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海岛礁及周边复杂环境动态三维建模
2015年11月25日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:李德仁 ,姚远,邵振峰
    单位:武汉大学遥感信息工程学院
        武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室

    摘要:对海岛礁及周边包括海浪、潮汐、潮流、温度等在内的复杂环境要素及其特点进行了分析。针对海洋复杂要素的特点,提出了适用于海洋高动态的面向可细分对象的时空数据模型,能够有效地对高动态及交互性较强的对象进行建模。以舟山群岛附近海域为例,对海岛礁及周边复杂环境进行了动态三维建模,并在Geog lobe等平台上进行了验证。实验表明,该模型对海岛礁及周边复杂环境建模有较好的实用性。

     地球表面约70%的面积是海洋,海洋蕴藏着丰富的资源,从利用价值角度可分为海洋经济、海洋交通、海洋安全、海洋科研利益等。而由于海岛、礁石等在《联合国海洋法公约》中的特殊地位,其涉及的领土、领海、毗连区及专属经济区等相关权利和利益巨大。我国主张的管辖海域面积约为300万km2[1],其中分布着数量庞大的海岛、礁石等。海岛礁及其周边复杂环境是海洋环境中非常重要和复杂的场景之一,其建模与表达对于推动“数字海洋”的发展具有举足轻重的意义,可以为海岛礁测绘工程、海洋资源环境调查、虚拟海洋环境等领域提供多源异构数据高效、统一的组织与管理,为海洋防灾减灾、海洋军事等领域的辅助决策提供支撑[2]。

    海岛礁及周边复杂环境涉及海洋、物理、化学、地理、地质、气象、水文等多个学科,是一个多学科交叉的领域。除海岛礁与海洋环境要素外,在海洋水体动态变化的影响下,海岛礁及岸滩的淹没与露出、干湿状态及侵蚀都随着时间动态变化。

    本文基于面向对象的方法,提出了一种支持多尺度可细分对象模型,能够有效地对海岛礁及其周边复杂环境要素进行建模。

    1 海岛礁及周边复杂环境要素

    1.1 海岛礁

    海岛礁自身主要包括海岛礁及海底地形地质等。数据的获取手段有很多,主要的数据来源包括遥感卫星影像、航空影像、合成孔径雷达(SAR)、激光雷达(LiDAR)、声纳和多波束等。

    航天航空遥感平台的最高分辨率能够达到m级甚至dm级,船载平台在浅水区的水深测量精度能够达到dm级[3]。海岛礁及海底三维地形通常以规则格网或不规则三角网数字高程模型(DEM)进行表达,然后可以增加纹理与地质等属性信息。

    1.2 海岛礁周边复杂环境要素

    海岛礁周边复杂环境要素包括海洋表层的海浪、潮汐和海洋内部的潮流、温度、盐度等。数据来源包括遥感数据、站点数据、海上测量数据等[4]。以下对几种主要的海洋环境要素进行分析。

    1) 海浪是一个非常复杂的自然现象,尺度跨度大并且运动不规律,海浪的数据一般由验潮站实测获取。随着海洋表面风场、光照及海水运动的变化,海洋表面的波浪形态及纹理都存在着巨大的差异,用数学方法描述其复杂万变的特征十分困难。目前,国内外对海浪建模的方法可概括为基于几何模型、基于物理模型、基于谱分析和基于Perlin噪声的模型等。在小尺度上,基于Perlin噪声可以产生实时的、真实感较强的三维水面[5]。

    2) 潮汐数据主要是基于时间点的潮位信息。获取潮汐数据的传统方法是通过设立的验潮站和放置在海底的压强记录计直接获取。近年来发展的卫星测高技术为大面积提取潮汐信息提供了可能,其分潮的振幅精度和潮高精度已达到2cm以内[6]。除利用海洋动力学方法外,更加广泛使用的方法是采用调和分析进行潮汐预测预报,在已知调和常数后,可以通过式(1)推算出任意时刻的潮位,并实现可视化的预报[7]:



