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美国海岸测深和地形结合技术的无缝填图规则

2017-10-12 16:52:30 来源:中国矿业报 作者:王铭晗

美国国家海洋和大气管理局的一个机构——国家地球物理数据中心与美国地质调查局的地球资源观测和科学中心两者开展合作研发了本文所述的可持续规则,为美国海岸带建立准确、一致和无缝的测深-地形数字高程模型(DEMs),这些DEMs未来将免费供公众使用。正方形单元“光栅”模型是最常用的模型,该规则正是针对这种模型的,而不是不规则三角网(TIN)或其他类型的DEMs。

正方形单元海岸DEMs有很多用途,包括海岸洪灾模拟、海岸变化分析、栖息地测绘和地球可视化。为了支持由多个政府机构、学术界和商业部门建立海岸DEMs的无缝融合,需要在一个明确的框架内研发这种DEMs,框架包括关键DEM要求和建议,以及支持发现、获取和使用的一致文件。

本文所述的正方形单元海岸DEM将被进行测试、审查和改进。目标是为美国建立可持续的框架,使美国海岸地区的无缝、可合并和公开的测深-地形高程模型得到共享开发,以响应总统的国家海洋政策。该框架需要:

1.定义必要的关键海岸DEM规格,以支持DEMs的无缝融合。

2.为数据处理、DEM开发和DEM评估提供建议和最佳方案。

3.作为最新发布公共高程数据的海岸DEMs,描述其有效升级所需的技术。

4.确定文件要求,以获取重要数据处理和DEM开发步骤(例如,符合标准的元数据记录和空间元数据)。

5.确定今后改进的地方,例如数据采集和处理的差距,数据传输的改进,合作和协同可以提高DEM精度和范围的沿海区域。

美国海岸DEM的规则

表1列出了几个关键海岸DEM规则,这些关键规格是美国海岸正方形单元、公共模型需要遵循的,以确保由不同小组或机构建立的海岸DEMs在单元基础上保持一致。不一致的DEM将无法作为海岸和测深高程的全国性无缝填图的一部分被融合。

投影:正方形单元海岸DEMs应该在当地通用横向墨卡托(UTM)区投影或地理坐标(即,未投影;表1)中。对于海岸线的高分辨率、米级模型,当地UTM区投影是最合适的。对于延伸离岸更远的低分辨率DEMs,地理坐标是最合适的。因为这两种模型之间的正方形单元栅格转换(模型之间的正方形单元不一样)会引起失真,应尽量减少这种转换。

单元大小:UTM区DEMs的单元大小应为1米或3米(表1)。海岸DEMs的地理坐标单元大小在1/9弧秒到9弧秒之间(表1)。三个步骤的因素将有助于确保相同坐标系下不同单元大小的海岸DEMs之间的一致嵌套(即,同样单元大小的9个单元在下一个较粗单元模型中,它们将作为一个单元而有相同的地理足迹)。

海上覆盖范围:每个连续的、较粗海岸DEM都应向海上延伸(表1,图1),以便测深数据密度和单元大小之间有粗略的对应关系(例如,在更深水域中,测深的间隔加大)。表2列出了这些“可伸缩”地理DEMs的大概海上覆盖范围。1弧秒的地理DEMs应向外延伸至大约500米等深线,大致相当于大陆架边缘。3弧秒的DEMs应向外延伸200海里,到达美国专属经济区(EEZ)的边界;而9弧秒的DEMs应包括离岸更远区域的深水,如大型海洋生态系统(LMEs)、小海盆(例如墨西哥湾)和美国外大陆架(ECS)。

表1 海岸DEM的规格

网格配准:UTM区和地理海岸DEMs应由单元的角来定义,也称为基于像元或单元的配准(表1)。这将有助于确保海岸DEMs与美国地质调查局国家高程数据集(NED)实现无缝合并。对于NAD83水平基准面和NAVD88高程基准面,NED地形分别在1/9、1/3和1弧秒的单元大小中可获得。像元配准也将更好地实现海岸DEMs和相应彩色浮雕图像的互联网传输。

水平基准面:美国海岸DEMs的水平基准面将使用1983年北美基准面(NAD83,表1)。此基准面与1984年全球世界大地测量系统(WGS84)几乎相同,而对于地理DEMs,认为这两种基准是相同的。

高程基准面:更高分辨率DEMs的高程基准面将使用1988年北美高程基准面(NAVD88,表1),通过由国家大地测量局开发的最新大地水准面模型来实现。因为在单元水平上的高程不确定性可能超过正高(即NAVD88)和各种潮基准之间的偏移量,所以低分辨率模型应参考“海平面”,从而避免需要建立一个共同的高程基准。

边缘精度:每个UTM区模型的边缘/边界范围的精度以米为单位,应能被3整除(即结果必须是整数,没有余数,表1),以使单元对齐并支持DEM合并。为了确保不同开发者所建海岸DEMs之间的一致性,每个地理模型的边缘精度需限定于经度和纬度的两位小数(即0.01度/36弧秒,表1)。

高程精度:海岸DEMs中高程值的精度应适当限于海岸DEM的分辨率,以避免超过必要的更高精度DEM(表1)。对于单元大小为1米的UTM区DEMs,高程精度限定于0.01米。对于单元大小为3米的UTM区DEMs以及1/9、1/3和1弧秒的地理DEMs,高程精度应为0.1米。对于3和9弧秒的地理DEMs,高程精度为1米。低分辨率全球模型(例如,30弧秒单元)应具有10米的高程精度。

多时相:UTM区海岸DEMs应包括多时相方面,多时相可实现高分辨率海岸变化分析(表1)。为了支持多时相,需要明确记录用于建立每个模型的元数据的调查日期和地理足迹,从而使模型之间的时空差别可以量化。虽然老版本的海岸DEM应被存档和公开访问,但地理海岸DEM没有明确的时间,因为它们通常反映了“最可靠”元数据。

地表类型:海岸DEMs需要表示裸露地表或“裸地”,来支持水流模拟。建筑物、树木和其它地上或地下表面不应在模型中表示,并需要从源高程数据集中移除。如码头和水坝等大的固体结构可能要排除,这些结构对于水流是不可透过的障碍。记录应识别DEM中所表示的任何结构。

公众获取和使用的限制:公众访问使用该框架的正方形单元海岸DEMs过程中不应该有任何限制,而不是“不能用于导航”(表1)。对衍生产品(即,DEMs)限制使用和公众传播的专有数据不应用于海岸DEM开发,除非数据所有者书面同意DEM可以没有限制完全向公众开放。

对未来DEM的考虑

目前,高程基准面限制了河流和近海的延伸。建议能够将高程基准面的空间覆盖范围扩大到更远的内陆/河流和更远的海上,以及美国其他沿海地区(如阿拉斯加和夏威夷),这样就能增加这些区域潮汐基准中高程数据的高程基准转换和所得海岸DEMs的精度。□

图1 DEM单元嵌套的例子

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