王金龍

摘 要：海底管道的裸露部分，存在著很多不同的情況，比如懸空、全裸露，半裸露等，有些裸露的管道，露出海底面的高度僅僅有十幾厘米;反映在根據(jù)水深變化形成的圖像上，產(chǎn)生的效果圖很難判斷和顯示裸露情況。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，使用海底斜率數(shù)據(jù)，基于DEM生成坡度圖，大大加強(qiáng)了海底管道多波束數(shù)據(jù)的可視化效果。

關(guān)鍵詞：海底管道;坡度圖;可視化

引 言

針對(duì)海底管道的探測(cè)項(xiàng)目，工作內(nèi)容包括海管的裸露及懸空情況探測(cè)、水深地形測(cè)量、淺地層探測(cè)、探測(cè)管道位置及埋深等工作，其中最主要的是使用多波束測(cè)深儀的探測(cè)，利用多波束測(cè)深儀得到的海量XYZ數(shù)據(jù)，得到水深地形變化，海底管道裸露情況等，傳統(tǒng)的處理方法是生產(chǎn)等深線圖和DEM渲染圖，以此來(lái)顯示海底地形和管道裸露情況，但是海底管道裸露出海底面的高度，常常僅有十幾厘米;反映在根據(jù)水深變化形成的圖像上，體現(xiàn)不出很大的差異，產(chǎn)生的效果圖很難判斷和顯示裸露情況。所以使用水深變化數(shù)值來(lái)表現(xiàn)這種傳統(tǒng)方法，往往不能很好的顯示海底管道的裸露情況。

在探測(cè)過(guò)幾條海底管線并進(jìn)行資料處理后，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析，針對(duì)海底管道與其它目標(biāo)物的不同特點(diǎn)，比如一條海底管道，裸露出來(lái)的部分沿一定距離是保持一種線性規(guī)則變化的，海底管道本身外形尺寸是有固定值的，這是區(qū)別于自然海底的重要不同?；诖宋覀兛紤]到使用斜率這一數(shù)據(jù)，基于DEM生成坡度圖，能夠加強(qiáng)海底管道多波束數(shù)據(jù)的可視化效果，使可視化圖形更加一目了然。

一、方法路線

1、軟件的選擇：生成坡度圖，可以用ARCGIS等GIS軟件，但對(duì)于處理海底管道數(shù)據(jù)，基于簡(jiǎn)單快捷的原則，我們選擇了SURFER軟件來(lái)生成坡度圖。

2、坡度和方位數(shù)據(jù)的處理方法：該方法將基于DEM生成斜坡的方向（方位）和斜坡的坡度（以度為單位），并使用顏色和飽和度來(lái)顯示組合結(jié)果。面向不同方向的斜坡使用不同的顏色，并且該顏色的飽和度顯示該斜坡的陡度（顏色越亮，斜率越陡）。兩種數(shù)據(jù)共同的渲染，可以顯示在DEM圖中可能被忽視的小的變化。

但是方位和坡度是兩個(gè)數(shù)據(jù)，基于XYZ數(shù)據(jù)的網(wǎng)格做圖工具無(wú)法直接處理，所以要對(duì)這連個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理：將坡度數(shù)據(jù)重新分類為0到8的區(qū)間，步長(zhǎng)為2，如表1所示;并將方位數(shù)據(jù)重新分類為10到80的區(qū)間，步長(zhǎng)為10，如表2所示。

將坡度和方位兩個(gè)數(shù)據(jù)根據(jù)上表重新分類賦值，然后合并為一個(gè)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)就包含了坡度和方位，數(shù)值范圍10-88，這是坡度的最小值加上方位的最小值（10 + 0）和坡度的最大值加上方位的最大值（80 + 8）。數(shù)字中的十位數(shù)是方位，個(gè)位數(shù)是坡度。例如，值24表示方位角在22.5°和67.5°方位角之間（因?yàn)榈谝粋€(gè)數(shù)字是2），坡度在15%到30%之間（因?yàn)榈诙€(gè)數(shù)字是4）。

然后，我們將根據(jù)此組合值創(chuàng)建地圖并對(duì)其進(jìn)行著色。實(shí)際顏色基于方位（十位數(shù)）和該顏色的飽和度基于坡度（個(gè)位數(shù)）。由于任何一個(gè)地方都有0的值（例如10，20，30等）相對(duì)平坦（0-5°之間的斜率），我們可以為它指定一個(gè)我們可以完全透明的扁平灰色。對(duì)于其他顏色，我們可以使用預(yù)定義色標(biāo)來(lái)進(jìn)行著色渲染，如圖1所示。

3、生成海底管道坡度圖的方法：第一步，把原始的多波束數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后輸出為XYZ數(shù)據(jù)。第二步，在SURFER軟件中，點(diǎn)擊GRIDS選單，根據(jù)原始XYZ數(shù)據(jù)生成GRID網(wǎng)格數(shù)據(jù)，此時(shí)生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)是基于深度的，網(wǎng)格的大小，要根據(jù)原始野外數(shù)據(jù)采集的精度來(lái)確定，為提高分辨率，盡可能的要相近。第三步，根據(jù)原始網(wǎng)格數(shù)據(jù)，生成坡度數(shù)據(jù)：

選擇生成的坡度數(shù)據(jù)文件：

輸入函數(shù)：? IF（A> = 45，8，IF（A> = 30.0且A <45，6，IF（A> = 15且A <30，4，IF（A> = 5且A <15， 2，IF（A> = 0和A <5，0，A）））））