    式中,A0是平均海平面在潮高基准面上的高度;f是分潮的交点因子;H和g是分潮的调和常数;σ是分潮的角速率;v0是分潮的格林威治天文初相角,决定于推算的起始时刻;u是分潮的交点订正角。

    3) 潮流是海水在引潮力作用下周期性的流动,潮流数据是海洋三维空间中的流向和流速。目前,常规的潮流观测主要有以下几种方法:

    ① 在研究海域布设锚锭浮标或潜标的定点连续观测方法;

    ② 在研究海域放置漂流浮标,并通过卫星对浮标的漂流轨迹进行跟踪的漂移测流方法;

    ③ 利用船只进行断面走航式测流方法。观测仪器包括海流计和声学多普勒流速剖面仪等。潮流数据的获取除了现场测量以外,还可结合海洋动力学模型进行数值模拟,形成时空覆盖较为完整的流场资料。

    4) 海水的温(盐)度数据一般通过实测得到少量离散采样点的海水温度和盐度数据,然后结合潮流数据通过海洋动力学模型、质量守恒模型、海气界面间的热量和动量的交换模型等进行数值模拟,最终形成区域的海水温度和盐度数据,其误差一般在2℃以内[8]。随着遥感技术在海洋环境探测方面的应用,也可以通过卫星影像反演海面温度,反演的温度在无云时,超过75%的站点数据误差在0.5℃以内[9]。

    由于海洋内部包括潮流、温度、盐度等在内的环境要素的实测较为困难,成本较高,导致实际观测资料较少,空间分布不均,无法满足开展海洋研究和应用的需要,因此,基于海洋动力学方程并结合实测数据的数值模拟方法成为一种有效的获取海洋环境要素数据的方法。较为常用的海洋动力学数值模拟模型有POM(princet onocean model)、FVCOM(an unstructuredgrid,finite volumecoastal ocean model)、HAMSOM(hamburgs helf ocean model)、HYCOM(hybrid coordinate ocean model)等。其中,本文采用的FVCOM模型基于非结构网格和有限体积法,在近岸高分辨率及小尺度计算上优势明显[10]。式(2)和式(3)是其在笛卡尔坐标下作为核心的动量方程[11]:



    式中,x、y、z分别表示东向、北向和垂直方向;u、v、w分别为x、y和z方向上的速度分量;ρ为密度;P为压力;f为科里奥利参数;g为重力加速度;Km为垂向湍粘性系数;Fu、Fv分别为水平方向上动量的扩散项。

    1.3 海岛礁周边复杂环境要素的特点

    1) 海岛礁及周边复杂环境数据具有高动态性。海洋无时无刻不在变化,海洋数据也不可避免地具有动态性的特征。岛礁也不是一成不变的,特别是人类活动加剧了岛礁环境的变化。岛礁环境数据的变化又与海洋环境数据的变化不同;岛礁变化比较缓慢,而且通常是局部的;海洋则是时刻变化的,而且是全局性的变化。

    2) 海岛礁及周边复杂环境数据具有多尺度的特点。不论是地形数据还是海洋数据,在时间和空间上的分辨率和尺度都不尽相同。海岛礁及周边复杂环境的尺度变化范围非常大,在空间数据表示时,也通常会采用多细节层次(LOD)进行表达,即建立多尺度表示模型。

    3) 海岛礁及周边复杂环境数据具有海量性。海岛礁及周边复杂环境数据要素众多,各种要素又具有时空变化的特点,对于任一时刻、任一尺度下的任一三维空间位置,均有复杂的环境要素自身发生变化,并和其他要素进行交互,且随着天空地一体化遥感技术的不断发展,以及国家对包括海洋在内的地理国情监测体系的日趋完善[12],时空数据在时间和空间上的分辨率会越来越高,数据量将呈指数级增长。

