航道水底地形建模比较研究
曹树青 冯凯 刘阳 朱楠 王洁茹
摘 要：本文论述当前航道多波束水深测量数据特点、DEM结构模型以及建模方法，选择了格网DEM作为航道水底建模数据格式；然后依托ArcGIS平台内嵌的两种国内外广泛应用的建立格网DEM的方法—由TIN（不规则三角网）生成格网DEM和基于ANUDEM生成格网DEM，对长江某段航道进行了水底DEM构建；最后通过回放两类方法生成DEM的等深线与现有的等深线对比，分析了其精度。
关键词：长江航道；DEM；TIN；多波束；Arc GIS
中图分类号：U61 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）8-0052-02
1引言
航道动态数学模型，是实现长江数字化航道的基础。然而，作为数字航道基础空间数据库中重要组成部分的数字高程模型（DEM）尚未统一有效地建立起来，现用的地形图方式来表达水底河床形态无法满足数字航道建设对快速变化的水底地形的即时性更新表达的要求。因此，基于目前长江航道现有数据库群，以日常采集的快速变化的航道基础测量数据作为基础，构建长江航道基础空间数据库和航道河床数字化地形模型（DEM）不仅是完善长江航道基础空间数据库的重要措施，也是建设数字航道的重要数据支撑。
本文研究内容主要为长江航道水底地形建模，依托ArcGIS平台的TIN-DEM与ANUDEM两种方法进行了水底地形DEM的构建，并通过回放等深线对比了其精度。
2多波束测深系统
多波束測深系统是各种高新技术的组合系统，包含了如数字化传感器、高精度声速仪、潮位仪、高精度导航定位设备、具有高性能数字信号处理的计算机等相关系统。它获得水下具有高密度水深点的方式，是通过以广角定向接收、发射波束的方法，因而是条幅式海底地形数据。
多波束测深系统外业生成的原始地形数据为点云数据，由于在测量过程中，受船运动姿态、声速剖面、船速等因素影响，使得测量数据不精确，信号不准确，存在不合理的水深点，进而产生虚假的地形。因此，需要对采集到的原始数据进行进一步的处理来消除虚假信号，剔除不合理水深点，从而确保水下地形测量的精度。目前，主要采用 Caris 软件对多波束原始数据进行修正，主要包括条带编辑，潮位文件、声速文件、船型文件的加载及改正等。
3基于ArcGIS的航道水底格网DEM建模
3.1基于ArcGIS的长江某一段河道水底格网DEM构建
3.1.1多波束TXT输出数据转换
本文实验数据为一长约4.3公里的长江航道水底地形数据，多波束原始测量数据因为巨大通常采用其配套数据处理软件进行网格化处理压缩输出，一般输出为txt文件，其每一行包含了一个数据点x，y，z，间距为1M，该文件大小约为37M，包含100多万个数据点。
3.1.2 ANUDEM算法构建格网DEM
ANUDEM的算法已经集成于ARCGIS系统，在ArcToolBox中为Topo to Raster，该工具要求添加要素类，设置要素类型、要素高程字段以及输出数据目录，但由于原始数据范围的不规则性，其插值生成的DEM的范围会默认为原始测量区域的最小外包矩形，需进行裁切得到测量区域的DEM，如图1 所示.此外本实验区域采用ANUDEM算法建模时间为51秒。
3.1.3 TIN构建格网DEM
ArcGIS中采用带约束的Delaunay三角网构TIN，其三角网为动态生成算法，如图2其通常使用edit tin 工具构TIN，在本文实验中，除了添加点要素设置其高程属性和数据属性外，还需添加测量区域的范围线设置其约束边类型。
构得的TIN通过Tin to Raster工具内插（包括线性内插和自然邻域内插）生成格网DEM，且因为边界形成的狭长三角形也需要进行测量区域范围的裁切，如图3所示为TIN采用线性内插转换DEM再裁切的结果。由构TIN生成本实验区域格网DEM时间为6分钟46秒。
3.2两种格网DEM建模方法比较精度
