NEW| color relief，选择海底管道坡度图.grd并单击“ 打开”。

在对象管理器中选择图像图层，然后单击“ 属性管理器”中的“ 常规”页面。

在Hill Shading部分下，取消选中Enable hill shading。

取消选中插值像素。

单击“ 颜色 ”右侧的“ 自定义色彩映射表（...）”按钮。

在Colormap对话框中，单击Load，选择ColorWheel.clr，然后单击Open。

单击确定，选中显示色标，在“ 缺失数据”部分下，将“ 不透明度”设置为0%。

如果需要，可以调整分类和色标尺的定义，通过调整网格来强调某些斜率或方位的范围，可以单独定义海底管道的颜色显示。或者通过将“ 色彩映射”对话框中的“ 不透明度”设置为100%，可以选择使平坦区域为灰色而不是透明，以更好的显示海底地形变化情况以及突出显示海底管道的裸露情况。

二、结果

根據上述方法路线生成海底管道坡度图（图2），同时由原始水深数据生成海底地貌图（图3）。

从两张图上对比可以看出，在单个图中同时显示斜率和坡向是识别地图中人工构筑物，比如海底管道的绝佳方法。在原始的水深地貌图中，海底管道裸露程度较轻的部分，由于水深变化的数值很小，体现在图中很不明显，甚至难以判断。但作为海底管道，由于其外形尺寸是确定的，表现在坡度数据上也是确定的，所以在坡度图上，裸露出来的深浅程度不同虽有差别，但都可以显示出来。

经过对比海底管道坡度图和原始的水深数据海底地貌图，可以看到采用坡度图，相对于深度图，加强了海底管道的可视化显示，对于微小的地形地貌改变，显示的也十分明显。

三、结论

利用人工构筑物的一些特点，比如规则的外观、固定的尺寸、线性的变化等，充分利用坡度图的特点，突出了海底管道的视觉效果，对识别并显示海底管道的裸露情况，是处理方法上的一个创新，并且很容易把这个方法利用的其它一些类似的应用中去。而且，利用软件本身对脚本的支持，可以开发出具有交互功能的自动处理系统，可以实现对海底管道或其它人工构筑物，根据其方位或坡度等数据，指定其显示颜色，达到更加智能化的功能。

参考文献

[1] Kari Dickenson，Creating Terrain Slope Maps from Digital Elevation Models in Surfer【EB/OL】， Tuesday， 24 May 2016