許世城，盧 美，方琛亮，王 挺

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

海浪等值線圖，是將海浪站的觀測數據進行處理分析繪制生成等值線，再進行彩色渲染后生成的用于研究海洋表面海浪分布規(guī)律的圖形。它是進行海浪空間特征分析的強大工具，在海洋災害預警分析上有著廣泛的應用。

SuperMap是由北京超圖公司開發(fā)的一套大型地理信息系統(tǒng)軟件，功能強大，性能較高。本文將Supermap Deskpro作為海浪等值線圖計算生成的主要工具。

1 海浪實況數據表示方式—等值線圖

等值線圖是將相同數值點連線用來表示連續(xù)分布且逐漸變化的數量特征的一種圖型。在海洋災害預警中，用戶需要了解海洋表面或海區(qū)平均海浪高的情況，常采用等值線圖來表現(xiàn)。

2 海浪原始數據的分析和處理

在生成等值線之前，需要對原始數據進行一定的處理，如坐標變換、規(guī)則化、抽稀等。本文采用的規(guī)則網格數據是東中國海區(qū)域等間距的規(guī)則網格，與浙江省海洋局采集的海浪數據坐標取值相同，采用球面坐標系，坐標固定，無需進行變換;研究的海浪原始數據是規(guī)則格網，不需要進行規(guī)則化，其數據格式為:x(經度)，y(緯度)，z(浪高)。

規(guī)則網格數據呈矩陣分布，一般無需直接給出所有數據值。因此只需在文件頭給出網格的空間坐標范圍 (經緯度范圍)、網格行數、網格列數、網格數據屬性值編號范圍等，在文件內只要給出每個網格點對應的屬性值 (如海浪浪高)即可。

本文研究的規(guī)則網格數據格式如下:

本文研究的海浪計算范圍為 105°E—155°E，10°N—45°N，經度橫跨50°，緯度跨35°，網格間距為0.1°，因此，所需計算網格點數量為501×301。然而，501×301的網格點數據較多，雖然以此生成的等值線圖精度更高，但導致海浪等值線圖生成效率低，海浪等值線圖需要在海洋災害預警輔助分析系統(tǒng)中應用，如此低下的計算效率顯然無法滿足實際需求，所以需要對原始數據進行處理，優(yōu)化等值線圖生成的算法。本文采用的是網格抽稀方法，它是將網格間距從0.1°增加到0.4°，這樣所需計算的網格點數量就只有126×76，較之前可以大幅度提升計算效率。

3 等值線生成的理論基礎

在等值線繪制中，一般采用下列方式描述已知的數據點:

X為點的經度，Y為點的緯度，value為這一點上的屬性值(密度、溫度、鹽度等，本文表示的是海浪高)。

在函數P(X，Y，value)中，對于每個給出的數值value，其圖像都可以用z=f(x，y)來表示，這是一條平面曲線，也就是等值線。通過改變z值可以得到許多等值線 (本研究取海浪高2.5，3.5，5.0，6.0，9.0m)，將這些等值線投影到一個與XOY面平行的平面上，可得到一幅等值線圖。因此，等值線圖具有如下特性;

(1)等值線通常是一條光滑連續(xù)曲線;

(2)同一屬性值的等值線數量有可能大于1條;

(3)由于定義域是有界的，等值線可能閉合，也可能不閉合;

(4)等值線一般不相互交叉。

例3 如圖10，在Rt△ABC中，∠ABC=90°，AB=8，BC=6，四邊形DEFG是△ABC的內接矩形，點E，F(xiàn)分別在邊AB，BC上，點D、G在邊AC上，H是矩形DEFG對角線的交點，求線段CH長度的最小值.

