作者信息
崔晨耕
（西安航空职业技术学院，陕西 西安 ）
“海底水深对于海底地形测量、航道安全、海底矿产资源探测非常重要，需要定期进行海底水深探测，但由于受到海洋环境、天气状况、测量手段等限制，每次测量水深的位置、数据量等存在差异，无法准确确定海底水深变化。为获得测区海底水深变化，提出一种水深值格网化断面提取分析法，该方法先对水深值整体格网化，然后提取任意位置水深剖面，再将多期水深剖面值对比获取水深变化。该方法不受测量位置和数据量的影响，能获得测区内任意位置水深剖面图，能确定水深变化量值。实验表明：该方法能够显示海底水深现状及变化，是一种实用和有效的新方法。
海底水深；探测；格网化；剖面图；变化
P.1A-（）04--04
”引文格式：崔晨耕.海底水深变化分析方法研究[J].地理信息世界,,26(4):84-87.
正文
0 引 言
海底水深测量是一项基础性海洋测绘工作，海底水深反映了海底地形地貌，在海底地形测量、海底沉积物迁移变化、水下航行安全、环境监测、海洋工程、矿产资源探测等方面发挥着重要作用。水深测量初期主要采用人工借助测深杆或者测深锤的方式，随着超声波回声测深技术的出现，产生了单波束或多波束水深探测技术。目前，水深测量技术主要采用单波束或多波束探测技术与GNSS定位技术相结合的方式。多波束测深系统是近年来飞速发展的一项全新的海底地形精密勘测技术，该技术采取广角度定向发射和多通道信息接收，获得水下密度具有上百个波束的条幅式海底数据，具有全覆盖、高采样率、高效率和低成本等优势。多波束的探测利用测量船的航向，在测量船下方形成铅垂面，并形成若干波束，在声波区内，通过波束的发射和波束的接收形成波束脚印，并使收发过程作为脉冲，形成覆盖宽度测幅，测幅与海底覆盖宽度、噪声水平、海底反向散射形成函数，再利用各个角度声波的相位和到达时间进行计算，从而获得以测量船为中心的带状水深图。
为了获得海底水深变化，需要定期对海底水深探测，但是由于受到海域天气状况、测区环境、测量手段等因素限制，在广阔的海域内每次测量水深的范围不同、采集数据的位置不同、数据量等存在差异[7]。在衡量水深变化时不能直接差值计算，需要对区域内数据进行拟合、插值等，不能直接获得水深变化值。据此，本文提出一种确定区域水深变化的新方法，该方法通过对区域内的水深数据整体格网化插值，进行多期数据的差值计算和水深剖面提取，能够对相同范围内的区域水深变化进行准确对比，能够获得任意位置水深剖面图，本文对水深格网化原理和实验过程进行了详细分析，验证了该方法的有效性。
1 原理与方法
1.1格网化原理
格网化内插作为一种数据转换方法，在建立等高线、建立数字高程模型、三维展示等方面发挥了重要的作用，针对水深数据特点，将格网化方法应用于水深，具有理论上的可行性。格网化内插就是根据若干相邻参考点的值求出待定点的高程值，任意一种格网化内插方法都是基于原始表面起伏变化的连续光滑性，或邻近数据点间有很大的相关性，然后由邻近数据点内插出待定点的高程。根据插值点的分布范围不同，格网化内插可以分为逐点内插、分块内插和整体内插。整体内插的拟合模型是由研究区内所有采样点的值建立起来的，主要采用多项式函数实现，该方法存在的问题是不能提供内插区域内的局部特征，因此该方法主要适用于模拟大范围内的宏观变化趋势。分块内插是把参考空间分为若干分块，对各分块内使用不同的插值函数，这是由于实际数据表面的复杂性决定的，同时要考虑相邻分块的连续性，分块大小根据地貌的复杂程度和参考点的分布密度决定，逐点插值是分块插值的一种。结合海底水深实际，适合分块插值方法，分块插值中常用的插值方法有加权反距离插值法、克里金插值法、最小曲率插值法、最邻近点插值法、三角形剖分插值法、多项式回归插值法等。实验发现Kriging插值更适合水深数据，Kriging插值原理如下：
