一种海底地形要素拓扑关系处理方法及系统与流程

1.本发明属于海图绘制技术领域，具体涉及一种海底地形要素拓扑关系处理方法及系统。


背景技术：

2.等深线和深度范围是海图要素的主要内容之一，在保证航行安全、反映水域的通航能力及水底地貌等方面具有非常重要的作用。等深线是深度相等的各点连接成的曲线，用以表示海底表面的起伏。为清晰简明起见或者制图综合需要，等深线通常表示的是根据实测资料勾画的相同水深的近似位置。
3.深度范围是确定水深范围的水域，是面状要素，其边线必须与等深线或者陆地区等的边线共边，这是电子海图中主要的拓扑关系之一。
4.在实际生产中：等深线和深度范围的勾绘、编辑及拓扑制作耗时耗力，目前，对等深线的生成方法已有了大量的研究，这些研究大都基于特定模型或者通过改进算法来实现的，具有很强的专业性和技术性，在很大程度上还不能被广泛推广应用；（2）现有海图生产软件自动生成的等深线具体参考申请号202110412335.4的“海底地形要素空间关系重构方法及系统”，具体通过重复运行规则样条函数方法使用可能位于样本数据范围之外的值来创建渐变平滑表面，上述方式中常会出现多线交结、穿过水深、曲线不平滑等问题，与人工勾绘的结果和实测数据模型相差甚远。
5.为满足实际生产需求，我们提出一种海底地形要素拓扑关系处理系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种海底地形要素拓扑关系处理系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种海底地形要素拓扑关系处理系统中处理单元用于接收处理水深点数据、生成水深点数据范围，以及为单元模块提供交互处理平台，切换选择插值计算方法；第一缓冲单元用于对水深点数据中边线的面要素做优化缓冲；第二缓冲单元用于对水深点数据中边线的面要素再次做优化缓冲；栅格单元用于将水深点数据以预设数量维度栅格化，以获取预设数量维度的栅格数据；转化单元将栅格数据进行转面转化；分类单元用于处理单元设置的深度范围值，进行栅格数据重新分类；控制单元用于设置处理单元运行时的等值线序列值；优化单元用于优化设置对等值线包括两次平滑处理和一次简化处理。
8.进一步地，第一缓冲单元针对水深点数据中边线的面要素优化缓冲距离数值大于第二缓冲单元优化处理数值，且第一缓冲单元和第二缓冲单元选用的缓冲方法、融合类型和末端类型均相同。
9.一种海底地形要素拓扑关系处理方法，包括地形区域水深点数据，以及处理单元，
处理单元采用idw算法对水深点进行插值处理，确定连续水深测量面，且水深点数据包括水深值、测量位置信息和水深点分布间距，通过测深系统及数据处理平台导出水深点数据至处理单元，处理单元将水深点数据通过聚合点生成水深点数据范围，处理单元将水深点数据中的边缘水深点连线为边线的面要素进行第一缓冲区处理，处理单元将上述第一缓冲区处理生成的第一面要素数据作为插值处理的范围得到栅格数据，处理单元将栅格数据创建等值线处理，从处理单元中依照控制单元设置等值线序列值，对等值线平滑、简化处理，生成等深线模型；处理单元将水深点数据范围再次进行第二缓冲区处理生成的第二面要素，对等深线数据裁剪，同时处理单元将提取该面要素的边线，线形成闭合曲线，闭合曲线通过要素转面处理，生成深度范围数据，处理单元将按照所需的深度范围数据将插值得到的栅格数据进行属性值重分类处理，通过处理单元根据属性值传递给深度范围处理单元选用插值计算方法时默认选择样条函数法，其中样条函数法包括规则样条函数方法和张力样条函数方法。
10.处理单元当检测插值得到的栅格数据与实测值不一致时，切换反距离权重法。
11.处理单元对水深点数据处理过程中，输入包括反距离参数、差值输出像元、差值搜索半径和差值z值字段。
12.处理单元中通过识别和储存面邻域信息进行转面处理。
13.处理单元对等值线优化处理过程中，进行一次简化处理和两次平滑处理。
14.相比于现有技术，本发明的有益效果在于：1、本方案设计通过海图绘制过程中等深线和深度范围的自动生成，减少操作难度，同时可显著提高作业效率，并保证了等深线与深度范围的正确拓扑关系，增加海图绘制的精确度，减少测绘误差。
