基于Matlab的水下礙航物可視化研究

王華強(qiáng)++王宇凱++王久

摘要：本文從介紹Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)插值功能和數(shù)據(jù)可視化功能著手，分析了Matab在水下礙航物三維可視化方面的技術(shù)應(yīng)用，重點(diǎn)研究了礙航物水深數(shù)據(jù)在Matlab中的三維表達(dá)以及空間分析應(yīng)用，論述了基于Matlab礙航物三維可視化研究的意義。關(guān)鍵詞：礙航物 Matlab 可視化 空間分析

1.引言

隨著現(xiàn)代海洋經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和海運(yùn)事業(yè)的不斷拓展，水下礙航物一直是影響海洋航行安全的重要因素。探測(cè)新開辟水域的海底地形，精確測(cè)量水下礙航物的位置和形態(tài)，是保障船舶航行、錨泊安全的必然要求。多波束測(cè)深系統(tǒng)目前已經(jīng)成為海底地形測(cè)量的主要工具，其獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，可以獲得厘米級(jí)分辨率的水深數(shù)據(jù)用于海底地形成圖。受多波束測(cè)深系統(tǒng)的物理特性影響，多波束測(cè)量獲取的水下礙航物水深數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大，分布不規(guī)則，點(diǎn)陣離散的特點(diǎn)。針對(duì)高密度水深數(shù)據(jù)的精細(xì)插值，一般可視化軟件需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的算法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而Matlab可以直接使用內(nèi)部函數(shù)來(lái)對(duì)散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)三維可視化制圖，并且能夠針對(duì)三維圖形進(jìn)行相關(guān)空間分析工作。

Matlab是由MathWorks公司推出的面向科學(xué)計(jì)算的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，主要運(yùn)用于矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等方向的研究，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析、統(tǒng)計(jì)、偏微分方程數(shù)值解、信號(hào)處理、圖像處理等諸多領(lǐng)域的計(jì)算和圖形顯示功能。Matlab使用C語(yǔ)言編寫，以向量和矩陣為基本數(shù)據(jù)單位，軟件內(nèi)包含有大量事先定義的矩陣函數(shù)，并且有很強(qiáng)的用戶自定義函數(shù)功能，可以通過(guò)設(shè)計(jì)高級(jí)算法來(lái)完成高性能數(shù)值計(jì)算，編程效率遠(yuǎn)高于其他語(yǔ)言，其程序的可擴(kuò)展性和可移植性也較好，可以與C、C++Builder、VB、VC等集成編輯環(huán)境和應(yīng)用程序進(jìn)行交互。

2.Matlab在礙航物三維可視化中的應(yīng)用

Matlab擁有一系列二維、三維繪圖函數(shù)和高級(jí)圖形命令來(lái)繪制計(jì)算結(jié)果，并能通過(guò)對(duì)圖形線型、邊界面、色彩、渲染、光線、視角等特性的處理將圖形特征完美呈現(xiàn)。Matlab還提供了句柄圖形命令，句柄圖形命令可以對(duì)圖形對(duì)象（例如線，面，文本框等）的屬性值直接進(jìn)行更改，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的顯示進(jìn)行精密控制。

2.1 繪制礙航區(qū)水深點(diǎn)云圖及等值線圖

通過(guò)多波束系統(tǒng)采集的礙航區(qū)水深元數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)后處理后，可以直接使用“l(fā)oad”命令導(dǎo)入到Matlab中，然后再利用scatter3（x，v，z）函數(shù)可以繪制出礙航區(qū)的水深點(diǎn)云圖。以2014年珠江口某次Reson 7101多波束掃海數(shù)據(jù)為例，原始數(shù)據(jù)為Caris Hips輸出的原始水深數(shù)據(jù)文件，load進(jìn)matlab后成為數(shù)據(jù)矩陣變量MB7101，二、三維散點(diǎn)圖（見圖1）的繪圖主要程序語(yǔ)句為：

subplot （1，2，1）；scatter（MB7101（：，1），MB7101（：，2），b.）；

subplot（1，2，2）；scatter3（MB7101（：，1），MB7101（：，2），MB7101（：，3）.b.）：

%MB7101（：，1）為數(shù)據(jù)變量的第一列；%MB7101（：，2），MB7101（：，3）為數(shù)據(jù)變量的第二、三列；%b.表示藍(lán)色散點(diǎn)圖。

