基于规则格网数据的海浪图生成研究

许世城，卢 美，方琛亮，王 挺

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

海浪等值线图，是将海浪站的观测数据进行处理分析绘制生成等值线，再进行彩色渲染后生成的用于研究海洋表面海浪分布规律的图形。它是进行海浪空间特征分析的强大工具，在海洋灾害预警分析上有着广泛的应用。

SuperMap是由北京超图公司开发的一套大型地理信息系统软件，功能强大，性能较高。本文将Supermap Deskpro作为海浪等值线图计算生成的主要工具。

1 海浪实况数据表示方式—等值线图

等值线图是将相同数值点连线用来表示连续分布且逐渐变化的数量特征的一种图型。在海洋灾害预警中，用户需要了解海洋表面或海区平均海浪高的情况，常采用等值线图来表现。

2 海浪原始数据的分析和处理

在生成等值线之前，需要对原始数据进行一定的处理，如坐标变换、规则化、抽稀等。本文采用的规则网格数据是东中国海区域等间距的规则网格，与浙江省海洋局采集的海浪数据坐标取值相同，采用球面坐标系，坐标固定，无需进行变换;研究的海浪原始数据是规则格网，不需要进行规则化，其数据格式为:x(经度)，y(纬度)，z(浪高)。

规则网格数据呈矩阵分布，一般无需直接给出所有数据值。因此只需在文件头给出网格的空间坐标范围 (经纬度范围)、网格行数、网格列数、网格数据属性值编号范围等，在文件内只要给出每个网格点对应的属性值 (如海浪浪高)即可。

本文研究的规则网格数据格式如下:

本文研究的海浪计算范围为 105°E—155°E，10°N—45°N，经度横跨50°，纬度跨35°，网格间距为0.1°，因此，所需计算网格点数量为501×301。然而，501×301的网格点数据较多，虽然以此生成的等值线图精度更高，但导致海浪等值线图生成效率低，海浪等值线图需要在海洋灾害预警辅助分析系统中应用，如此低下的计算效率显然无法满足实际需求，所以需要对原始数据进行处理，优化等值线图生成的算法。本文采用的是网格抽稀方法，它是将网格间距从0.1°增加到0.4°，这样所需计算的网格点数量就只有126×76，较之前可以大幅度提升计算效率。

3 等值线生成的理论基础

在等值线绘制中，一般采用下列方式描述已知的数据点:

X为点的经度，Y为点的纬度，value为这一点上的属性值(密度、温度、盐度等，本文表示的是海浪高)。

在函数P(X，Y，value)中，对于每个给出的数值value，其图像都可以用z=f(x，y)来表示，这是一条平面曲线，也就是等值线。通过改变z值可以得到许多等值线 (本研究取海浪高2.5，3.5，5.0，6.0，9.0m)，将这些等值线投影到一个与XOY面平行的平面上，可得到一幅等值线图。因此，等值线图具有如下特性;

(1)等值线通常是一条光滑连续曲线;

(2)同一属性值的等值线数量有可能大于1条;

(3)由于定义域是有界的，等值线可能闭合，也可能不闭合;

(4)等值线一般不相互交叉。

例3 如图10，在Rt△ABC中，∠ABC=90°，AB=8，BC=6，四边形DEFG是△ABC的内接矩形，点E，F分别在边AB，BC上，点D、G在边AC上，H是矩形DEFG对角线的交点，求线段CH长度的最小值.

将不同数值的等值线绘制在一张图上，就会产生多条等值线。本研究中，对所有等值点进行逐个遍历，找出具有给定属性值的所有等值线，而要达到一条等值线都不遗漏，必须有一个全面合理的方法。

本文采用网格序列法生成等值线，通过将原始海浪数据构成空间网格，再按网格单元的排列次序，逐一处理每一单元，寻找每一单元内相应的等值线段，处理完所有单元后，就生成了该网格中的全部等值线。本研究的数据属于规则网格数据，采用矩阵网格法，算法简单，生成等值线速度快。

4 海浪图计算步骤

4.1 网格数据预处理

网格数据预处理包括网格数据抽稀以及特殊网格点的处理。特殊网格点指无效点，如陆地点，由于陆地不需要进行海浪计算，在计算之前需要通过空间分析方法将位于陆地上的点进行分析排除，最后的规则网格经过抽稀及特殊点处理后将是类似于此种形式，未编号的位置表示处理过的点:

处理之后的实际网格数据见图1。

图1 处理之后的点阵数据图

4.2 带Z值的高程点阵的生成

带Z值的高程点阵的生成比较简单，主要是通过便利网格数据的方式对点阵进行赋Z值。

4.3 高程点生成DEM

DEM，即数字高程模型，用一组数值阵列来表示地面要素变化 (可以是高程、风力、海浪等)，是一种实体地面模型。

通过高程点生成DEM，主要是依靠高程内插来完成。高程内插算法有:分块内插、剖分内插和单点移面3种。分块内插:首先将研究区域按一定的方法分块，然后对每个分块进行曲面拟合和高程内插，再将所有分块进行无缝拼接生成DEM。剖分内插:用通常不规则的平面格网完全覆盖数字高程模型的水平投影。这种不规则网包括不规则三角网 (TIN)、四边形及其他泰森多边形等，一般不考虑剖分间的平滑问题。单点移面内插:需要判断移面内有否突变，如地性线等。若移面内含有地性线，应按地性线再分割，直到不含地性线为止。

4.4 DEM构建等值线

生成DEM之后，需要根据高程点以及DEM来提取等值线。等值线的提取主要分3步:①等值线参数确定;②等值线连线;③平滑处理。一般来说等值线参数主要包括基准值、等值距，但由于海浪图的特殊性，等间距的等值线并不能满足需要，应根据海浪特征将海浪值取5个属性值:2.5、3.5、5.0、6.0、9.0。等值线的绘制是通过对属性值的追踪来进行的。通过给定的每个属性值，根据上一步生成的DEM以及网格数据从左至右、从上至下遍历，将属性值相同的高程点用曲线连接绘制成等值线，最后是对等值线进行平滑处理，本文采用B样条法。B样条法以4个属性点为单位，连接1、4两点，在2、3位置附近拟合，既能保证等值线拥有较高的生成效率，也能保证其具有良好的光滑性。根据不同属性值生成多条等值线后绘制在一个平面上则构成了等值线图。

4.5 等值线填充并生成专题图

等值线能清楚地反映海浪高度分布情况，但单一的等值线效果并不明显，需要通过颜色填充的方法对等值线图进行渲染，使海浪分布情况更加清晰明显。等值线彩色填充，是对研究范围的每一个点填上不同色彩表示不同的数据值。本文对属性值2.5、3.5、5.0、6.0、9.0的像素点分别填充浅蓝、浅黄、橙黄、橙色、红色等，达到良好的视觉效果。生成的效果图见图2。

图2 最终生成的海浪图

5 结语

本文通过对规则网格海浪数据进行研究分析建立算法，初步实现了海浪等值线图的绘制，并在海洋灾害预警辅助分析系统中得到应用。但由于研究时间及条件有限，还有一些不足之处，有待进一步研究。首先，在海浪图绘制方面采用的是抽稀的规则网格数据格式，并没有对不规则网格数据进行研究，绘制精度也有待进一步提高;其次，本文研究的数据是从相关业务部门的数据库提取所得，因此数据在实时性上存在少许偏差。

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