Kriging插值需要满足如下条件：
式中，E、C分别表示数学期望与方差，其中Δg是对插值半径内的点进行加权求和，λi表示权值。
利用拉格朗日乘数法可得计算式（3）：
式中，μ为拉格朗日乘数，C表示方差，一般用变异函数γ代替C计算，变异函数γ为：
式中，ｈ表示滞后距，Ｎ(ｈ)为滞后距个数。用如下方法确定滞后矩阵取值，设点集中距离最大与最小的分别为dmax与dmin，将dmax-dmin平均分为N(h)等分，以每等分的中点作为该距离对应的滞后距的大小，即第m个滞后距hm为：
通常以球模型拟合变异函数：
式中，C0表示块金值，C表示拱高，a表示变程。利用式（4）计算实际变异函数值，然后利用式（6）进行拟合得到理论变异函数，代入式（3）即可求出λi，最后根据式（2）得到插值结果。
1.2水深变化分析
水深变化分析主要过程如下：
1）确定范围。首先需要确定水深变化的范围，即水深值所在平面的范围，即（Xmin，Xmax）、（Ymin，Ymax），研究区边界4个方向的坐标分别为：(Xmin，Ymin)、(Xmin，Ymax)、(Xmax，Ymin)、(Xmax，Ymax)。
2）格网化。格网化的第一步就是确定网格大小，根据需要将研究区平面按X方向间隔m、Y方向间隔n，依次分割为m×n个单元格，设单元格边长为gx、gy，网格的大小可以用下式表示
网格大小确定以后，根据需要选择合适的插值方法进行格网化。
3）断面提取。对格网化后的水深拟合曲面进行断面提取，获取相同位置不同时期的断面图。
4）变化分析。对比相同位置不同时期的水深断面图，获得该位置水深变化，并据此确定所有位置的水深变化。
2 实验分析
为了获取南海某区域海底地形，对该区域进行了水深测量。测量船搭载了VeriposLD7接收机、HYPACK导航系统、DESO35测深仪、Octans运动传感器等。VeriposDGPS接收机内置L1/L2双频GNSS接收器，可利用VeriposPPP改正信息，通过单一或多个参考站计算并以NEMA格式输出位置信息。HYPACK导航系统具有测线导航和目标导航功能。Octans能为仪器提供测量船的方向、起伏、横摇角度、纵倾角度以及转向变化率和加速度等姿态参数。德国ATLAS公司生产的DESO35新型回声测深仪具有一个高频通道和两个低频通道，频率不同其测深范围和精度不同，DESO5测深仪主要技术指标见表1。
表1 DESO5测深仪技术指标
Tab.1TechnicalindicatorsofDESO5sounder
工作时，HYPACK导航系统实时接收DGPS接收机的定位数据、Range2Pro水下定位系统定位数据、罗经及DESO35测深仪数据，将定位数据归算到取样位置，进行导航解算，计算出航行参数，为调查船作业导航，引导调查船往预定目标航行，并将需要的定位信息记录在数据文件内。导航定位采用差分GPS定位系统，定位精度优于±5m；坐标系统为WGS-84坐标系统，采用UTM投影、中央经线为°E，时间采用GMT时间，测深仪选择kHz。出航前对所有测量仪器进行通电、保养和测试，对GPS接收机和Octans进行了试验和校准，确保仪器能正常工作并符合海上调查对精度的要求。在测量船航行过程中进行水深测量，不布设测线、不规定航速和航行方向。测区范围位于（°30′53″E，22°21′54″N）至（°47′00″E，23°33′42″N）之间，该区域在年进行过测量，测区范围与现测区大致相同，初测和复测两次水深值按照数据序列如图1所示，数据序列仅代表数据采样顺序。初测数据量为个，复测数据量为，所测范围相同，位置不同，疏密程度不同，在衡量数据量变化时无法准确对比。
图1 初测和复测水深数据