本文主要采用比对构建航道水底格网DEM回放的等深线与生产的等深线的拟合程度比较两类建模方法。根据DEM分辨率与等深线比例尺反映地貌细节的对应关系，实验中采用数据部门生产的1：2000等深线图作为对照，如图4所示。图4B与图4C分别为ANUDEM和TIN DEM建模方法回放的等深线与原始等深线的局部比较图，其中红色的线为回放的等深线。通过比较可知，ANUDEM建模方法回放的等深线较为平滑与原始等深线的咬合程度较之TINDEM建模方法的要好，并且TIN DEM建模方法在平缓区域容易出现零碎闭合等深线。因此ANUDEM建模方法构建的水底格网DEM比之TIN DEM的方法更能体现航道水底河床形态。
4总结
本文针对长江数字航道水底地形构建数字高程模型（DEM）做了以下工作：①根据多波束测探技术，结合其测量数据的离散性、海量性特征与DEM的数据结构与内插方法特征，确立两种国内外陆地测绘的主流建模方法进行航道水底地形格网DEM的构建；②从数据的管理、建模、存储、可扩展性等角度选取了ARCGIS平台作为多波束数据构建格网DEM的技术平台，并基于ARCGIS平台实现了从测量数据到管理到建模的一体化流程，最后以一段长江航道实验数据构建了该实验区域的2米格网DEM，并通过建模效率与对河床地貌表达精度上（对比回放等深线与1：2000比例尺等深线图），发现基于ANUDEM的格网构建方法无论从效率上还是地貌表达精度上都优于基于TIN的格网DEM构建方法。
参考文献：
[1] 刘兵.长江河床动态更新及空间分析的研究与实现[D].大连：大连海事大学，2008.
[2] 姚仕明.三峡葛洲坝通航水流数值模拟及航运调度系统研究[D].北京：清华大学，2006.
[3] 眭海刚，张安民，万大斌，et al.三峡航道三维可视化与分析系统的设计与实现[J].人民长江，2005，（11）：10-13+73.
[4] 陈界仁，刘云，杨涛，et al.数字航道构建研宄一以赣江樟树南昌河段为例[J].人民长江，2006，37（7）：57-59.
[5]胡波.三维航道动态监控系统应用研究[D].大连：大连海事大学，2008.
摘 要：本文论述当前航道多波束水深测量数据特点、DEM结构模型以及建模方法，选择了格网DEM作为航道水底建模数据格式；然后依托ArcGIS平台内嵌的两种国内外广泛应用的建立格网DEM的方法—由TIN（不规则三角网）生成格网DEM和基于ANUDEM生成格网DEM，对长江某段航道进行了水底DEM构建；最后通过回放两类方法生成DEM的等深线与现有的等深线对比，分析了其精度。
关键词：长江航道；DEM；TIN；多波束；Arc GIS
中图分类号：U61 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）8-0052-02
1引言
航道动态数学模型，是实现长江数字化航道的基础。然而，作为数字航道基础空间数据库中重要组成部分的数字高程模型（DEM）尚未统一有效地建立起来，现用的地形图方式来表达水底河床形态无法满足数字航道建设对快速变化的水底地形的即时性更新表达的要求。因此，基于目前长江航道现有数据库群，以日常采集的快速变化的航道基础测量数据作为基础，构建长江航道基础空间数据库和航道河床数字化地形模型（DEM）不仅是完善长江航道基础空间数据库的重要措施，也是建设数字航道的重要数据支撑。
本文研究内容主要为长江航道水底地形建模，依托ArcGIS平台的TIN-DEM与ANUDEM两种方法进行了水底地形DEM的构建，并通过回放等深线对比了其精度。
2多波束测深系统
多波束測深系统是各种高新技术的组合系统，包含了如数字化传感器、高精度声速仪、潮位仪、高精度导航定位设备、具有高性能数字信号处理的计算机等相关系统。它获得水下具有高密度水深点的方式，是通过以广角定向接收、发射波束的方法，因而是条幅式海底地形数据。
