鮑晶晶，蔡 鋒，吳承強(qiáng)，鄭勇玲，盧惠泉

（1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

水深測(cè)量成果相鄰圖幅拼接質(zhì)量評(píng)估方法研究

鮑晶晶1，蔡 鋒1，吳承強(qiáng)2，鄭勇玲1，盧惠泉1

（1.國(guó)家海洋局第三海洋研究所，福建 廈門 361005；2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100）

在利用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法檢查相鄰兩水深測(cè)量成果拼接質(zhì)量過程中，通過展現(xiàn)重合點(diǎn)在拼接區(qū)域的分布情況，發(fā)現(xiàn)搜索的重合點(diǎn)存在相對(duì)總點(diǎn)數(shù)較少且分布不均勻的缺點(diǎn)，影響評(píng)估質(zhì)量。針對(duì)上述問題，建立了網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法，系統(tǒng)闡述了該方法的操作原理及其應(yīng)用并通過實(shí)例驗(yàn)證取得了較好的結(jié)果，為水深測(cè)量成果相鄰圖幅拼接質(zhì)量評(píng)估提供新的思路。

水深測(cè)量；相鄰圖幅；拼接；質(zhì)量評(píng)估

對(duì)于圖幅的合理接邊，國(guó)內(nèi)有一些研究，如吳少琴等[1]，針對(duì)多波束數(shù)據(jù)各條測(cè)線間的空間相關(guān)性，提出了一種基于高斯地形曲面擬合的數(shù)字地理模型數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，進(jìn)行了多波束條帶間的拼圖研究；趙江洪[2]，針對(duì)地形圖的接邊問題，提出了趨勢(shì)接邊的方法；周政春等[3]，提出了一種適合于超大規(guī)模地形渲染的實(shí)時(shí)拼接技術(shù)。但這些研究主要是針對(duì)存有拼接偏差的相鄰圖幅給出合適的拼接方法，并未就水深測(cè)量成果相鄰圖幅接邊區(qū)域數(shù)據(jù)之間相互關(guān)系的質(zhì)量評(píng)估方法進(jìn)行研究。所謂水深測(cè)量成果相鄰圖幅拼接質(zhì)量評(píng)估，主要是兩相鄰圖幅接邊重疊區(qū)域（根據(jù)拼接測(cè)量的重疊測(cè)線布設(shè)方法：每個(gè)幅圖應(yīng)各自從拼接的圖廓線起向外0.5 cm布設(shè)一條測(cè)深線，再依次布設(shè)本幅其他測(cè)深線。上述測(cè)深線的兩端均應(yīng)向圖廓外延長(zhǎng)1～2 cm）[5]的水深數(shù)據(jù)相互偏差程度與現(xiàn)階段的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)給出限差的對(duì)比過程，即是評(píng)估這兩相鄰圖幅數(shù)據(jù)是否達(dá)到可拼接條件的過程。對(duì)于測(cè)量成果相鄰圖幅接邊區(qū)域的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估的技術(shù)方法現(xiàn)在大都傾向于使用《IHO海道測(cè)量規(guī)范》[4]和《GB 12327-1998海道測(cè)量規(guī)范》[5]中所給的搜索重合點(diǎn)水深的方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。我們通過實(shí)際運(yùn)用發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范中所給的技術(shù)方法存在些許的不完善，尤其是局部區(qū)域未參與計(jì)算的問題，致使質(zhì)量評(píng)估結(jié)果有所偏頗。實(shí)際運(yùn)用表明，網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法與搜索重合點(diǎn)比對(duì)法相結(jié)合使用，能夠有效彌補(bǔ)搜索重合點(diǎn)比對(duì)法判斷的不完善，有效地提高水深測(cè)量成果相鄰圖幅拼接區(qū)域數(shù)據(jù)質(zhì)量的判斷的準(zhǔn)確度及圖幅拼接的精度。