    4) 海岛礁周边复杂环境要素的数据还存在来源的多样性,包括实测数据、历史GIS数据、航空航天遥感数据、海洋数值模拟数据等,由于来源不同,导致数据类型各异,包括点集合数据、矢量数据、栅格数据、场数据等。

    2 海岛礁及周边复杂环境动态三维表示

    通过对海岛礁及周边复杂环境要素的特点进行分析可以发现,其最重要的特点是高动态和多尺度,即在空间上是涵盖各尺度并且是三维立体的,在时间上是动态变化的。因此,建立适合海洋环境表示的时空数据模型是海洋动态三维建模的基础。这就需要一种支持海洋高动态的多尺度时空数据模型作为最顶层的结构,能够同时支持多尺度和动态变化的建模与表达。

    2.1 现有的时空数据模型分析

    1992年,Langran在其博士论文中引入时间概念[13],随后通用时空数据模型迅速发展,出现了时空立方体模型、序列快照模型、基态修正及其扩展模型、时空复合模型、基于事件的时空数据模型及其扩展、面向对象的时空数据模型、基于图论的时空数据模型等。但是以上通用时空数据模型都是在陆地应用中发展起来的,还不能满足海洋环境数据高动态和多尺度的要求。近年来,众多Q学者针对时空数据的特点,在动态三维建模领域进行了有益的探索和研究[14,15]。但现有的模型中主要针对单一的时空对象或过程进行描述和表达,缺乏多尺度描述以及对复杂对象内部和不同对象间相互作用机制的描述,尤其是在涉及海洋内部及海岛礁的复杂交互现象时(如海洋在海岛礁周边随时发生的覆盖、形变、分离或破碎等情况)。由于缺乏这些描述,相关时空数据分析、挖掘、快速参数调整、实时可视化与辅助决策等受到一定限制。

    2.2 面向可细分对象的数据模型

    实体关系及面向对象的方法近年常用来对环境数据进行建模[16]。面向对象的时空数据模型能够对时空演变的各种变化进行描述,并且支持时空对象的演变测量和拓扑关系的确定[17],因此,面向对象的数据模型十分适用于对高动态的对象进行建模。但海洋环境要素除高动态外,还存在尺度变化大及与其他对象交互频繁的特性。

    海洋在大尺度上可视为单一对象,而在小尺度上与岛礁动态交互时,应细分为子对象分别进行交互。

    海洋环境要素由于其特殊性,除自身整体性质外,在中小尺度需要逐层细分为合适尺度的子对象,才能将海洋复杂环境要素的内部结构及其与海岛礁的交互过程进行分层分级的描述和建模。但在有限资源的条件下,对象不应直接由最小的“原子”组成,而应由上而下按照尺度、交互的细节程度、实时性要求等实际需要逐层细分。按照这样的思想,本文在面向对象数据模型的基础上提出面向可细分对象的数据模型(subdividable object oriented data model,SOODM),模型具有可细分的特性,细分后的子对象可以根据实际需要拥有完全独立的特性,使得其在不同尺度上的子对象间以及与外部对象可以进行交互。

    SOODM中对象的一般定义为:



    对象O至少由对象标识id、有效时间T内的细分对象标识集合S、空间位置索引PI、实体轮廓EP、各种属性A、对象固有的交互特性I表示;t1为该状态的起始时刻,t2为结束时刻。封二彩图1给出了SOODM的可细分对象的UML模型。

    由于对象细分后形成独立的子对象,不同尺度的子对象均可以具有独立的性质,因此可以根据实际情况选择完全不同的模型在不同尺度下分别进行建模,较好地支持多尺度表达,见图1。


