水下地形图失真分析与控制

严桂强
（广西梧州航道管理处 广西梧州 543002）

【摘　要】　分析造成水下地形图局部失真的主要原因，探讨有效控制水下地形图失真的办法。
【关键字】　水下地形图 失真

　　1 前言
　　水下地形图属于大比例尺专业地图的一种，是航道图的重要组成部分。但由于客观上存在和技术上暂时难以有效解决的原因，即使是各项指标均满足测量规范要求的成图，仍然存在局部失真，这给水运工程规划、设计、施工、验收和科研等带来诸不便。在现行的规范中，也默认了该情况的存在，“对水下地形图的质量的检查是以检查线与主测深线相交（或图上距1mm以内）的水深值对比值来评定的，允许限差为该水深值的4%，参比对点的符合率若大于75%则认为合格。”然而如何有效控制水下地形图的“失真”，提高水下地形图的质量，仍是值得我们探讨的问题。
　　2 水下地形图失真原因分析
　　2.1 测量误差的存在
　　测量必然有误差的存在，存在测量误差就有可能引起“失真”。而对于测点本身，只要将测量误差控制在规范限定的限差内，由此而引起的“失真”是规范所容许的。如果测量误差（在滤波与配置中称之为“噪声”）能控制在限差范围内，其对内插值（或推估值）造成污染引起的“失真”也是规范所容许，所以此类型“失真”虽然客观上存在，但多持容忍态度，不认为是“失真”。
　　2.2 测量方法存在的局限性
　　在水下地形测量中，由于地性线（即地形变化线或拐点）无法象陆地地形测量一样容易捕捉到，因此只能采用断面取样法实施。即以一定的距离间隔，垂直或平行于岸线布设测量断面线，并在测量断面上选取测量值。遵照该测量方法，在测量断面线上的拐点一般都可以捕捉到，而与断面线垂直方向的拐点就容易遗漏。只要是采取该测量方法，问题就必然存在，而且随着测图比例尺减小测量断面间距的增大，问题更为凸现。将没有充足表述地形特征拐点的数据集合作为后续编图全部依据，就可能造成成图失真，这是造成局部失真的最主要原因。
　　2.3 样点的选取对成图失真影响分析
　　今假设有某一区域，按照以上测量方法得到8个样点，并遵照成图原理作出描述曲线。一般地，描述曲线是对真实地面的概括与综合（曲线拟合、滤波平滑过程），概括与综合的依据是所选定的样点。就目前的成图软件，无论采用何种数学模型，得到的描述曲线区别不会太大，如图1地面曲线和描述曲线对比图。

图1 地面曲线和描述曲线对比图

　　显然，对于地形变化忽略不计，视为平坦的区域（图中3-4区间），无论样点怎么选取，是否选中拐点，均能比较完整地把要表示的地形地貌描述清楚，即不存在失真，除非在其相邻的区间里有足以影响到该区间的拐点存在。
　　对于地形变化均匀，控制区域内地形坡度值为一定时（图中6-8区间），虽然选择的样点不一定是拐点，区域内的任何点似乎无法代表其所在区域，但在实际成图时，该区域的地形特征能够与周边地形值通过内插后，将该控制区内的地形特征全部准确表达出来，该情况下也不会造成失真。
　　若未选中拐点，而且该区域内有一个或多个拐点时，（图中1-2区域；4-5区域），或者该区域相邻区域内存在足以影响到该区间的拐点（图中2-3区域），由图可知，根据选择的样点而作的描述曲线显然和地面曲线偏差较大，此时若偏差超过了限差，则可判断为失真。
　　有时即使选中拐点，而且该区域内有一个或多个拐点时，（图中5-6区域），由图可知，描述曲线和地面曲线偏差也可能超过限差，同样会造成失真。
　　另外还有一种是存在陡坎又没选中拐点，或即使选中拐点，发生失真的情况几率也很大，有时甚至是完全失真。
　　对于前两种情况，一般出现在泥沙卵石底质河床区域，后三种情况一般出现在礁石底质河床或岸边区域。也就是说对于泥沙卵石底质河床区域，失真的概率是比较小的，而礁石区和河岸附近失真的可能性就相当大了。
　　此外，如图2不同取点地面曲线和描述曲线对比图可知，所选取的样点位置不同，各自得出的描述曲线就有比较大的区别，何况在实际测量中，还受到样点选取是否均匀等等因素的影响，得出的描述曲线也将更不确定。

图2 不同取点地面曲线和描述曲线对比图

　　2.4 等值线勾画不确定性造成水下地形图失真
　　参见图3等值线勾画不确定性图，图中各测量值是相同的，而根据这些数值可按照a、b、c、d等4种（其实还存在多种可行性）勾画2米等值线，从理论上判断都是正确的。但根据所勾画的等值线a，c中阴影部分判读出来的高程应该在1.5 m～2.0m，而b，d中阴影部分判读出来的高程应该在2.0 m～2.5m，实际上地形是唯一确定的。也就是说，碰到该情况就有可能造成失真。