15.2、本方案中，通过优化单元的两平滑一简化设置，能有效解决生产图片弧度勾绘曲线的不平整问题，保证出图的平滑和准确。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
17.图1为本发明的整体流程结构示意图；图2为样条函数插值栅格提取等深线的第一结构示意图；图3为样条函数插值栅格提取等深线的第二结构示意图；图4为本发明中反距离权重插值表达式；图5为本发明中插值栅格三维显示结构示意图；图6为本发明的等深线效果图；图7为本发明的等深线局部效果图；图8为本发明的技术路线结构示意图；
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
20.参照图1－图5，本发明提出的基于arcgis平台的技术方案：具体涉及一种关于海图绘制的海底地形要素拓扑关系处理系统，通过采集通过测深系统及数据处理平台导出水深点数据至处理单元，处理单元将水深点数据通过聚合点生成水深点数据范围，处理单元将水深点数据中的边缘水深点连线为边线的面要素进行第一缓冲区处理，处理单元将上述第一缓冲区处理生成的第一面要素数据作为插值处理的范围得到栅格数据，处理单元将栅格数据创建等值线处理，从处理单元中依照控制单元设置等值线序列值，对等值线平滑、简化处理，生成等深线模型。处理单元将水深点数据范围再次进行第二缓冲区处理生成的第二面要素，对等深线数据裁剪，同时处理单元将提取该面要素的边线，线形成闭合曲线，闭合曲线通过要素转面处理，生成深度范围数据。
21.其中水深点数据获取由专业的测深系统及数据处理平台完成，经过质量检查符合相关规范要求后导出满足海图生产需求的水深点数据，包含水深值及位置信息，水深点分布均匀，且水深点平均间距已知。
22.本实施例中，进一步参考附图1中，处理单元中包括聚合工具、插值计算方法切换工具，其中聚合工具需设置聚合距离、输入水深点数据、并配合输入指令“ss 2 aggregate”；处理单元中，针对选择反距离权重法的插值计算方法时，需要设置反距离参数、差值输出像元、差值搜索半径和差值z值字段，并配合采用idw算法对水深点进行插值处理；第一缓冲单元和第二缓冲单元中，输入参数有缓冲距离、缓冲方法、融合类型和末端类型等，在缓冲距离确认上，第二缓冲单元缓冲距离小于第一缓冲单元。
23.参考图2中黑色线划是由样条函数插值栅格提取的10m等深线，等深线上方是5—10m深度范围，下方是10—20m深度范围。水深注记的整数中间位置为水深的实测点位置。为保障航行安全，勾绘等深线遵循“扩浅缩深”的原则，临界值的水深点应划分至较浅深度范围内。图2中两处10m水深点以及图3中9.9m水深点都因该位置预测值大于实测值（预测值〉10m），被划分至10—20m深度范围内，显然是错误的，当采用idw插值法假定彼此距离较近的事物要比彼此距离较远的事物更相似，具体的idw的表达式参考图四中：z0表示对某插值点的预测值；zi为第i(i = 1，2，3
··
n) 个点的值；di为插值点与其邻域内第i个点之间的距离；p为距离的幂（一般设为2）；n为数量。
24.估计插值点的值时，假设距离插值点最近的n个实测点对该插值点有影响， 则这n个实测点对插值点的影响与它们之间的距离成反比关系，因此越接近插值点的实测点对插值点的值影响越大。
25.制图员在勾绘等深线时，水深点间隙处的水深情况主要依靠该位置与其周边已有水深点之间的距离来估计其值的大小，使用idw插值栅格提取的等值线能够较大程度地与人工勾绘的等深线吻合。
26.通过构建的模型，在arcmap中创建生成工具中输入水深点数据，选定水深值字段，设置陈建安中参数，及平滑简化容差，填写需要的深度线值，一键生成等深线及深度区数
据。
27.本次测试对象为某航道的水深点数据，比例尺1:5000，水深点平均间距为15m。在人工勾绘等深线时，根据水深密度情况需参考周边6—10个水深点，本次测试将idw插值的搜索点数设置为8。在保障等深线基本形状不变的前提下，对等深线进行简化和平滑处理时，简化容差最佳值约为水深间距，平滑容差最佳值约为1.5倍水深间距。通过idw插值生成的栅格数据效果如图5所示，设置等深线序列值（m）为0、2、5、10、20，生成的等深线效果如图6、图7所示。
28.本方案中研究了等深线及深度区的自动化快速生成方法，减少人工成本，提高作业效率，对海图的实际生产具有重要意义，为后续的智能化制图研究和海洋空间地理信息平台建设进行了一定的技术积累和智力支持，促进提升航海保障服务水平。
29.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种海底地形要素拓扑关系处理方法，包括地形区域水深点数据，以及处理单元，其特征在于：通过测深系统及数据处理平台导出水深点数据至处理单元，处理单元将水深点数据通过聚合点生成水深点数据范围，处理单元将水深点数据中的边缘水深点连线为边线的面要素进行第一缓冲区处理，处理单元将上述第一缓冲区处理生成的第一面要素数据作为插值处理的范围得到栅格数据，处理单元将栅格数据创建等值线处理，从处理单元中依照控制单元设置等值线序列值，对等值线平滑、简化处理，生成等深线模型；处理单元将水深点数据范围再次进行第二缓冲区处理生成的第二面要素，对等深线数据裁剪，同时处理单元将提取该面要素的边线，线形成闭合曲线，闭合曲线通过要素转面处理，生成深度范围数据。2.根据权利要求1的一种海底地形要素拓扑关系处理方法，其特征在于：处理单元将按照所需的深度范围数据将插值得到的栅格数据进行属性值重分类处理，通过处理单元根据属性值传递给深度范围。3.根据权利要求1的一种海底地形要素拓扑关系处理方法，其特征在于：处理单元选用插值计算方法时默认选择样条函数法，其中样条函数法包括规则样条函数方法和张力样条函数方法。4.根据权利要求3的一种海底地形要素拓扑关系处理方法，其特征在于：处理单元当检测插值得到的栅格数据与实测值不一致时，切换反距离权重法。5.根据权利要求4的一种海底地形要素拓扑关系处理方法，其特征在于：处理单元对水深点数据处理过程中，输入包括反距离参数、差值输出像元、差值搜索半径和差值z值字段。6.根据权利要求1的一种海底地形要素拓扑关系处理方法，其特征在于：处理单元中通过识别和储存面邻域信息进行转面处理。7.根据权利要求1的一种海底地形要素拓扑关系处理方法，其特征在于：处理单元对等值线优化处理过程中，进行一次简化处理和两次平滑处理。8.根据权利要求1-7中任意一项的一种海底地形要素拓扑关系处理方法，其特征在于：处理单元采用idw算法对水深点进行插值处理，确定连续水深测量面，且水深点数据包括水深值、测量位置信息和水深点分布间距。9.一种海底地形要素拓扑关系处理系统，其特征在于，包括处理单元：用于接收处理水深点数据、生成水深点数据范围，以及为单元模块提供交互处理平台，切换选择插值计算方法；第一缓冲单元：用于对水深点数据中边线的面要素做优化缓冲；第二缓冲单元：用于对水深点数据中边线的面要素再次做优化缓冲；栅格单元：用于将水深点数据以预设数量维度栅格化，以获取预设数量维度的栅格数据；转化单元：将栅格数据进行转面转化；分类单元：用于处理单元设置的深度范围值，进行栅格数据重新分类；控制单元：用于设置处理单元运行时的等值线序列值；优化单元：用于优化设置对等值线包括两次平滑处理和一次简化处理。10.根据权利要求9的一种海底地形要素拓扑关系处理系统，其特征在于：第一缓冲单
元针对水深点数据中边线的面要素优化缓冲距离数值大于第二缓冲单元优化处理数值，且第一缓冲单元和第二缓冲单元选用的缓冲方法、融合类型和末端类型均相同。

技术总结
本发明属于海图绘制技术领域，具体涉及一种海底地形要素拓扑关系处理系统，通过处理单元为单元模块提供交互处理平台，配合相应单元通过测深系统及数据处理平台导出水深点数据至处理单元，处理单元将水深点数据通过聚合点生成水深点数据范围，进行插值计算方法，以及两平滑一简化的方式，研究等深线和深度范围自动生成方法，可显著提高作业效率，并保证了等深线与深度范围的正确拓扑关系，以解决海图生产过程中等深线和深度范围的勾绘、编辑及拓扑制作耗时耗力，以及以及海图中等深线出现多线交结、穿过水深、曲线不平滑等问题。曲线不平滑等问题。曲线不平滑等问题。


技术研发人员：惠大涛 董江 缪锦根 汪连贺 任晓东 李培鹏 石金榜 张红 王荣林
受保护的技术使用者：交通运输部北海航海保障中心天津海事测绘中心
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/14