浅议海道测深数据管理软件的应用
张丹+李忠新
摘要：本文介绍了目前国内海道测深数据管理现状，阐述了CARIS BDB软件的特点，并详细介绍了CARIS BDB软件工作流程。
关键词：海道测深 数据管理 多波束 BDB
0 引言
随着陆地资源的减少，人们对海洋资源的重视日益提高，开发海洋资源应首先进行海底地形测量。近年来，海底地形测量技术获得了快速发展，测量方式由最初的单波束测深发展为各种规模的多波束测深技术。多波束测深最大的特点是测点多、全覆盖、精度高、能够准确全面反映水下地形起伏变化情况，但同时会产生巨大的数据量，对这些数据的处理、管理和二次开发利用成为当前亟待研究解决的问题。
尽管目前海事测绘中心提供的数据以单波束测深为主，但许多重要的港口和航道已向多波束测深方向发展，这些数据被检查确认后，需要有一个水深管理数据库进行预处理、分析和保存。加拿大的Universal System公司开发的Caris Bathymetric processing and data management软件（简称BDB软件）是目前全球最先进的水深数据库管理系统之一，本文以BDB 软件为例，重点探讨了海道测深数据如何进行管理，以满足不同用户的需求。
1 BDB软件功能介绍
1.1 BDB软件概况
BDB是Caris产品家族中针对测深数据管理分析的一个软件包，包括客户端、数据库服务和数据库管理工具。处理工具都在客户端，可以脱离数据库服务单独应用。它与HIPS&SIPS、Hydrographic Production Database（HPD）、S-57 Composer和Spatial Fusion Enterprise等共同构成Caris Ping-to-Chart工作流（见图1）。
基于ORACLE数据库（或开源的PostgreSQL），BDB可以有效地存储、管理和检索大量的水深数据。另外，BDB具有一套灵活的工具集，能对水深数据分析、预处理和管理，经过预处理和确认的数据可以提供给海图生产（如HPD）使用。
图1 Caris Ping-to-Chart工作流
1.2 BDB软件主要特点
1.2.1 操作的灵活性
为满足不同用户的需求，BDB采取了灵活的操作方案：
BDB客户端（BASE Editor）：用户可结合多种有效的水深数据分析，比如其自身的CSAR格式、通用的网格格式（如BAG）或导入XYZ数据格式等。
BDB数据库（Bathy DATABASE）：对水深数据进行管理，用户可通过多种自定义查询条件获取数据。
1.2.2 可兼容多种数据格式
BDB支持多种格式数据，如矢量数据（DWG、DXF、S-57、HOB）、栅格数据（GeoTIFF、BSB、TFW）和其他类型的数据（XYZ、LAS、BAG）等都可导入到系统中，并可根据用户的需求输出多种格式的数据。
1.2.3 CSAR架构
为了高效管理大量测深数据，Caris采用CSAR架构为网格数据和点云数据开发了新的数据结构。CSAR架构通过将数据拆分为小块，确保大量多维数据的存储和可视化。网格和点云数据结构以多种分辨率存储以便于快速获取数据，通过这种方式，数据集的数据无论是否显示都可随时获取，用户也可不被水深数据集的文件大小或最多记录数所限制。
2 Caris BDB软件的应用
2.1 数据导入
BDB可以编辑操作多种数据来源的水深数据格式，最常见的包括XYZ格式和CARIS数据格式，即目前海事测绘中心提供的数据格式。XYZ文件导入BDB有两步：1.创建info文件，即包含XYZ数据集位置和属性信息的XML文件；2.用户需定义导入和输出的坐标系统，以及数据是以点云或网格格式导入。
2.2 面操作
为便于用户管理水深数据，BDB将水深数据转换为特定格式—Base Surface，并有一系列工具进行编辑操作。
2.2.1 面合并
根据需要BDB可以将相邻区域或者有重叠区域的surface合并成连续无缝的surface，数据集可以是不同来源（单波束、多波束等）、不同分辨率、不同区域，数据重叠区域用户可定义取舍规则避免冲突（见图2）。
