李軼平，付　杰，李玉龍，于旭光，王愛勇，董　婧

(1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧 大連 110623；2.遼寧省海洋生物資源與生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

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基于TIN模型的海底面積計(jì)算及底棲生物量評(píng)估*

李軼平1,2，付杰1,2，李玉龍1,2，于旭光1,2，王愛勇1,2，董婧1,2

(1.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧 大連 110623；2.遼寧省海洋生物資源與生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

海底資源的分布格局通常依托于海底地形表面，在計(jì)算其面積時(shí)，一般計(jì)算其投影面積，然而這種計(jì)算方法并不能真實(shí)反映海底地形特征，針對(duì)于此問題，本文圍繞海底TIN數(shù)據(jù)模型構(gòu)建方法，從技術(shù)流程上進(jìn)行了探討和研究，最終生成TIN數(shù)據(jù)模型，計(jì)算其表面積，并以棉花島海域?yàn)槔容^其在投影面積和表面積情形下底棲生物的分布。從比較結(jié)果可以看出，二者在底棲生物分布數(shù)量和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額上存在明顯差異。采用表面積方法更能真實(shí)反映海底地形分布特征，這對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估所覆被生物資源量、生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)量及定量評(píng)價(jià)具有一定的探索意義。

表面積；TIN；不規(guī)則三角網(wǎng)

近年來，隨著數(shù)字地形資料、數(shù)字地質(zhì)資料、高分辨率遙感信息等不斷涌現(xiàn)和3S技術(shù)的發(fā)展，地表現(xiàn)象和過程研究由定性進(jìn)入半定量和定量化階段[1]。數(shù)字地面模型在地理信息系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域也得到普遍應(yīng)用[2]。海洋作為地球生物圈中最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，蘊(yùn)藏著豐富的海洋資源，是支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[3]。很多的生物資源都是覆被在海底表面之上的，但是由于海底數(shù)字地圖相對(duì)陸地地形圖的獲取要困難得多，且需耗費(fèi)大量的財(cái)力、物力[4]；其中聲學(xué)是當(dāng)前最重要的海底地形地貌測(cè)量手段，但因受海水介質(zhì)隔離影響，高精度實(shí)時(shí)測(cè)量還比較困難[5-7]，所以基于海底的數(shù)字地面模型研究還較少。

本文通過構(gòu)建TIN海底數(shù)字地面模型，以海底面積為著眼點(diǎn)，通常在海底面積的應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化和方便，均基于投影面，如《建設(shè)項(xiàng)目對(duì)海洋生物資源影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》中在計(jì)算底棲生物量損害時(shí)，把海底視作平面，以單位面積底棲生物生物量與水域面積的乘積作為生物損失量[8]。實(shí)際上，海底地貌如陸地一樣有海嶺、海溝和海盆，地表雜亂無序、崎嶇不平[4]，在這些地方，平面投影面積和實(shí)際面積(即表面積)是存在差異的[9]，這些差異對(duì)于估算表面覆被生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)量和底棲生物資源量等帶來較大的不確定性。所以如何真實(shí)表達(dá)地表特征，準(zhǔn)確計(jì)算海底表面積就顯得很有必要。本文以海底地形特征點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，生成TIN海底數(shù)字地面模型，計(jì)算海底表面積，并比較分析投影面積與表面積的差異；為了定量研究其差異，結(jié)合單位面積底棲生物生物量數(shù)據(jù)，計(jì)算海底底棲生物在表面積上的生物量分布，并與投影面積的結(jié)果進(jìn)行比較分析[9]。本文的研究旨在為定量研究海底地表過程、評(píng)估基于海底表面的各類資源儲(chǔ)量提供參考。

