海底地质地貌测绘技巧 -海底地质地貌测绘技巧与方法

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杨佳伟1，郭立新1,2,3，李明辉4，付燕飞1

1.上海海洋大学海洋科学学院；

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2.国家远洋渔业工程技术研究中心；

3.中国远洋渔业数据中心；4.海军出版社

【摘要】渔场地貌是分析预报渔情、选择渔业作业方式和选用渔具设备的重要依据之一。本文基于数字高程模型（DEM）和数字晕渲制图等技术，应用ESRI ArcGIS软件系统，通过实验方法选定DEM插值算法及阴影光源参数，制作了表现海底地形起伏变化特征及鱼类生物资源分布状况的渔场地貌图，实现了多源、多维和异构数据的融合。作为一项探索性工作，期望设计成果能够为今后相关产品研发和应用的提供有益的借鉴。

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【关键词】专题海图；海洋渔业；地貌晕渲图；数字高程模型；空间插值

一、引言

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在大陆架、海底高地、水下山脉和群岛和珊瑚礁等海域附近，浮游生物类饵料丰富，鱼类聚集而形成大范围的优质渔场。因此，掌握渔场海底地形地貌信息，对于准确分析预报渔情、选择捕捞作业方式、选用高效的渔具设备[1-2]，提高渔获产量等具有重要意义。

随着海洋科学研究和海洋经济的发展，传统的海图已不能载负日益增多的海洋要素信息， “一图多用”的传统海图已逐渐发展为“专图专用”的专题海图[3]，多样化、针对性强的专题海图制作也成为海图制图的一项重要工作，其内容丰富、表达方式灵活，可以多源、多维地表达制图海域的要素信息，出现了如海洋底质专题图、海洋光学数据专题图、海洋渔业专题图[4-6]等专题图。

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海洋渔场地貌图是一种新的专题海图。它应用了ESRI ArcGIS软件系统，采用数字高程模型（DEM）和数字晕渲制图等技术，实现了多源、多维和异构渔场数据的融合，通过阴影明暗变化直观地表现海底地貌特征及渔类生物资源的分布状况，将为海洋渔业生产、管理和科研等工作提供重要的基础信息支持。

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二、设计方案

海洋渔场地貌图设计方案是：采用ESRI ArcGIS 10软件系统，通过融合和处理矢量（海图、实测）数据、海底DEM栅格数据和鱼类生物（报表）数据，实现制图和输出（见图1）。

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图1 海洋渔场地貌图的设计方案示意图

首先，应用ArcMap软件模块，构建海底DEM模型，通过提取海图水深，补充实测水深，经过水位改正，统一坐标系和投影处理后，增加水下地形数据的密度，再进行空间插值计算，得到DEM数据，输出等深线数据和DEM栅格图；随后应用3DAnalyst软件模块处理DEM栅格图，通过设置光源参数，获取阴影效果图；然后，设计色带填充阴影，生成彩色DEM栅格图；最后，叠加DEM和阴影图生成基础地貌图，再融合海图岸线、陆部、DEM提取的等深线和鱼类生物等图层，进行符号化和整饰辅助要素，得到海洋渔场地貌图。

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三、海底数字高程模型的建立

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⒈渔场海底地形特征

制图区域内岛屿众多，海底地形复杂，具有水下岸坡、潮流冲刷槽和水下三角洲[7]等多种地貌。地形是形成渔场的重要环境因素，岛屿附近陡坡较多，带来深层海底的海流或潮流，使海域内海水肥沃，饵料生物丰富。

本文基于李军、贾俊涛、顾锦华、扈震[8]～[11]等近年来在利用水深数据构建三维海洋地理空间模型、改进内插算法和水陆地形地貌融合等方面的研究成果，从1:25万比例尺海图提取水深数据，水深点平均间距约1.2cm左右，即实地距离为3km，通过补充多波束水深数据，满足了构建精细化渔场DEM的基本需求。在图2中，空心点代表从海图上提取的水深点，实心点代表经过水位改正等处理、统一坐标系和投影后的实测数据。