图3 等值线勾画不确定性图

　　2.5 成图编辑，也会造成失真
　　目前的成图软件，多以三角网法将采集到的水深数据组成三角网，然后按距离分点内插等值线，样点间坡比一定值时是完全正确；而当两样点间存在不同坡比时就不正确了。其次，由于水下地形缺乏直观性，无法考虑地性线，组建三角网时就会出现有三角形边“架空”或者“贯穿”于地面。在后期的编辑成图时，为了达到等值线顺滑、美观效果，对等值线作一定的修改这都会造成失真。
　　此外，鉴于目前对如何建立水下地形的数字模型研究理论水平有限，因此在把握不大的情况下，一直延续下来的观念是采取较为保守的做法，由此人为主观造成失真。该做法往往夸大了某些部位，这种失真在某些用途是没太大影响的，但对于某些特定要求，例如在科学研究中就有可能因此而得到不正确的结论。
　　3 有效控制水下地形图失真的办法
　　控制水下地形图的局部失真是提高水下地形图质量的重要组成部分，但由于影响因素众多及其存在不确定性，因此就目前来说是无法根本消除的，只能依靠实践经验，在技术处理措施上下工夫，尽量避免失真。
　　3.1 外业采集数据时突出重点
　　为克服测量方法存在的不足，宜对重点区域进行局部加密测量和垂直于测量断面线布设一定的检查线，这是目前控制局部失真的最有效办法。通过对重点区域进行加密测量，可以捕捉到尽可能多的必要拐点，为后续成果整理提供更多更真实的依据。而通过布设一定的检查线不仅可以作为整个测量成果质量检验评定依据，而且在一定程度上确定等值线的走势，减少等值线勾画的不确定性。
　　然而，该方法将增加外业工作量，往往不易被接受。
　　3.2 采集水深逐点筛选法
　　在外业测量点取样中，测深线上的水深值采集间距相对较小，可认为是连续的。因此在内业时，只要细心认真，对采集水深取样点逐一筛选，均可取到拐点。该方法效果较好，但工作量大，成图会因为取点不均匀而欠美观，只有在作业任务量较少时才适宜采用该办法。
　　3.3 样点三次筛选法
　　样点三次筛选法即在内业数据处理时对样点进行三次筛选：第一次为加密取样，按照成图比例要求的3～5倍数据量进行水深数据采集，并进行水位改正，然后用此数据集生成等值线。第二次为正常取样，按照成图比例要求的数据量进行水深数据采集。第三次为筛选取样，在编图平台上同时调入第一次取样数据生成的等值线和第二次正常取样采集的水深，然后综合观察等值线和水深值，对两者存在较大矛盾的地方重新进行水深样点筛选。
　　由于该方法第一、第二步具有批处理的特点，工作效率很高，第三步虽然工作量比较大，但是在编图平台上进行作业，相对于采集水深逐点筛选法，其效率仍是很明显的；而且直观明了，在第三次水深样点筛选时还能充分考虑到其附近的所有点，取点更为合理；水深值取点相对均匀，成图美观；所生成的等值线使用的数据相对较多，可以有效控制因等值线内插不正确和勾画的不确定性引起的失真。
　　3.4 参考旧资料
　　旧资料一般只能作为参考，毕竟旧资料反映的只是测区以前的地形地貌，随着时间的推移，地形地貌肯定会发生不同程度的变迁。但在特定情况下，旧资料还是有很高的参考价值的。如本单位辖区范围内的各江河，随着各水利枢纽的相继建成（或即将建成），未形成库前的测图资料，图内许多原按陆上地形测量的区域今后将变成了水下地形测量方法进行。也就是说，对于形成库区后的测图，通过新旧测图的对比，可以找回处于测量断面间而被遗漏的拐点。
　　3.5 文字和表格补充说明
　　地图符号毕竟只是地形地貌的抽象化表达，其表达的内容和含义相对有限，对于复杂的地形地貌，是完全描述出来的。对于重点区域（如航道内）、特殊情况（碍航礁石）等需要更细致描述的部位，在图内加插必要文字和表格进行补充说明能达到非常明显的效果。
　　4 结论
　　水下地形图局部失真可以采取一定的技术措施加以控制，但是实际应用中也应该充分认识到局部失真的存在必然性，对最可能存在失真的局部，在尊重成图的基础上，应持一定的怀疑态度来使用，避免因局部失真的误导而造成不必要的损失。

【参考文献】
[1] JTJ203-2001.水运工程测量规范 [S]
[2] 梁开龙.水下地形测量[M].北京:测绘出版社，1995
[3] GB/T 18316—2001.数字测绘产品检查验收规定和质量评定
[4] GB 12327-1998.海道测量规范