1　材料與方法

1.1數(shù)據(jù)來源

地形形態(tài)學(xué)研究表明，地形的輪廓形狀主要決定于少數(shù)地形特征點(diǎn)，一旦這些地形特征點(diǎn)確定，地形的輪廓、起伏和走向就大致確定[5]。本文依據(jù)遼寧大連棉花島海域1∶3 500海底地形圖，利用GIS地理信息系統(tǒng)采集提取離散地形特征點(diǎn)，該地形特征點(diǎn)有如下主要特征：在局部地形范圍有突變性質(zhì)，對(duì)局部地形起伏有較大貢獻(xiàn)，往往能反應(yīng)地形變化的趨勢(shì)[10]。在采集過程中，嚴(yán)格遵循作業(yè)規(guī)則，保證所采集的特征點(diǎn)盡可能真實(shí)反映實(shí)際地形，對(duì)于起伏較大的地區(qū)，采集地形特征點(diǎn)除達(dá)到必要的精度外，也要達(dá)到必要的密度[11]。該區(qū)域共采集到4 227個(gè)地形特征點(diǎn)，平均間距為4 m。

多邊形數(shù)據(jù)是用來表示具有一定面積的面狀要素，多邊形參與TIN創(chuàng)建時(shí)分為多邊形裁剪、多邊形刪除、多邊形替換、多邊形填充四種類型[12]。本文采用棉花島宗海界址數(shù)據(jù)作為多邊形數(shù)據(jù)，用于多邊形裁剪和實(shí)驗(yàn)區(qū)域投影面積計(jì)算。坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系，投影為高斯克呂格投影，中央經(jīng)線為121°30′E，高程基準(zhǔn)為1985國家高程基準(zhǔn)。

1.2不規(guī)則三角網(wǎng)

TIN數(shù)字地面模型即三角網(wǎng)數(shù)字地面模型作為地表的數(shù)字化手段，以其幾何結(jié)構(gòu)良好、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、地表重構(gòu)精度高及對(duì)不規(guī)則區(qū)域和數(shù)據(jù)點(diǎn)分布密度適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10，13]。不規(guī)則三角網(wǎng)與規(guī)則格網(wǎng)相比較，存在以下優(yōu)勢(shì)：不規(guī)則三角網(wǎng)中的點(diǎn)線結(jié)構(gòu)以及分布疏密度可以有效地匹配實(shí)際的地表特征，也就是說它可以直接利用實(shí)際資料作為計(jì)算中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)；不規(guī)則三角網(wǎng)通過插入地性線來有效保障關(guān)鍵地貌的完整，使其更好的在復(fù)雜地形中使用，同時(shí)為真實(shí)展現(xiàn)地表特征，不規(guī)則三角網(wǎng)不會(huì)對(duì)原始數(shù)據(jù)精度進(jìn)行改變[14]。在數(shù)字地形建模中，不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)通過不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成連續(xù)三角面來逼近地形表面[15]。其中，三角化算法中以Delaunay(D-TIN)在地形擬合方面表現(xiàn)最為出色[10]，Delaunay三角網(wǎng)為相互連接且互不重疊的三角形集合，每一個(gè)三角形的外接圓內(nèi)不包含其他點(diǎn)[15]，它能夠保證最臨近的點(diǎn)構(gòu)成三角形，即三角形的邊長(zhǎng)之和最小[1]，所有三角形的最小內(nèi)角都被最大化，避免形成狹長(zhǎng)三角形[16]。

圖1　不規(guī)則三角網(wǎng)模型Fig.1　Triangulated irregular network

1.3表面積計(jì)算方法

Delaunay三角網(wǎng)由一系列三角形組成，其表面積為區(qū)域內(nèi)所有三角形面積之和。設(shè)任一三角形3個(gè)頂點(diǎn)A,B,C，3點(diǎn)坐標(biāo)分別為(xA,yA,zA),(xB,yB,zB)和(xC,yC,zC)(圖2)。

圖2　空間三角形Fig.2　The spatial triangle

三邊分別為a,b,c，可由如下公式進(jìn)行計(jì)算：

三角形面積依據(jù)海倫公式[17]：

(4)

Delaunay三角網(wǎng)表面積為區(qū)域內(nèi)所有三角形面積之和：

(5)