图1 不同尺度上的子对象

    3 海岛礁及周边复杂环境动态三维建模的实现

    本文通过SOODM对海岛礁及周边复杂环境动态三维对象进行可细分对象建模,并选取舟山附近海域作为实验区,在Geoglobe等平台上进行了实验验证。

    3.1 海浪动态三维建模

    首先对海浪场景进行多尺度划分,为了满足海浪模拟的实时性与真实感的要求,采用了凸凹纹理映射和Perlin噪声相结合的方法,建立了多尺度海浪模型,并根据人眼对立体及运动的视觉感知特性进行优化,将海浪场景划分为3级共8层。封二彩图2表示的是视点从高到低的8层海浪的模拟效果图,其中彩图2(a)、2(b)、2(c)表示的是大尺度海浪场景,分别采用三种不同的网格精度绘制静态纹理,近似表示静态海面;彩图2(d)、2(e)、2(f)表示的是中尺度海浪场景,用凸凹纹理映射的方法生成法向量,对表面进行扰动,分别设置三种不同的运动速度,视点越低,速度越快,并且采用三种不同的网格精度进行绘制;彩图2(g)、2(h)表示的是小尺度海浪场景,用基于Perlin噪声的方法生成高度场,并采用两种不同的网格精度进行三维海面建模。

    3.2 潮汐动态三维建模

    随着潮汐的涨落,海岛礁与海洋间存在海陆交互,真实的海陆交互模型的核心是计算在潮汐影响下动态海岸线。首先将潮汐散点数据构造成具有拓扑关系的潮汐数据,然后根据潮汐三维面与海岛礁及周边海底地形进行实时交互,最后得到完整的动态三维潮汐面和岛礁地形交互的动态海岸线,实验结果如封二彩图3所示。

    3.3 海洋温(盐)度场动态三维建模

    本文对海岛礁周边海域温(盐)度场进行动态建模,建模结果如封二彩图4所示,其中彩图4(a)、4(b)为不同尺度中表达的海面温度场,为了有效地对海水内部温(盐)度场进行表达,采用线框法对整个海岛礁周边海域三维温度场及等温面进行建模表达,既能对整体温度场信息进行表达,也能直观地表示三维空间中的等温面特征信息。

    为增强提取三维等值面的通用性,将不同结构的对象剖分为四面体,再采用移动四面体(marching tetrahedra,MT)方法计算等值面。

    3.4 潮流场动态三维建模

    潮流场动态建模采用箭头法,通过直观、准确的方式表达潮流场的空间分布和时间变化。封二彩图5分别为基于规则和非规则分布的三维潮流场建模实验结果。

    3.5 海岛礁在周边复杂环境影响下的动态三维建模

    海岛礁在海浪及潮汐影响下的动态交互常见的方法有基于海洋矢量边界数据和基于卫星影像的海陆判断方法,这些方法都是通过海洋边界预先计算好陆地与海洋区域,然后通过海洋格网点坐标判断海陆区域。但是真实的海洋包括中尺度上的潮汐与小尺度上的海浪都是实时动态变化的,海陆边界也随之动态变化,若要得到准确的海陆范围,必须根据潮汐及海浪的动态变化进行实时的交互并建模。

    封二彩图6(a)中红色区域是岛上的低洼地区未进行交互前错误的淹没区。海陆实时交互并对近岸波平滑处理后,错误的区域被纠正,海陆交互区域也更加平滑,如封二彩图6(b)所示。

    4 结语

    海岛礁及周边复杂环境高动态及全局性变化是其最重要的特点,此外还涉及环境要素内部和要素间的交互作用,使得对其建模变得异常复杂。本文针对以上特点,提出了面向可细分对象的时空数据模型对海岛礁及周边复杂环境进行动态三维建模,能够有效地支持多尺度表达和动态交互,能直接应用于海岛礁测绘工程中海岛礁周边测绘数据和海洋数据的海陆一体化管理和表示,对今后合理开发和利用海岛礁资源,保护周边海洋权益也有着积极的意义。

    第一作者简介:李德仁,教授,博士,博士生导师,中国科学院院士,中国工程院院士,国际欧亚科学院院士。主要从事以RS、GPS和GIS为代表的空间信息科学的科研和教学工作。E-mail:drli@whu.edu.cn

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标签:海岛海洋GIS地理
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