將不同數值的等值線繪制在一張圖上，就會產生多條等值線。本研究中，對所有等值點進行逐個遍歷，找出具有給定屬性值的所有等值線，而要達到一條等值線都不遺漏，必須有一個全面合理的方法。

本文采用網格序列法生成等值線，通過將原始海浪數據構成空間網格，再按網格單元的排列次序，逐一處理每一單元，尋找每一單元內相應的等值線段，處理完所有單元后，就生成了該網格中的全部等值線。本研究的數據屬于規(guī)則網格數據，采用矩陣網格法，算法簡單，生成等值線速度快。

4 海浪圖計算步驟

4.1 網格數據預處理

網格數據預處理包括網格數據抽稀以及特殊網格點的處理。特殊網格點指無效點，如陸地點，由于陸地不需要進行海浪計算，在計算之前需要通過空間分析方法將位于陸地上的點進行分析排除，最后的規(guī)則網格經過抽稀及特殊點處理后將是類似于此種形式，未編號的位置表示處理過的點:

處理之后的實際網格數據見圖1。

圖1 處理之后的點陣數據圖

4.2 帶Z值的高程點陣的生成

帶Z值的高程點陣的生成比較簡單，主要是通過便利網格數據的方式對點陣進行賦Z值。

4.3 高程點生成DEM

DEM，即數字高程模型，用一組數值陣列來表示地面要素變化 (可以是高程、風力、海浪等)，是一種實體地面模型。

通過高程點生成DEM，主要是依靠高程內插來完成。高程內插算法有:分塊內插、剖分內插和單點移面3種。分塊內插:首先將研究區(qū)域按一定的方法分塊，然后對每個分塊進行曲面擬合和高程內插，再將所有分塊進行無縫拼接生成DEM。剖分內插:用通常不規(guī)則的平面格網完全覆蓋數字高程模型的水平投影。這種不規(guī)則網包括不規(guī)則三角網 (TIN)、四邊形及其他泰森多邊形等，一般不考慮剖分間的平滑問題。單點移面內插:需要判斷移面內有否突變，如地性線等。若移面內含有地性線，應按地性線再分割，直到不含地性線為止。

4.4 DEM構建等值線

生成DEM之后，需要根據高程點以及DEM來提取等值線。等值線的提取主要分3步:①等值線參數確定;②等值線連線;③平滑處理。一般來說等值線參數主要包括基準值、等值距，但由于海浪圖的特殊性，等間距的等值線并不能滿足需要，應根據海浪特征將海浪值取5個屬性值:2.5、3.5、5.0、6.0、9.0。等值線的繪制是通過對屬性值的追蹤來進行的。通過給定的每個屬性值，根據上一步生成的DEM以及網格數據從左至右、從上至下遍歷，將屬性值相同的高程點用曲線連接繪制成等值線，最后是對等值線進行平滑處理，本文采用B樣條法。B樣條法以4個屬性點為單位，連接1、4兩點，在2、3位置附近擬合，既能保證等值線擁有較高的生成效率，也能保證其具有良好的光滑性。根據不同屬性值生成多條等值線后繪制在一個平面上則構成了等值線圖。

4.5 等值線填充并生成專題圖

等值線能清楚地反映海浪高度分布情況，但單一的等值線效果并不明顯，需要通過顏色填充的方法對等值線圖進行渲染，使海浪分布情況更加清晰明顯。等值線彩色填充，是對研究范圍的每一個點填上不同色彩表示不同的數據值。本文對屬性值2.5、3.5、5.0、6.0、9.0的像素點分別填充淺藍、淺黃、橙黃、橙色、紅色等，達到良好的視覺效果。生成的效果圖見圖2。

圖2 最終生成的海浪圖

5 結語

本文通過對規(guī)則網格海浪數據進行研究分析建立算法，初步實現(xiàn)了海浪等值線圖的繪制，并在海洋災害預警輔助分析系統(tǒng)中得到應用。但由于研究時間及條件有限，還有一些不足之處，有待進一步研究。首先，在海浪圖繪制方面采用的是抽稀的規(guī)則網格數據格式，并沒有對不規(guī)則網格數據進行研究，繪制精度也有待進一步提高;其次，本文研究的數據是從相關業(yè)務部門的數據庫提取所得，因此數據在實時性上存在少許偏差。

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