1 拼接數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估方法

1.1 搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法

水深測(cè)量成果圖幅相拼接，兩圖幅接邊水深點(diǎn)均散落于拼接區(qū)域。要實(shí)現(xiàn)重合點(diǎn)水深比對(duì)，理想狀態(tài)即是兩比對(duì)水深點(diǎn)在同一位置，但這些在實(shí)際測(cè)量中是無法達(dá)到的。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在較為流行的方法是給定范圍，認(rèn)定范圍內(nèi)的點(diǎn)即為重合點(diǎn)。搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法（現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程所用方法），其相關(guān)原理通過《GB 12327-1998海道測(cè)量規(guī)范》可知，即將兩拼接圖幅的其中一圖的拼接區(qū)域看作比對(duì)區(qū)域（區(qū)域內(nèi)所分布水深點(diǎn)為比對(duì)點(diǎn)），另一幅圖的拼接區(qū)域視為被比對(duì)區(qū)域（區(qū)域內(nèi)所分布水深點(diǎn)視為被比對(duì)點(diǎn)），以比對(duì)點(diǎn)為圓心，并以一定的搜索半徑R搜索被比對(duì)點(diǎn)（圖1），最后比對(duì)兩點(diǎn)水深值得出比對(duì)結(jié)果。

若所給搜索半徑為圖上距離，則實(shí)際搜索半徑可以通過比例尺將兩點(diǎn)圖上搜索半徑r（圖上給定范圍）換算為實(shí)際搜索半徑R，其換算公式為：

式中：r為圖上搜索半徑；R為實(shí)際搜索半徑；scale為水深測(cè)量成果比例尺。

搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法主要流程，如圖2。

內(nèi)蒙古錫盟～江蘇泰州±800kV特高壓直流輸電線路工程是國(guó)家實(shí)施北電南送的重點(diǎn)工程，工程建設(shè)投運(yùn)后，將實(shí)現(xiàn)北部資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為能源優(yōu)勢(shì)，滿足東南部地區(qū)社會(huì)發(fā)展對(duì)電力增長(zhǎng)的需求，且有利于緩解日趨嚴(yán)重的霧霾污染問題。該輸電線路起于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市境內(nèi)錫盟換流站（毛登站址），途徑內(nèi)蒙古、河北、天津、山東、江蘇5省，止于江蘇省鹽城市泰州換流站（楊師村站址），全線總長(zhǎng)1619.7km。該項(xiàng)工程等級(jí)為Ⅰ級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水。

圖1 搜索重合點(diǎn)水深示意圖

圖2 搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法流程圖

1.2 網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法

基于等深線對(duì)接的原理，本文在此建立了一種可以用來量化比較評(píng)估的方法——網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法，其主要是將兩相鄰圖幅進(jìn)行網(wǎng)格化，在拼接區(qū)域提取水深剖面（圖3）。即可認(rèn)為將等深線對(duì)接中同等水深位置的偏移轉(zhuǎn)化為同一位置水深的偏差，在剖面上提取出該剖面距離與水深的關(guān)系，最后進(jìn)行兩剖面的比對(duì)以及同位置點(diǎn)（網(wǎng)格重合點(diǎn)）水深偏差的量化比較。

圖3 網(wǎng)格選取剖面比對(duì)示意圖

由于該方法是將同等水深位置的偏移轉(zhuǎn)化為同一位置水深的偏差，因此網(wǎng)格預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的精度必須要高。綜合幾種網(wǎng)格方式，本文選用反距離加權(quán)插值法[9]，其是20世紀(jì)60年代末提出的計(jì)算區(qū)域平均降水量的一種方法。它實(shí)際上是一種加權(quán)移動(dòng)平均方法，設(shè)平面上分布一系列離散點(diǎn)P(x，y，z)，已知其位置坐標(biāo) P（xi，yi）和屬性值 zi（i=1，2，…，n），根據(jù)周圍離散點(diǎn)的屬性值，通過距離加權(quán)插值求P點(diǎn)屬性值。其插值原理是待插值點(diǎn)鄰域內(nèi)已知散亂點(diǎn)屬性值的加權(quán)平均，權(quán)的大小與待插點(diǎn)的鄰域內(nèi)散亂點(diǎn)之間的距離有關(guān)，是距離k（0≤k≤2）（k 一般取 2）次方的倒數(shù)。 即：

網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法主要流程，如圖4。

圖4 網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法流程圖

2 不同評(píng)估方法之間的應(yīng)用差異

2.1 實(shí)例概況及相關(guān)準(zhǔn)則

近年來我們開展了數(shù)個(gè)水深勘測(cè)項(xiàng)目，獲取了相當(dāng)?shù)乃顪y(cè)量成果，但在實(shí)際對(duì)水深測(cè)量成果相鄰圖幅拼接質(zhì)量評(píng)估過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題——評(píng)估結(jié)果有時(shí)與實(shí)際接邊情況不符。為了更好地說明問題，這里選取需要圖幅接邊的水深成果區(qū)域A和區(qū)域B來操作，比例尺均為1:10 000（如圖5、圖 6）。

