Гидроакустика/Грид

Объемное изображение ЦМР дна на основе «грида» навигационной поверхности (2004)

«Грид» -- регулярная прямоугольная и треугольная сеть точек. Грид поверхности дна представляет собой «матричную» структуру, кото­рая неявным образом интерпретирует топологические зависимости между точ­ками рельефа, в которых были выполнены реальные измерения глубин.

Струк­тура данных в гриде во многом соответствует структуре хранения информации в памяти современных компьютеров, поэтому алгоритмы моделирования при соз­дании гридов достаточно просты. Несколько большую сложность представляют собой методы хранения информации в гридах при высокой плотности первич­ных данных. Основу «грида» составляют регулярно расположенные узлы сетки с известными значениями глубины (Z). Расстояние между узлами сетки по на­правлению плановых координат X и Y одинаковы и именуются размерностью «грида» (grid increments). Координата Z в узлах регулярной сетки формируется путем применения одного из многочисленных известных способов интерполя­ции от ближайших точек реальных измерений глубин. С другой стороны регу­лярная сетка включает набор ячеек «грида».

Типы сеток

Графические способы интерпретации сетчатых моделей («гридов»)

С точки зрения конструкции регулярной сети имеются два альтернативных способа интерпретации гридов: сеточная и матричная [31].

Преимущества грида:

1. Представляет ЦМР без необходимости ее дополнительной обработки.
2. Пригоден для анализа поверхностей.
3. Прост в хранении и манипулировании.
4. Просто объединяется с растровыми данными.
5. При визуализации способен наглядно демонстрировать главные особен­ности рельефа.

Недостати использования грида в качестве ЦМР:

1. Практически невозможно выделять экстремальные глубины, что осо­бенно актуально для гидрографических приложений.
2. Неспособность использования разных размерностей в едином гриде для отображения участков дна с разной расчлененностью.
3. Неэффективность хранения информации (избыточность узловых точек в районах с низкой расчлененностью рельефа).

Сеточная интерпретация

Сеточная интерпретация, часто именуемая при визуализации «проволоч­ной моделью», представляет «грид» в виде набора пространственных прямо­угольников, вершины которых имеют значения Z, соответствующие центрам ячеек «грида».

Се­точный грид имеет ячейку, центр которой совмещен с узлом регулярной сетки. Сеточный грид обеспечивает воз­можность создания непрерывной поверхности, в каждой точке которой глубина может быть представлена (рассчитана) в результате интерполяции.

Матричная интерпретация

Матричная интерпретации, которую иногда именуют «матрицей», представ­ляет «грид» в виде набора разновысоких ячеек, причем каждая ячейка имеет не­изменное значение координаты.

У матричного грида узел, как правило, расположен в центре ячейки. При этом глубина в каждой ячейке является неизменной. Такой матричный грид визуаль­но не обеспечивает представление непрерывной поверхности дна, однако, благо­даря простоте его создания, бывает удобен при использовании в определенных гидрографических приложениях.

Шаг

При использовании гридов большое значение имеет обоснованность задания его размерности, от величины которой зависят наглядность и точность представ­ления поверхности. Большая размерность грида ведет к потере существенных деталей рельефа. Наоборот, малая размерность хотя и обеспечивает детализа­цию при условии необходимой плотности исходных измерений глубин, однако, за счет существенной избыточности узлов грида ведет к значительному увеличе­нию объемов памяти, необходимой для хранения ЦМР.

Интерполяция

При использовании гридов-сеток огромное значение имеют используемые методы интерполяции, когда ставится задача получения глубин в точках с за­данными координатами. Существует множество математических способов ин­терполяции для обеспечения создания непрерывных поверхностей. Различают­ся методы глобальной и локальной интерполяции, у которых возможны точные и аппроксимирующие методики [13]. Далеко не все из методов интерполяции пригодны для использования в гидрографических целях. Особое место в ряду этих методов занимает геостатистическая интерполяция, более известная как «крикинг». Интерполяция по методу «крикинга» (Knging) имеет очевидные преимущества для гидрографических приложений по сравнению с другими ме­тодами, поскольку обеспечивает оценку точности при построении ЦМР, однако, она практически не используются в современных ЭГИС.

Визуализация

При практическом использовании гридов огромное значение имеют методы их визуализации. При этом наглядно обнаруживается взаимосвязь растрового и векторного представления ЦМР. Для визуализации грида может применяться гипсометрическая шкала вы­ сот, которая часто именуется просто «цветовая шкала». Сеточный грид может быть визуализирован как сеточная модель, которую часто называют также «про­волочная модель рельефа».

Проволочная модель может быть представлена в 2D/3D, однако она не всегда обладает необходимой наглядностью. Наиболее удачным методом визуализации сеточного грида является его цветное представление в соответствии с задавае­мой цветовой шкалой либо его монохромное изображение. Такое представление грида, возможное в варианте 2D/3D, очень напоминает растровое изображение.

Особенностью матричного грида для гидрографических приложений яв­ляется то, что узел такого грида чаще всего не располагается в центре ячейки, а является «плавающим» и зависит от задач съемки. Например, для решения традиционных гидрографических задач, связанных с обеспечением безопаснос­ти мореплавания и направленных в первую очередь на отображение на картах наименьших глубин, узел помещается в точку с наименьшей глубиной из всех возможных глубин, которые попали в ячейку матрицы. Для решения задач ин­ женерной гидрографии, связанных, например, с дноуглубительными работами и гидротехническим строительством, для представления ячейки матрицы выбира­ют, как правило, наибольшую или среднюю глубину ячейки.

Матричные гриды практически всегда представляются в растровом виде в соответствии с заданной цветовой шкалой глубин и отображаются в виде 2D. На­пример, в ЭГИС Нураск такое представление ЦМР выделено в отдельный метод, доступный как в режиме реального времени, так и на этапе окончатель­ной обработки и представления материалов съемки, получивший наименование «матрица глубин» (matrix). Матрица глубин может создаваться на основе дан­ных как ОЛЭ (однолучевой эхолот), так и МЛЭ (многолучевой эхолот). На этапе окончательной обработки и представления материалов матрица глубин может быть заново создана на основе TIN-модели с использованием меньшего размера ячейки грида, обеспечивая тем самым более наглядное изображение поверхности дна. Матрица глубин всегда может быть преобразована в файл регулярной сетки глубин.

Литература

• Ю. Г. Фирсов "Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров"