[发明专利]一种基于多来源水深数据融合的海底地形地貌构建方法

摘要

本发明公开了一种基于多来源水深数据融合的海底地形地貌构建方法，实现了多波束测深、单波束测深、历史地形图和全球地形等多种数据的合理拼接与海底地形构建。本发明包括以下步骤：历史海底地形图转换为网格数据，其他来源水深转换为网格，采用叠加对比方法对不同来源水深的精度进行评估；采用多图层方法，对多来源水深数据的融合、裁剪与拼接，建立误差分布模型对各种来源水深数据进行合理修正与融合；多来源水深海底地形与网格构建。本发明的优点是在海洋测绘与制图过程中，能有效利用多种来源数据，提升了历史水深数据精度和综合利用效率，在海洋测绘、海底地形地貌制图及海底科学研究中具有重要的实际应用价值。

主权项

1.一种基于多来源水深数据融合的海底地形地貌构建方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1：海底地形图转换为网格数据（1）矢量化原海底地形图：通过平板式扫描仪扫描纸版海底地形图，并对平面地形图进行电子矢量化，并保留每条等深线的深度属性，矢量化后的电子地形图要和平面地形图完全吻合；矢量化后的电子地形图形成电子地形数据集D₁={t1_i}，每条等深线t1_i由水深集{x1_j,y1_j,z1_j}构成，t1_i={x1_j,y1_j,z1_j}；其中i,j为自然数；(2)添加特征辅助线：对矢量化后的电子地形图进行检查，对于存在鞍部地形和正负极值地形区域的，则添加辅助线；添加的辅助线是与电子地形图中的矢量线趋势一致，添加后形成数据集D₂={t2_i}，每条等深线t2_i由水深集{x2_j,y2_j,z2_j}构成，t2_i={x2_j,y2_j,z2_j}；(3)转换地形图为网格：采用Kriging网格化方法进行数据转换，转换后形成网格数据G_his(I,J)；(4)重绘海底地形图：对于转换后的网格，按照步骤（1）中的平面地形图一样的制图参数重新构建海底地形图，形成重绘后的地形数据集D₃={t3_i}，每条等深线t3_i由水深集{x3_j,y3_j,z3_j}构成，t3_i={x3_j,y3_j,z3_j}；其中所述的制图参数为投影方式、坐标系统和等深线间距；或，叠加对比并评估转换精度方法：通过图层叠加对比的方法，将步骤（1）中与步骤（4）中所形成的数据集进行对比；(a)逐点计算新旧等深线t1_i={x1_j,y1_j,z1_j}和t3_i={x3_j,y3_j,z3_j}空间距离:dj=(x1j-x3j)2+(y1j-y3j)2,]]>(b)计算新旧等深线间的平均距离误差值:(c)当时，则返回步骤（2）重新添加辅助线，其中d为预给定的新旧等深线距离误差值，当时，输出转换后的网格文件G_his(I,J)；或，采用同点数据提取并评估转换精度方法：在网格数据G_his(I,J)中，根据地形数据集D₁={t1_i}中每条等深线t1_i={x1_j,y1_j,z1_j}的坐标(x1_j,y1_j)按照距离反比加权方法依次提取水深值z4_j，形成新的数据集D₄={t4_i}，每个新的水深数据t4_i由水深点集合构成，t4_i={x4_j,y4_j,z4_j}。(a)提取水深数据方法：依次读取t1_i={x1_j,y1_j,z1_j}，按照坐标(x1_j,y1_j)查询在网格文件G_his(I,J)中的位置，并按照最邻近四点的距离反比方法逐点计算每个点的水深值z4_j：z4j=ΣI=kk+1ΣJ=ll+1w(I,J)×dep(I,J)/ΣI=kk+1ΣJ=ll+1w(I,J)]]>w(I,J)=1/(x1i-x(I,J))2+(y1i-y(I,J))2]]>x_(I,J)和y_(I,J)为网格数据的坐标值；w_(I,J)为权重值；(b)计算新旧等深线间的平均水深误差值:(c)当时，则返回步骤（2）重新添加辅助线，其中z为预给定的新旧等深线水深误差值，当时，输出转换后的网格文件G_his(I,J)；步骤2：其他来源水深转换为网格（1）再利用多波束方法测定海底水深数据，采用距离反比加权方法将所测得的海底水深数据网格化，形成网格数据G_mb(I,J)；（2）再利用单波束方法测定海底水深数据，采用Kriging网格化方法将所测得的海底水深数据进行网格化，形成网格数据G_sb(I,J)；（3）再利用卫星测高和全球地形库方法测得的海底水深数据，采用高斯样条插值或距离反比的方法将所测得海底水深数据进行网格化，形成网格数据G_oth(I,J)；上述不同方法测得的海底水深数据，以相同参数进行网格化，包括插值方法、插值参数、坐标、投影和水深数据测量基准面；步骤3：不同方法测得的海底水深数据进行精度评估，采用下述步骤进行评估：(1)通过图层叠加对比方法，对不同方法测得的海底水深数据进行叠加对比，通过不同网格在重叠区域水深点的水深差值确定其精度；(2)若有原始海底水深数据的，则进行对比，并按水深精度的高低顺序进行排序，保留其中最高精度的水深数据；若没有原始海底水深数据的，则以多波束、或单波束测得海底水深数据为优先，其次是历史地形图所体现的海底水深数据、最后是卫星测高或全球地形库数据得到的海底水深数据；步骤4：多来源水深数据的融合、裁剪与拼接，可采用下述步骤：(1)通过图层叠加对比方法，在重叠区域，通过步骤3中所确定的最高精度的水深数据作为对其他来源数据的标准，并通过重叠区水深数据的误差均值△d来修正非重叠区的数据；或，采用网格方法修正误差水深数据，即根据步骤3中所确定的最高精度数据和其他来源数据在重叠区相同位置的水深差值数据集D_err={t_i}，采用样条或者贝赛尔曲面方法，构建水深误差网格G_err(I,J)，然后使用该误差网格逐点修正非重叠区的数据；(2)在重叠区保留最高精度的数据，裁剪掉其它数据，分别形成裁剪后的数据网格和步骤5：面向多来源水深的海底地形与网格构建，通过下述步骤构建海底地形：（1）将步骤4(2)中形成的数据网格和转换为离散水深数据D_his={t_i}、D_mb={t_i}、D_sb={t_i}和D_oth={t_i}；（2）将步骤5（1）中的离散水深数据采用统一的网格化方法进行海底地形网格重建，形成统一的数据网格G_fus(I,J)；或，读取步骤4（2）中形成的各种水深数据网格，进行网格合并，形成统一的数据网格G_fus(I,J)；（3）基于合成的网格G_fus(I,J)重新绘制海底地形图，并和步骤1中的地形图进行叠加对比，按照步骤1（4）中的叠加对比并评估转换精度方法、或数据提取并评估转换精度方法评估融合后的数据精度。