图2 面合并重叠区域取舍规则
2.2.2 面差异比较
用户可使用覆盖同一区域，使用相同投影和坐标系统的surface进行比较，创建一个新的差异面，此功能可用于分析某地区在一段时间周期内水深变化情况。
2.2.3 面插值
插值是通过函数计算水深点之间的系数并生成面的过程。用户通过三角格网（Tin）插值生成面，计算数据密度来确定适合的分辨率。
2.3 数据分析
2.3.1 统计工具
BDB统计工具可方便用户对数据进行统计分析，除数据集的最小值、最大值、平均水深等基本参数外，还可以生成柱状图直观分析数据分布，统计结果可以PDF、Tiff等格式输出（见图3）。
图3 数据统计
2.3.2 3D图像显示
BDB的3D Viewer工具可显示数据3D影像，可通过鼠标滚轮实现放大缩小和漫游（见图4）。用户根据Properties里的Filter定义水深范围值来有选择的显示surface 3D影像，并可对3D影像漫游录像。
图4 BDB的三维显示
2.4 水深产品输出
2.4.1 等深线和等深面
等深线可以通过surface面或三角格网生成，用户根据需要选取等深线范围和间隔。生成的等深线需要做平滑处理，但不管是平滑前后，等深线都可能有交叠情况，方便的情况下可以手动检查。如果数据量较大，可以利用CARIS HPD Source Editor进行等深线交叠检查。首先将等深线层导出hob文件，在CARIS HPD Source Editor中使用validation功能，查明等深线交叠区域并加以改正，再导出hob文件到BDB中，这样可以得到初步光滑并无交叠的等深线。
经过平滑的等深线可以生成等深面。
2.4.2 水深提取
用户可以从点云或surface文件提取水深，可先由系统自动提取再进行人工修正。自动提取须新建一个S57要素层，通过设定水深选择规则和属性条件来提取水深。
生成的水深部分与生成surface的最原始水深相同，但有部分是插值出来的新水深，这样跟最原始水深并不是完全一致，提取的水深可以hob格式导出。这里只能实现对一个完整surface文件提取水深。如果需要提取其中部分surface的水深，可以先提取出目标水深所在的surface再执行操作。
2.5 数据导出
BDB软件可导出多种格式的数据，surface可导出ASCII、BAG、HTF、TIFF、点云等多种数据格式，方便满足用户的不同需求；矢量数据（如等深线和提取的水深）可导出S-57、Shape file、GML、KML和DXF格式，KML格式可使用户通过Google Earth浏览要素。
3 结束语
测深数据的存储和管理对于海道测量具有重要意义，对于单波束测深成果，我国已研究和开发出一整套完善的数据处理和成图软件系统；而对于多波束测深数据的后处理技术尚处于跟踪研究阶段。BDB作为一套现成的商业化多波束数据后处理软件，在测深数据的加工、集中管理和综合应用方面可以为用户提供满意的解决问题方案，具有较高的利用价值。
参考文献
[1] 陆秀平，黄谟涛，霍国君等.多波束测深数据处理及管理系统设计与开发[J].海洋测绘，2006，26（6）：1～5.
[2] Caris BASE Editor Training Manual 4.0[M]. October 2012.
[3] Daniel Kruimel，Christian Fellinger. Bathymetric Data Management： The Ports and Waterways Environment[C].Proceeding of the SURVEYING&SPATIAL SCIENCES BIENNIAL CONFERENCE.2011.
[4] 李忠新.海道测深数据管理研究[C].中国航海学会航标专业委员会测绘学组学术研讨会学术交流论文集.2008.
[5] 侯世喜，黄谟涛，欧阳永忠等.多波束数据处理软件的应用与启示[J]. 海洋测绘，2003，23（6）：14～17.