圖5 區(qū)域A兩相鄰圖幅及拼接區(qū)域分布圖

圖6 區(qū)域B兩相鄰圖幅及拼接區(qū)域分布圖

其相關(guān)準(zhǔn)則參考我國(guó) 《GB 12327-1998海道測(cè)量規(guī)范》對(duì)水深測(cè)量中主、檢比對(duì)及圖幅拼接比對(duì)超限情況判斷的標(biāo)準(zhǔn)。如主、檢比對(duì)及圖幅拼接比對(duì)超限情況由重合點(diǎn)深度（兩點(diǎn)相距圖上1.0 mm以內(nèi)）所列出的不符值數(shù)列表示，其不符值限差為：水深0～20 m時(shí)為0.5 m，水深20～30 m時(shí)為0.6m，水深 30～50 m 時(shí)為 0.7 m，水深 50～100 m 時(shí)為 1.5 m，水深大于100 m時(shí)為水深的3%，超限的點(diǎn)數(shù)不得超過參加比對(duì)總點(diǎn)數(shù)的15%。

2.2 搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法應(yīng)用

利用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法對(duì)上述需要圖幅接邊的水深成果區(qū)域A和區(qū)域B來說明，搜索半徑以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參照《GB 12327-1998海道測(cè)量規(guī)范》，兩區(qū)域水深測(cè)量成果則按上述搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法的相關(guān)原理操作：區(qū)域A（點(diǎn)A-north設(shè)為比對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)A-south為被比對(duì)點(diǎn)）（如圖5），區(qū)域B（點(diǎn)B-north設(shè)為比對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)B-south為被比對(duì)點(diǎn)）（如圖6），比例尺為scale=1：10 000，利用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法計(jì)算，通過換算公式計(jì)算得到搜索半徑R=10 m。最后利用Visual Basic編程進(jìn)行批量比對(duì)。

比對(duì)結(jié)果：區(qū)域A拼接區(qū)域共有比對(duì)點(diǎn)181個(gè)、被比對(duì)點(diǎn)179個(gè)，其中符合搜索要求并參與比對(duì)的一共51組，有50組水深偏差符合限差標(biāo)準(zhǔn)，合格率為98.04%；區(qū)域B拼接區(qū)域共有比對(duì)點(diǎn)207個(gè)、被比對(duì)點(diǎn)188個(gè)，其中符合搜索要求并參與比對(duì)的一共27組，有27組水深偏差符合限差標(biāo)準(zhǔn)，合格率為100%。

2.3 網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法應(yīng)用

利用網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法同樣選取上述水深成果區(qū)域A和區(qū)域B來說明，水深偏差相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍參照 《GB 12327-1998海道測(cè)量規(guī)范》。

區(qū)域A兩圖幅根據(jù)比例尺1：10 000進(jìn)行網(wǎng)格化如圖7所示，在拼接區(qū)域同一剖面位置分別提取各自圖幅的剖面水深值（剖面 A-north、剖面 A-south），從剖面端點(diǎn)開始每10 m取一水深值（剖面上每點(diǎn)都有相應(yīng)的水深值，文中按10 m取點(diǎn)為了方便計(jì)算統(tǒng)計(jì)）得出剖面上距離與水深的關(guān)系；區(qū)域B的操作與區(qū)域A相同。

比對(duì)結(jié)果：從圖8可以看出剖面A-north與剖面A-south能夠較好重疊，與等深線對(duì)接情況吻合，區(qū)域A剖面上取得網(wǎng)格重合點(diǎn)705組，水深比對(duì)偏差全部合格。對(duì)于區(qū)域B，剖面圖（圖10）中剖面B-north與剖面B-south對(duì)比可發(fā)現(xiàn)在拼接區(qū)域中部偏左側(cè)距離端點(diǎn)約1 400～3 200 m之間圖幅B-south水深明顯淺于B-north，區(qū)域B剖面上取得網(wǎng)格重合點(diǎn)735組，其中有98組水深偏差超出限差，合格率為86.67%。