Fig.1Initialandretestedwaterdepthdata
为了表现水深的实际变化，基于MATLAB平台绘制了基于经纬度的水深三维显示，分别如图2、图3所示。
图2 初测水深
Fig.2Initialwaterdepth
图3 复测水深
Fig.3Retestedwaterdepth
对比图2和图3可以发现该区域两次水深大致相同，存在部分差异，但无法准确获得该区域水深变化。对比两次测区范围，初测实际范围为°30′52″E～°47′00″E，22°21′54″N～23°33′41″N，复测实际范围为°31′00″E～°46′00″E，22°21′55″N～23°25′58″N，两者测区范围大致相同，存在部分差异。为了获得该区域水深变化，需进行格网化分析。首先需要将格网范围定为两次水深共同的测区，即°31′00″E～°46′00″E，22°21′55″N～23°25′58″N，格网化内插的关键是确定分块网格大小，网格太大和太小都不利于表现水深，经过试验后将格网设置为26×，网格大小为0.m×0.m，采用克里金插值法进行格网化。结果如图4所示。
a初测水深格网化结果
aGriddedinitialwaterdepth
b复测水深格网化结果
bGriddedretestedwaterdepth
图4 格网化水深值
Fig.4Griddeddepthvalue
两次格网化时，格网大小以及数据范围都相同，但水深数量不同。若水深存在变化，格网化时就可以发现，通过对比上面的两个图，可以发现两期水深数据的格网结果存在差异，图4a和图4b的差异表现了该区域水深的变化。但通过上图无法准确获得准确的变化值，现在将两期格网数据进一步作差计算，得到格网化后两期水深数据格网点的差值，如图5所示。图中的差值体现了水深在数值方面的变换量，水深变化值主要在-2m～2m范围内，符合实际变化。
图5 水深格网点变化值
Fig.5Changesofgriddedwaterdepth
为了更清晰显示水深变化，对格网在平行于纬度方向分别等间隔提取3个海底水深剖面图，结果如图6所示，图中显示了经过格网化后海底断面形态，展示了海底状态，对比图6a和图6b可以获得海底断面变化。
图6 水深剖面图
Fig.6Sectionofwaterdepth
3结束语
海底水深测量和海底地形测绘对于开发和利用海洋资源十分重要，为了获得海底水深变化，需要定期对海域进行水深测量，以多波束水深探测技术为代表的新技术为获取水深提供了海量的数据，采用新的方法提取水深数据中的重要信息具有十分重要的意义。本文采用了格网化分析方法对多期数据进行统一分析，能够有效获得水深变化，能够获得海底断面状态，能够准确定位，是一种有效的方法。主要存在的问题是，格网化精度受到网格大小的影响，如何根据测区范围确定合理的网格范围是下一步需要重点研究的内容。
本期回顾
自然资源和国土空间规化
·生命共同体监评理论框架研究
·面向生命共同体健康的生态安全评价研究——以湖北省三峡库区为例
·国土空间规划辅助决策平台关键技术研究
·国土空间规划实施评估：概念框架与指标体系构建
·面向自然资源统一监管的地图产品设计
理论研究
·城市三元空间发展水平的特征及耦合关系研究——以广东省为例
·基于Landsat影像的雄安新区～年土地利用变化检测
·内陆水体叶绿素a浓度遥感监测方法研究进展
·基于最小累积阻力模型的土地生态安全控制区划定——以深圳市为例
·城市教育设施的可达性分析——以龙岗区小学为例
·面向微博签到数据的城市社区结构挖掘
·限制性因素约束下城市综合体空间配置潜力区挖掘
·基于TRMM和CMORPH的降雨数据对比分析研究
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