图2 渔场内水深点的分布示意图

⒉渔场DEM数据的获取

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获取DEM数据可采用规则矩形格网或者不规则三角网方法构建多边形集合拟合海底表面的方法[8]。鉴于制图区域内水深点分布不均、不规则且（远岸）局部数量不足的情况，为较好地反映海底地形起伏，描述海底地形地貌，利用自然邻域法、反距离加权插值算法、克里金插值算法、样条函数插值算法等[9]分别进行了的实验，并根据实验结果分析和选择最佳效果的DEM，选定空间插值算法模型。

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在DEM效果图（图3）中，灰度梯度变化反映海底地形的起伏特征，浅色表示浅水点，深色反之。从实际效果上看：利用克里金插值算法所创建的DEM效果图光滑性和连续性最好；反距离权重算法次之；样条函数算法虽然保留了原始数据的准确性，但光滑效果欠佳；自然邻域算法得到的DEM也较为光滑，受到水深数据空间位置限制较大，生成的DEM区域最小，不适于完整地表达渔场海底地貌特征。显然，依据表现海底地貌的精细度和光滑度，克里金插值算法最能够精确描述海底地形的变化情况，具有较好的实用性，因而选定该算法生成的DEM作为基础底图。

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图3 四种空间插值算法的效果示意图

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三、晕渲图的设计

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晕渲图是一种利用阴影明暗变化特点和规律，将三维地形表面投影到二维平面上的地形图，能够直观、形象和生动地反映地形起伏特征[12-13]。传统晕渲制图主要采用直照光源、斜照光源和综合照光源等方法[14]。随着现代信息处理技术的发展，DEM数据已经成为目前制作晕渲图的主要数据源，通过计算机软件可以灵活地设置光源参数，改变海底DEM阴影及色彩明亮度，提高对渔场地貌起伏形态的表现力和立体显示效果。

本文利用上述原理，着重对方位角、高度角和Z因子参数等的选取进行了分析，方位角和高度角决定了光源的位置，对晕渲效果有着至关重要的作用，光源位置的不同，晕渲效果存在明显差异。Z因子是垂直比例因子，能增强阴、阳坡面明暗对比和改善三维立体视觉效果，影响晕渲图质量。

⒈晕渲阴影图的制作

晕渲阴影图是利用3DAnalyst软件模块下Hillshade工具制作的。通过分别设置方位角、高度角和Z因子等光源参数，生成多个阴影效果图，经对比选定最佳阴影图及其光源参数。

⑴方位角参数

方位角是指光源方向的角度。正北方向为0°基准，按顺时针方向，90º方位角为正东方向。在高度角和Z因子保持不变情况下，采用斜照光源方法，分别比较0°（正北）、45º（东北）和315°（西北）方位角光源的晕渲阴影效果（图4）。其中，在315°方位角时，光源最符合视觉感受习惯，同时纹理清晰、立体效果明显。

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 图5 三种高度角的阴影示意图

⑵高度角参数

高度角是指光源高出地平线的角度。高度角越大，阴影越少，亮度越高，纹理清晰度较差，立体效果减弱。以地平线为0°基准，系统默认值为45°高度角。图5是采用45°、50°和55°高度角时的阴影图，经对比可知：50°高度角的效果较好。

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⑶Z因子参数

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Z因子是用于转换高程值的比例因子。Z因子越大，描述地形越详细，山脊线也越突出，但也越失真。图6是当Z＝2、Z＝5和Z＝8时所获得的阴影效果图，Z＝5时的效果明显优于Z＝2和Z＝8。

图6  三种Z因子的阴影示意图

通过上述对比实验，根据黑白反差的阴影效果对比，可选定光源参数是：315°方位角、50°高度角和Z因子5，此时生成的晕渲图立体感明显，细节突出，效果较好。

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⒉填充色带的设计

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彩色晕渲是利用颜色浓淡、明暗对比表达海底地貌的特征，与传统海图和灰度晕渲海图相比，具有更强的表现力。彩色晕渲技术主要有：高程分层设色法、地貌类型分层设色法和地理环境分层设色法等3种[15]。

海洋渔场地貌图设计采用高程分层设色法，基于色彩对比和均衡的原则，色彩设计采用蓝色及过渡色系，以表示海底起伏的形态。在ArcMap软件环境中，根据等深区设置由浅至深的5个色带，并依次对DEM各等深区进行填充；再通过调整对比度和透明度，赋予图上各点最佳的光源值和色彩值，达到满意的着色效果。