圖7 區(qū)域A網(wǎng)格圖

圖8 區(qū)域A拼接區(qū)域剖面圖

圖9 區(qū)域B網(wǎng)格圖

圖10 區(qū)域B拼接區(qū)域剖面圖

3 討論

眾所周知，相鄰拼接圖幅之間等深線的偏移量可較為準(zhǔn)確地反映相鄰圖幅拼接情況，而圖幅拼接情況又直接反映著相鄰圖幅拼接質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的合理性，因此利用等深線的偏移可以有效地評(píng)估相鄰圖幅拼接質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的優(yōu)劣。對(duì)于等深線的偏移情況的判斷，將其進(jìn)行量化較為困難，通常采用目視估算的方法進(jìn)行。于是本文采用目視估算的方法對(duì)上述兩種質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)估。

對(duì)拼接區(qū)域利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)格生成等深線，區(qū)域A接邊區(qū)域等深線分布在26～36 m之間，等深距設(shè)為1 m，如圖11所示拼接區(qū)域等深線A-north與A-south可以較好的對(duì)接；區(qū)域B接邊區(qū)域等深線分布在29～53 m之間，等深距設(shè)為1 m，如圖12所示拼接區(qū)域等深線B-north與B-south在拼接區(qū)域兩端可較好對(duì)接，但在中部等深線在37～51 m之間出現(xiàn)了明顯的偏移，部分等深線甚至出現(xiàn)了錯(cuò)位，水深偏差值達(dá)到1 m左右。

圖11 區(qū)域A兩相鄰圖幅等深線分布圖

圖12 區(qū)域B兩相鄰圖幅等深線分布圖

通過上述相鄰圖幅間的等深線對(duì)接目視比較，得到區(qū)域A接邊區(qū)域等深線對(duì)接情況與上述利用搜索重合點(diǎn)比對(duì)法計(jì)算的合格率98.04%基本對(duì)應(yīng)，而區(qū)域B接邊區(qū)域等深線對(duì)接情況卻與上述計(jì)算所得合格率100%相矛盾。發(fā)現(xiàn)合格率為98.04%的區(qū)域A等深線對(duì)接情況竟然優(yōu)于合格率為100%的區(qū)域B，從而可以認(rèn)定利用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法產(chǎn)生了誤差。

對(duì)于使用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法所產(chǎn)生的誤差究其原因可知：本文將相鄰圖幅比對(duì)數(shù)據(jù)及重合點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)展布，根據(jù)重合點(diǎn)在比對(duì)數(shù)據(jù)中的相對(duì)關(guān)系，不難發(fā)現(xiàn)使用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)該種方法所存在的問題。首先，對(duì)比分析區(qū)域A的情況，其拼接區(qū)域共有重合點(diǎn)51組，在拼接區(qū)域的分布情況如圖13所示，區(qū)域A拼接區(qū)域重合點(diǎn)除兩端及中間少部分區(qū)域重復(fù)較少外，其余呈條狀散布于拼接區(qū)域的中間基本有效覆蓋拼接區(qū)域。因此98.04%質(zhì)量評(píng)估結(jié)果與圖11所示等深線對(duì)接情況相符合。再分析區(qū)域B，區(qū)域B拼接區(qū)域共有27組重合點(diǎn)，其在拼接區(qū)域的分布情況如圖13所示，區(qū)域B拼接區(qū)域重合點(diǎn)分布在兩端，而在拼接區(qū)域中部偏左大片缺失。將等深線對(duì)接情況（圖12）與重合點(diǎn)分布情況（圖14）相比較，發(fā)現(xiàn)等深線偏移區(qū)域即是沒有重合點(diǎn)分布的區(qū)域，該區(qū)域未能參與拼接質(zhì)量評(píng)估，質(zhì)量評(píng)估結(jié)果100%只片面地反映了有重合點(diǎn)位置的拼接質(zhì)量。