多波束测深系统外业生成的原始地形数据为点云数据，由于在测量过程中，受船运动姿态、声速剖面、船速等因素影响，使得测量数据不精确，信号不准确，存在不合理的水深点，进而产生虚假的地形。因此，需要对采集到的原始数据进行进一步的处理来消除虚假信号，剔除不合理水深点，从而确保水下地形测量的精度。目前，主要采用 Caris 软件对多波束原始数据进行修正，主要包括条带编辑，潮位文件、声速文件、船型文件的加载及改正等。
3基于ArcGIS的航道水底格网DEM建模
3.1基于ArcGIS的长江某一段河道水底格网DEM构建
3.1.1多波束TXT输出数据转换
本文实验数据为一长约4.3公里的长江航道水底地形数据，多波束原始测量数据因为巨大通常采用其配套数据处理软件进行网格化处理压缩输出，一般输出为txt文件，其每一行包含了一个数据点x，y，z，间距为1M，该文件大小约为37M，包含100多万个数据点。
3.1.2 ANUDEM算法构建格网DEM
ANUDEM的算法已经集成于ARCGIS系统，在ArcToolBox中为Topo to Raster，该工具要求添加要素类，设置要素类型、要素高程字段以及输出数据目录，但由于原始数据范围的不规则性，其插值生成的DEM的范围会默认为原始测量区域的最小外包矩形，需进行裁切得到测量区域的DEM，如图1 所示.此外本实验区域采用ANUDEM算法建模时间为51秒。
3.1.3 TIN构建格网DEM
ArcGIS中采用带约束的Delaunay三角网构TIN，其三角网为动态生成算法，如图2其通常使用edit tin 工具构TIN，在本文实验中，除了添加点要素设置其高程属性和数据属性外，还需添加测量区域的范围线设置其约束边类型。
构得的TIN通过Tin to Raster工具内插（包括线性内插和自然邻域内插）生成格网DEM，且因为边界形成的狭长三角形也需要进行测量区域范围的裁切，如图3所示为TIN采用线性内插转换DEM再裁切的结果。由构TIN生成本实验区域格网DEM时间为6分钟46秒。
3.2两种格网DEM建模方法比较精度
本文主要采用比对构建航道水底格网DEM回放的等深线与生产的等深线的拟合程度比较两类建模方法。根据DEM分辨率与等深线比例尺反映地貌细节的对应关系，实验中采用数据部门生产的1：2000等深线图作为对照，如图4所示。图4B与图4C分别为ANUDEM和TIN DEM建模方法回放的等深线与原始等深线的局部比较图，其中红色的线为回放的等深线。通过比较可知，ANUDEM建模方法回放的等深线较为平滑与原始等深线的咬合程度较之TINDEM建模方法的要好，并且TIN DEM建模方法在平缓区域容易出现零碎闭合等深线。因此ANUDEM建模方法构建的水底格网DEM比之TIN DEM的方法更能体现航道水底河床形态。
4总结
本文针对长江数字航道水底地形构建数字高程模型（DEM）做了以下工作：①根据多波束测探技术，结合其测量数据的离散性、海量性特征与DEM的数据结构与内插方法特征，确立两种国内外陆地测绘的主流建模方法进行航道水底地形格网DEM的构建；②从数据的管理、建模、存储、可扩展性等角度选取了ARCGIS平台作为多波束数据构建格网DEM的技术平台，并基于ARCGIS平台实现了从测量数据到管理到建模的一体化流程，最后以一段长江航道实验数据构建了该实验区域的2米格网DEM，并通过建模效率与对河床地貌表达精度上（对比回放等深线与1：2000比例尺等深线图），发现基于ANUDEM的格网构建方法无论从效率上还是地貌表达精度上都优于基于TIN的格网DEM构建方法。
参考文献：
[1] 刘兵.长江河床动态更新及空间分析的研究与实现[D].大连：大连海事大学，2008.
[2] 姚仕明.三峡葛洲坝通航水流数值模拟及航运调度系统研究[D].北京：清华大学，2006.
[3] 眭海刚，张安民，万大斌，et al.三峡航道三维可视化与分析系统的设计与实现[J].人民长江，2005，（11）：10-13+73.
[4] 陈界仁，刘云，杨涛，et al.数字航道构建研宄一以赣江樟树南昌河段为例[J].人民长江，2006，37（7）：57-59.
[5]胡波.三维航道动态监控系统应用研究[D].大连：大连海事大学，2008.