單擊“ 輸出網(wǎng)格文件 ”右側(cè)的“ 更改文件名”按鈕，為文件指定一個(gè)新名稱然后單擊“ 保存”。單擊“ 確定”，然后創(chuàng)建網(wǎng)格。

第四步，創(chuàng)建方位數(shù)據(jù)網(wǎng)格。

打開原始網(wǎng)格數(shù)據(jù)后：

在Grid Calculus對(duì)話框中，選擇Terrain Modeling | 地形方面。

單擊“ 輸出網(wǎng)格文件 ”右側(cè)的“ 更改文件名”按鈕，為文件指定一個(gè)新名稱，然后單擊“ 保存”。單擊“ 確定”，然后創(chuàng)建網(wǎng)格。

使用網(wǎng)格數(shù)學(xué)重新分類方位網(wǎng)格文件。

單擊“ 添加網(wǎng)格”按鈕。

輸入函數(shù)：? IF（A> = 337.5或A <22.5，10，IF（A> = 22.5且A <67.5，20，IF（A> = 67.5且A <112.5，30，IF（A> = 112.5 AND） A <157.5，40，IF（A> = 157.5且A <202.5，50，IF（A> = 202.5且A <247.5，60，IF（A> = 247.5且A <292.5，70，IF（A> = 292.5和A <337.5，80，A））））））））

單擊“ 輸出網(wǎng)格文件 ”右側(cè)的“ 更改文件名”按鈕，為文件指定一個(gè)新名稱，然后單擊“ 保存”。單擊“ 確定”，然后創(chuàng)建網(wǎng)格。

第五步，合并坡度數(shù)據(jù)和方位數(shù)據(jù)。

打開第三步和第四部生成的網(wǎng)格文件，輸入功能：? A + B.

單擊“ 輸出網(wǎng)格文件 ”右側(cè)的“ 更改文件名”按鈕，為文件指定一個(gè)新名稱（例如海底管道坡度圖.grd），然后單擊“ 保存”。單擊“ 確定”，然后創(chuàng)建網(wǎng)格。

第六步，使用上面定義的色標(biāo)尺創(chuàng)建地圖并為其著色。

單擊MAP| NEW| color relief，選擇海底管道坡度圖.grd并單擊“ 打開”。

在對(duì)象管理器中選擇圖像圖層，然后單擊“ 屬性管理器”中的“ 常規(guī)”頁(yè)面。

在Hill Shading部分下，取消選中Enable hill shading。

取消選中插值像素。

單擊“ 顏色 ”右側(cè)的“ 自定義色彩映射表（...）”按鈕。

在Colormap對(duì)話框中，單擊Load，選擇ColorWheel.clr，然后單擊Open。

單擊確定，選中顯示色標(biāo)，在“ 缺失數(shù)據(jù)”部分下，將“ 不透明度”設(shè)置為0%。

如果需要，可以調(diào)整分類和色標(biāo)尺的定義，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格來(lái)強(qiáng)調(diào)某些斜率或方位的范圍，可以單獨(dú)定義海底管道的顏色顯示。或者通過(guò)將“ 色彩映射”對(duì)話框中的“ 不透明度”設(shè)置為100%，可以選擇使平坦區(qū)域?yàn)榛疑皇峭该鳎愿玫娘@示海底地形變化情況以及突出顯示海底管道的裸露情況。

二、結(jié)果

根據(jù)上述方法路線生成海底管道坡度圖（圖2），同時(shí)由原始水深數(shù)據(jù)生成海底地貌圖（圖3）。

從兩張圖上對(duì)比可以看出，在單個(gè)圖中同時(shí)顯示斜率和坡向是識(shí)別地圖中人工構(gòu)筑物，比如海底管道的絕佳方法。在原始的水深地貌圖中，海底管道裸露程度較輕的部分，由于水深變化的數(shù)值很小，體現(xiàn)在圖中很不明顯，甚至難以判斷。但作為海底管道，由于其外形尺寸是確定的，表現(xiàn)在坡度數(shù)據(jù)上也是確定的，所以在坡度圖上，裸露出來(lái)的深淺程度不同雖有差別，但都可以顯示出來(lái)。

經(jīng)過(guò)對(duì)比海底管道坡度圖和原始的水深數(shù)據(jù)海底地貌圖，可以看到采用坡度圖，相對(duì)于深度圖，加強(qiáng)了海底管道的可視化顯示，對(duì)于微小的地形地貌改變，顯示的也十分明顯。

三、結(jié)論

利用人工構(gòu)筑物的一些特點(diǎn)，比如規(guī)則的外觀、固定的尺寸、線性的變化等，充分利用坡度圖的特點(diǎn)，突出了海底管道的視覺效果，對(duì)識(shí)別并顯示海底管道的裸露情況，是處理方法上的一個(gè)創(chuàng)新，并且很容易把這個(gè)方法利用的其它一些類似的應(yīng)用中去。而且，利用軟件本身對(duì)腳本的支持，可以開發(fā)出具有交互功能的自動(dòng)處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道或其它人工構(gòu)筑物，根據(jù)其方位或坡度等數(shù)據(jù)，指定其顯示顏色，達(dá)到更加智能化的功能。

參考文獻(xiàn)

[1] Kari Dickenson，Creating Terrain Slope Maps from Digital Elevation Models in Surfer【EB/OL】， Tuesday， 24 May 2016