摘要：本文介绍了目前国内海道测深数据管理现状，阐述了CARIS BDB软件的特点，并详细介绍了CARIS BDB软件工作流程。
关键词：海道测深 数据管理 多波束 BDB
0 引言
随着陆地资源的减少，人们对海洋资源的重视日益提高，开发海洋资源应首先进行海底地形测量。近年来，海底地形测量技术获得了快速发展，测量方式由最初的单波束测深发展为各种规模的多波束测深技术。多波束测深最大的特点是测点多、全覆盖、精度高、能够准确全面反映水下地形起伏变化情况，但同时会产生巨大的数据量，对这些数据的处理、管理和二次开发利用成为当前亟待研究解决的问题。
尽管目前海事测绘中心提供的数据以单波束测深为主，但许多重要的港口和航道已向多波束测深方向发展，这些数据被检查确认后，需要有一个水深管理数据库进行预处理、分析和保存。加拿大的Universal System公司开发的Caris Bathymetric processing and data management软件（简称BDB软件）是目前全球最先进的水深数据库管理系统之一，本文以BDB 软件为例，重点探讨了海道测深数据如何进行管理，以满足不同用户的需求。
1 BDB软件功能介绍
1.1 BDB软件概况
BDB是Caris产品家族中针对测深数据管理分析的一个软件包，包括客户端、数据库服务和数据库管理工具。处理工具都在客户端，可以脱离数据库服务单独应用。它与HIPS&SIPS、Hydrographic Production Database（HPD）、S-57 Composer和Spatial Fusion Enterprise等共同构成Caris Ping-to-Chart工作流（见图1）。
基于ORACLE数据库（或开源的PostgreSQL），BDB可以有效地存储、管理和检索大量的水深数据。另外，BDB具有一套灵活的工具集，能对水深数据分析、预处理和管理，经过预处理和确认的数据可以提供给海图生产（如HPD）使用。
图1 Caris Ping-to-Chart工作流
1.2 BDB软件主要特点
1.2.1 操作的灵活性
为满足不同用户的需求，BDB采取了灵活的操作方案：
BDB客户端（BASE Editor）：用户可结合多种有效的水深数据分析，比如其自身的CSAR格式、通用的网格格式（如BAG）或导入XYZ数据格式等。
BDB数据库（Bathy DATABASE）：对水深数据进行管理，用户可通过多种自定义查询条件获取数据。
1.2.2 可兼容多种数据格式
BDB支持多种格式数据，如矢量数据（DWG、DXF、S-57、HOB）、栅格数据（GeoTIFF、BSB、TFW）和其他类型的数据（XYZ、LAS、BAG）等都可导入到系统中，并可根据用户的需求输出多种格式的数据。
1.2.3 CSAR架构
为了高效管理大量测深数据，Caris采用CSAR架构为网格数据和点云数据开发了新的数据结构。CSAR架构通过将数据拆分为小块，确保大量多维数据的存储和可视化。网格和点云数据结构以多种分辨率存储以便于快速获取数据，通过这种方式，数据集的数据无论是否显示都可随时获取，用户也可不被水深数据集的文件大小或最多记录数所限制。
2 Caris BDB软件的应用
2.1 数据导入
BDB可以编辑操作多种数据来源的水深数据格式，最常见的包括XYZ格式和CARIS数据格式，即目前海事测绘中心提供的数据格式。XYZ文件导入BDB有两步：1.创建info文件，即包含XYZ数据集位置和属性信息的XML文件；2.用户需定义导入和输出的坐标系统，以及数据是以点云或网格格式导入。
2.2 面操作
为便于用户管理水深数据，BDB将水深数据转换为特定格式—Base Surface，并有一系列工具进行编辑操作。
2.2.1 面合并
根据需要BDB可以将相邻区域或者有重叠区域的surface合并成连续无缝的surface，数据集可以是不同来源（单波束、多波束等）、不同分辨率、不同区域，数据重叠区域用户可定义取舍规则避免冲突（见图2）。