上述過程利用GIS空間分析擴(kuò)展模塊可實(shí)現(xiàn)[19]，該方法具有速度快、精度可靠、操作方便等特點(diǎn)[20]。

1.4應(yīng)用比較

底棲生物作為海底重要的生物資源，其生物量計(jì)算是底棲生態(tài)學(xué)及資源生物學(xué)研究中一個(gè)極其常見的內(nèi)容。例如，近年來沿海海洋海岸工程數(shù)量眾多，造成海洋空間資源暫時(shí)或永久性的損失，通常采用經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償?shù)姆绞揭詮浹a(bǔ)資源損失，底棲生物資源因其受工程影響最為顯著[9]，在統(tǒng)計(jì)賠償數(shù)量時(shí)，通常以底棲生物的損失量作為重要標(biāo)準(zhǔn)[8]?！督ㄔO(shè)項(xiàng)目對(duì)海洋生物資源影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》中在計(jì)算底棲生物量損害時(shí)，把海底視作平面，以單位面積底棲生物生物量與水域面積的乘積作為生物損失量，而真實(shí)的海底多為不平坦的傾斜面，本文以單位面積底棲生物生物量與區(qū)域Delaunay三角網(wǎng)表面積的乘積計(jì)算底棲生物損害量，并將該結(jié)果與投影面積的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

2　結(jié)果及分析

以大連棉花島海域?yàn)槔?，該海域海底地形由東北至西南走向隆起，東南和西北區(qū)域地勢(shì)低洼，區(qū)域內(nèi)共采集地形特征點(diǎn)4 227個(gè)，點(diǎn)平均間距為4 m，水深為0～6 m，構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)，構(gòu)網(wǎng)總計(jì)形成三角形7 895個(gè)(圖3和圖4)，在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算投影面積和表面積。

圖3　棉花島海域海底投影面積Fig.3　The Delaunay triangle network and TIN model of seabed around the Mianhua island

圖4　棉花島海域海底表面積Fig.4　The 3D-Delaunay triangle network and 3D-TIN model of seabed around the Mianhua island

圖5　棉花島海域海底分區(qū)Fig.5　The sub-provinces of seabed around the Mianhua island

在WGS84坐標(biāo)系和高斯克呂格投影的坐標(biāo)框架下，將該區(qū)域邊界線提取出來，并生成區(qū)域文件，利用GIS求取面積功能計(jì)算該區(qū)域面積即為投影面積。該區(qū)域投影面積S投影面積為52 629.48 m2。計(jì)算棉花島海域Delaunay三角網(wǎng)表面積，為該區(qū)域內(nèi)所有三角形面積之和，表面積S表面積為53 118.01 m2。

2.1分析與應(yīng)用

將棉花島海域依照3.8 m等深線劃分為2部分(圖5)：A區(qū)域?yàn)樗?.0～3.8 m(黃色)區(qū)域；B區(qū)域?yàn)樗?.8～5.6 m(藍(lán)色)區(qū)域。分別對(duì)兩部分的表面積和投影面積進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1　棉花島海域海底面積分區(qū)統(tǒng)計(jì)

A區(qū)域地形起伏變化明顯，表面積比投影面積多341.34 m2，占其投影面積的1.64%；B區(qū)域地形較平坦，表面積比投影面積多143.44 m2，僅占其投影面積的0.45%。該計(jì)算結(jié)果顯示，兩種方法的計(jì)算結(jié)果因地形不同而有所差異，在地形起伏變化較大的區(qū)域，表面積和投影面積差異比較明顯，在地形平坦的區(qū)域，表面積和投影面積差異較小。

在面積之上疊加底棲生物平均生物量進(jìn)行比較。區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)12個(gè)站位，取12個(gè)站位的平均值作為該區(qū)域底棲生物單位面積生物量值[21]。根據(jù)該區(qū)域底棲生物調(diào)查數(shù)據(jù)，底棲生物平均生物量Bmean為64.14 g/m2。

將底棲生物平均生物量Bmean分別與投影面積和表面積進(jìn)行疊加計(jì)算：

(6)

(7)

可知，該區(qū)域底棲生物分布按投影面積和表面積計(jì)算差別明顯，二者相差0.031 t，數(shù)量差距為投影面積分布數(shù)量的1%。

假設(shè)對(duì)該海域進(jìn)行填海，這將徹底改變用海范圍內(nèi)海洋生物原有的棲息環(huán)境，尤其對(duì)底棲生物的影響最大，用海范圍內(nèi)的底質(zhì)環(huán)境被完全破壞，除少量活動(dòng)能力較強(qiáng)的底棲種類能夠逃往它處而存活外，大部分底棲生物被掩埋、覆蓋而死亡，損失量大，對(duì)底棲生物群落的破壞是不可逆轉(zhuǎn)的，這就將涉及到經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額[9]。如果將上述底棲生物分布數(shù)量換算成經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額，依據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目對(duì)海洋生物資源影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[8]的要求，底棲生物資源價(jià)格Punit為1萬元/t，填海屬持續(xù)損害影響，持續(xù)損害影響年限為20 a，據(jù)此分別計(jì)算投影面積與表面積的底棲生物經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額：