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⒊数据融合与输出

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在数据融合与输出阶段，将彩色DEM图和阴影图进行叠加，生成基础地貌晕渲图；调入和符号化DEM提取的等深线、海图岸线数据和陆部数据，添加地名注记；再利用海洋鱼类数据库数据生成鱼类分布图层，添加图层并符号化；设置20′间隔经纬网，添加指北针等要素，完成海洋渔场地貌晕渲图（图7）的制作。海洋渔场地貌晕渲图通过灵活的表达手法和多样的表达方式，使海图更具有表现力、可读性，能直观反映海域内地形起伏变化特征及鱼类生物资源分布状况，其适用对象和用途具有较强的针对性。

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图7海洋渔场地貌示意图

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四、结论

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海洋渔场地貌图能够直观地表现海底地貌起伏变化特征，反映鱼类生物资源的分布状况，为海洋渔业生产、管理和科研工作提供重要的基础信息支撑。在制图过程中，通过实验比较方法：选定生成DEM数据的克里金插值算法及产生最佳阴影效果的（方位角、高度角和Z因子）光源参数；使用高程分层设色法设计色带填充DEM图，叠加阴影图生成彩色海底地貌晕渲图，具有较好的层次感和立体效果；通过添加DEM提取的等深线、海图岸线和陆部图层、鱼类生物资源信息等，实现了多源、多维和异构数据的融合与应用。

然而，由于原始海图资料比例尺较小，尽管补充了实测水深数据，但水深点仍然分布不均，局部密度不够，使得这些区域地貌晕渲质量和效果欠佳，同时提取的DEM等深线不够光滑，还需要人工处理；此外，还应增加图上的渔业（生物、环境等）专题信息，使成果日趋完善。

参考文献：

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[1]樊伟,崔雪森,伍玉梅,等.渔场渔情分析预报业务化应用中的关键技术探讨[J].中国水产科学,2013, 20(01):235-242.

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[2]冯春雷,李志国,黄洪亮,等.鱼类行为研究在捕捞中的应用[J].大连水产学院学报,2009,24(02): 166-170.

[3]周素娥.基于晕渲技术的新型专题海图制作研究--以“湛江港地貌晕渲图”为例[J].珠江水运,2016(19):42-43.

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[4]赵峰,王沫,刘涛.海洋底质专题图中底质要素表示方法研究[J].海洋测绘,2016,36(02):67-70.

[5]董月娥,刘显傅,张新海,等.GIS支持下的海洋光学调查成果专题图编制研究[J].海洋技术,2009,28(02):108-110.

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[6]郑巧玲,张胜茂,樊伟.海洋渔业专题图的研究应用现状[J].大连海洋大学学报,2015,30(03):340-344.

[7]刘杜娟,胡涛骏,黄潘阳,等.舟山海域海洋灾害地质因素分类及其分布规律[J].海洋湖沼通报,2014, (03):153-160.

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[8]李军,李海滨,申家双,等.水陆三维地形地貌融合应用研究[J].海洋测绘,2011,31(04):43-46.

[9]贾俊涛,翟京生,谭冀川.海底地形数据的格网DEM内插方法[J].海洋测绘,2003,(06):24-26.

[10]顾锦华,罗容,阎成赟.一种三维海洋地理空间模型构建与实验[J].海洋测绘,2012,32(02):46-48.

[11]扈震,杨之江,马振强.基于S-57标准的电子海图三维可视化[J].地球科学(中国地质大学学报),2010,35(03):471-474.

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[13]李少梅.数字地貌晕渲理论与技术的研究[D].解放军信息工程大学,2004.

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[14]陈艳丽,陈欣,魏兰.数字地貌晕渲光源的设置和应用研究[J].测绘与空间地理信息,2016,39(01): 91-93.

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【作者简介】第一作者杨佳伟，1993年出生，男，江苏南通人，硕士研究生，主要从事海洋三维地形研究工作；本文来自《海洋测绘》（2018年第3期），若其他公众平台转载，请备注论文作者，并说明文章来源，版权归《海洋测绘》所有。

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