图2 面合并重叠区域取舍规则
2.2.2 面差异比较
用户可使用覆盖同一区域，使用相同投影和坐标系统的surface进行比较，创建一个新的差异面，此功能可用于分析某地区在一段时间周期内水深变化情况。
2.2.3 面插值
插值是通过函数计算水深点之间的系数并生成面的过程。用户通过三角格网（Tin）插值生成面，计算数据密度来确定适合的分辨率。
2.3 数据分析
2.3.1 统计工具
BDB统计工具可方便用户对数据进行统计分析，除数据集的最小值、最大值、平均水深等基本参数外，还可以生成柱状图直观分析数据分布，统计结果可以PDF、Tiff等格式输出（见图3）。
图3 数据统计
2.3.2 3D图像显示
BDB的3D Viewer工具可显示数据3D影像，可通过鼠标滚轮实现放大缩小和漫游（见图4）。用户根据Properties里的Filter定义水深范围值来有选择的显示surface 3D影像，并可对3D影像漫游录像。
图4 BDB的三维显示
2.4 水深产品输出
2.4.1 等深线和等深面
等深线可以通过surface面或三角格网生成，用户根据需要选取等深线范围和间隔。生成的等深线需要做平滑处理，但不管是平滑前后，等深线都可能有交叠情况，方便的情况下可以手动检查。如果数据量较大，可以利用CARIS HPD Source Editor进行等深线交叠检查。首先将等深线层导出hob文件，在CARIS HPD Source Editor中使用validation功能，查明等深线交叠区域并加以改正，再导出hob文件到BDB中，这样可以得到初步光滑并无交叠的等深线。
经过平滑的等深线可以生成等深面。
2.4.2 水深提取
用户可以从点云或surface文件提取水深，可先由系统自动提取再进行人工修正。自动提取须新建一个S57要素层，通过设定水深选择规则和属性条件来提取水深。
生成的水深部分与生成surface的最原始水深相同，但有部分是插值出来的新水深，这样跟最原始水深并不是完全一致，提取的水深可以hob格式导出。这里只能实现对一个完整surface文件提取水深。如果需要提取其中部分surface的水深，可以先提取出目标水深所在的surface再执行操作。
2.5 数据导出
BDB软件可导出多种格式的数据，surface可导出ASCII、BAG、HTF、TIFF、点云等多种数据格式，方便满足用户的不同需求；矢量数据（如等深线和提取的水深）可导出S-57、Shape file、GML、KML和DXF格式，KML格式可使用户通过Google Earth浏览要素。
3 结束语
测深数据的存储和管理对于海道测量具有重要意义，对于单波束测深成果，我国已研究和开发出一整套完善的数据处理和成图软件系统；而对于多波束测深数据的后处理技术尚处于跟踪研究阶段。BDB作为一套现成的商业化多波束数据后处理软件，在测深数据的加工、集中管理和综合应用方面可以为用户提供满意的解决问题方案，具有较高的利用价值。
参考文献
[1] 陆秀平，黄谟涛，霍国君等.多波束测深数据处理及管理系统设计与开发[J].海洋测绘，2006，26（6）：1～5.
[2] Caris BASE Editor Training Manual 4.0[M]. October 2012.
[3] Daniel Kruimel，Christian Fellinger. Bathymetric Data Management： The Ports and Waterways Environment[C].Proceeding of the SURVEYING&SPATIAL SCIENCES BIENNIAL CONFERENCE.2011.
[4] 李忠新.海道测深数据管理研究[C].中国航海学会航标专业委员会测绘学组学术研讨会学术交流论文集.2008.
[5] 侯世喜，黄谟涛，欧阳永忠等.多波束数据处理软件的应用与启示[J]. 海洋测绘，2003，23（6）：14～17.