(8)

(9)

二者相差0.62萬元。

以上結(jié)果表明：通過構(gòu)建TIN模型計(jì)算表面積并將其應(yīng)用于底棲生物資源量估算的計(jì)算方法是可行的，表面積資源量統(tǒng)計(jì)較投影面積更加準(zhǔn)確，該方法同時(shí)也為資源量統(tǒng)計(jì)計(jì)算提供了新的思路。

3　結(jié)　語

本文基于TIN數(shù)據(jù)模型計(jì)算海底面積，并以大連棉花島海域?yàn)槔M(jìn)行底棲生物量評(píng)估。采用TIN數(shù)據(jù)模型計(jì)算海底面積精度理想，成果可靠，自動(dòng)化程度高；對(duì)結(jié)果進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同地形地貌對(duì)結(jié)果的影響不同，地形起伏變化大的區(qū)域，表面積與投影面積的差異顯著，地形起伏變化小的區(qū)域，表面積與投影面積的差異較?。辉诿娣e基礎(chǔ)上疊加底棲生物平均生物量數(shù)據(jù)，比較投影面積和表面積情形下的底棲生物分布，并假設(shè)其填海，比較其經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償金額，數(shù)據(jù)表明兩種結(jié)果存在差異，基于TIN模型的研究將這種客觀存在的差異在海域范圍內(nèi)進(jìn)行了量化。

以上研究希望能夠?yàn)楹Ｑ笊镔Y源損害的生態(tài)補(bǔ)償工作提供一定參考。另外，本文計(jì)算表面積的思路也可以應(yīng)用到其他資源計(jì)算及其評(píng)估中，例如對(duì)海底地形復(fù)雜地區(qū)所覆被生態(tài)系統(tǒng)的儲(chǔ)量潛力評(píng)估和定量評(píng)價(jià)等。

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Research and Application of Seabed Surface Area Based on TIN Data Model

LI Yi-ping1,2，F(xiàn)U Jie1,2，LI Yu-long1,2，YU Xu-guang1,2，WANG Ai-yong1,2，DONG Jing1,2

(1.LiaoningOceanandFisheriesScienceResearchInstitute, Dalian 116023,China；2.KeyLaboratoryofMarineBiologicalResourcesandEcology, Dalian 116023,China )

The distribution pattern of seafloor resources is usually affected by the seabed surface terrains. When calculating the area of seabed, one mainly considers projection area. However, the calculated result by using this method cannot accurately reflect the submarine topography characteristics. In order to solve this problem, this paper discussed and analyzed the building method of seabed TIN data model, and built a TIN data model to calculate the surface area. Taking the Mianhua Island as an example, this paper compared the distribution pattern of bentonic organism under the projected area and surface area, respectively. The results showed that both distribution population and economic compensation amount calculated by the two abovementioned methods were obviously different. Compared to the projected area method, the data obtained by using surface area method can reflect the distribution characteristics of submarine topography more accurately, which has some exploring significance for the accurate assessment of covered biological resource volume, ecosystem reserves and quantitative evaluation.

surface area; TIN; triangulated irregular network

April 20, 2015

2015-04-20資助項(xiàng)目：海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——黃渤海重要經(jīng)濟(jì)生物產(chǎn)卵場(chǎng)修復(fù)與評(píng)價(jià)技術(shù)集成與示范(201405010)

李軼平(1981-)，內(nèi)蒙古烏海人，助理研究員，碩士，主要從事GIS與底棲生物方面研究.E-mail:yiping463@sina.com

董婧(1966-)，遼寧沈陽人，研究員，主要從事水母生態(tài)學(xué)及漁業(yè)資源方面研究.E-mail: dj660228@tom.com

(陳靖編輯)

P229.1

A

1671-6647(2016)03-0430-07

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.03.013