圖13 區(qū)域A搜索的重合點(diǎn)分布圖

圖14 區(qū)域B搜索的重合點(diǎn)分布圖

因此，可以認(rèn)為搜索重合點(diǎn)比對(duì)法具有片面和不確定的不完善因素，這些不完善因素直接導(dǎo)致了質(zhì)量評(píng)估出現(xiàn)片面性和不確定性。重合點(diǎn)散落在拼接區(qū)域，每組重合點(diǎn)水深比對(duì)質(zhì)量代表了重合點(diǎn)位置的拼接質(zhì)量，但由于無法保證所有拼接區(qū)域均有重合點(diǎn)分布，每個(gè)重合點(diǎn)還被認(rèn)為成一個(gè)控制樣點(diǎn)代表其周圍一定范圍拼接質(zhì)量。若重合點(diǎn)散布較為均勻可以有效覆蓋拼接區(qū)域，則利用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法得出的評(píng)估結(jié)果可較客觀地反映實(shí)際拼接質(zhì)量；反之，若重合點(diǎn)零星散布無法有效覆蓋整個(gè)拼接區(qū)域，則利用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法得出的評(píng)估結(jié)果則具有很大的片面性，無法對(duì)其未分布區(qū)域拼接質(zhì)量做出客觀評(píng)估。在無法保證重合點(diǎn)對(duì)拼接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效覆蓋的前提下用該方法來判斷相鄰圖幅的拼接質(zhì)量是有明顯的缺陷。

而采用搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法得到區(qū)域A剖面A-north與剖面A-south能夠較好重疊以及剖面上取得網(wǎng)格重合點(diǎn)水深合格率達(dá)100%，均與等深線對(duì)接情況具有較好一致性；區(qū)域B剖面B-north與剖面B-south對(duì)比反映的情況 （在拼接區(qū)域中部偏左側(cè)距離端點(diǎn)約14 00～3 200 m之間圖幅B-south水深明顯淺于B-north）及區(qū)域B剖面上取得網(wǎng)格重合點(diǎn)水深合格率為86.67%也均與等深線對(duì)接的情況吻合。通過比較可以得出網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法可以較好地評(píng)估相鄰圖幅的拼接質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過本文兩種方法的研究以及實(shí)例的應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論：

（1）搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法和網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法均可用來評(píng)估水深測(cè)量成果相鄰圖幅拼接的質(zhì)量，但由于這兩方法受其各自基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)不同，其適用情況也不同。

（2）搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)法具有比對(duì)數(shù)據(jù)均是真實(shí)值和受重合點(diǎn)分布影響的特點(diǎn)，其適合用于水深測(cè)量原始數(shù)據(jù)拼接的校檢，高密度的原始數(shù)據(jù)可較好保證重合點(diǎn)有效覆蓋拼接區(qū)域，真實(shí)值之間的比較可有效評(píng)估測(cè)量結(jié)果的優(yōu)劣。

（3）網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法通過網(wǎng)格插值拼接區(qū)域做剖面比對(duì)，受點(diǎn)分布的影響較小，可適用于各種拼接情況，有效彌補(bǔ)了《GB 12327-1998海道測(cè)量規(guī)范》中搜索重合點(diǎn)水深比對(duì)方法的不完善。同時(shí)該方法利用網(wǎng)格插值與計(jì)算機(jī)成圖過程較為一致，因此利用網(wǎng)格選取剖面比對(duì)法評(píng)估的拼接質(zhì)量尤對(duì)成果圖的拼接有利。

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Abstract：Using the searching and comparing coincidence depth point method to evaluate the quality of maps splicing.Through showing the distribution of the coincidence points in overlap region,the disadvantage of this method is found that the coincidence points are less and not well-distributed,which would reduce the quality of evaluation.A new method selecting profile from grid data was built and achieved a good result in experiment.It is more helpful to evaluate the quality of maps splicing.

Key words：bathymetric survey;neighbor charts;splicing;quality evaluation

Study on the Quality Evaluation of Chart-Splicing in Bathymetric Survey

BAO Jing-jing1,CAI Feng1,WU Cheng-qiang2,ZHENG Yong-ling1,LU Hui-quan1
（1.Third Institute of Oceanography State Oceanic Administration,SOA,Xiamen Fujian 361005,China;2.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China）

P229

A

1003-2029（2011）01-0010-05

2010-11-30

我國(guó)近海海底地形地貌調(diào)查研究項(xiàng)目（908-CZ-I-07）；古雷半島沙灘資源預(yù)警防護(hù)措施研究（海三科2010013）

鮑晶晶（1985-），男，籍貫江蘇南通，碩士研究生，主要從事海底地形地貌及水深測(cè)量數(shù)據(jù)處理方面研究。

蔡鋒（1965-），男，研究員，Email：fcai800@126.com