2.2 生成礙航區(qū)格網(wǎng)水深數(shù)據(jù)表

在構(gòu)建礙航區(qū)三維網(wǎng)格模型時(shí)，通過(guò)多波束采集處理得到礙航物水深數(shù)據(jù)一般多為無(wú)規(guī)律的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，且分布狀態(tài)也不能滿足建模要求，為了使礙航區(qū)的三維立體模型更加精準(zhǔn)，Matlab針對(duì)離散點(diǎn)的繪圖需要先行進(jìn)行插值計(jì)算，生成新的規(guī)則分布的格網(wǎng)水深點(diǎn)。zi=Griddata（x，Y，z，Xi，yI，method）函數(shù)可以對(duì)原有的（X，Y，Z）數(shù)據(jù)在新的規(guī)則格網(wǎng)（xi，vi）上進(jìn)行插值生成新值Zi，采用的插值方式（method）主要有l(wèi)inear（線性插值），cubic（三次插值），spline（三次樣條插值），nearest（最鄰近點(diǎn)插值）等四種方式，默認(rèn)為線性內(nèi)插。繼續(xù)以上面的數(shù)據(jù)矩陣變量MB7101為例，為獲得等值線圖和格網(wǎng)立體圖（見圖2），其程序語(yǔ)句為：

[xi， yi] =meshgrid（min（MB7101（：，1）：2：max（MB7101（：，1）.min（MB7101（：.2）：2：max（MB7101（：.2）））；%生成新的規(guī)則網(wǎng)格。

zi=griddata（MB7101（：，1），MB7101（：，2），MB7101，（：，3），xi，yi）；%在新網(wǎng)格上賦值。

subplot （1，2，1）；contour（xi，yi，-1xzi）；%繪制二維等深線。

hold on

subplot （1，2，2）；meshe （xi yi，-1xzi）；%繪制帶有等值線圖的三維格網(wǎng)圖。

對(duì)于礙航區(qū)而言，通過(guò)函數(shù)contour（x，y，z，n）中參數(shù)n的不同設(shè)置，可以迅速調(diào)整各種等深線的值得到礙航區(qū)不同等值線的等深線圖，從而可以快速確定可通過(guò)區(qū)，為通航條件做出決策依據(jù)。

2.3 繪制礙航物三維立體圖

Matlab插值生成的規(guī)則網(wǎng)格水深數(shù)據(jù)表中包含有礙航區(qū)水深的全部數(shù)據(jù)，利用Matlab的Surf函數(shù)可以將其繪制成礙航物的三維立體曲面圖，曲面圖的特性與網(wǎng)格圖相反：線條是黑色的，線條之間的補(bǔ)片有顏色；在網(wǎng)格圖里，補(bǔ)片是黑色的而線條有顏色。Matlab還可以通過(guò)調(diào)用函數(shù)shading來(lái)提供平滑加顏色和插值加顏色功能。圖3分別顯示了曲面圖、曲面平滑加顏色圖、曲面插值加顏色圖和三維等值線圖。

2.4 礙航物空間分析

礙航物空間分析的主要內(nèi)容是其空間形態(tài)及其與周邊航行環(huán)境的空間關(guān)系分析。Matlab提供了很多空間分析函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，在完成三維立體圖的繪制之后，除了前文提到的二維和三維等高線工具，還可以利用gradient函數(shù)和quiver函數(shù)針對(duì)礙航物的坡度、坡向進(jìn)行計(jì)算，本次礙航區(qū)的坡度、坡向計(jì)算結(jié)果圖如圖4所示。

View函數(shù)則可以通過(guò)設(shè)置不同的觀察視點(diǎn)，來(lái)展示不同視角下三維礙航物的空間特征。其調(diào)用格式為：viexv（az，el），參數(shù)az是方位角值，參數(shù)el是仰角值，均以度為單位。系統(tǒng)缺省的視點(diǎn)定義為方位角-37.5°，仰角30°。當(dāng)x軸平行觀察者身體，y軸垂直于觀察者身體時(shí)，az=0；以此點(diǎn)為起點(diǎn)，繞著z軸順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，az為正，逆時(shí)針為負(fù)。el為觀察者眼睛與xy平面形成的角度。當(dāng)觀察者的眼睛在xy平面上時(shí)，el=0；向上el為正，向下為負(fù)。圖5分別顯示了從幾個(gè)不同視角來(lái)對(duì)觀察礙航物的效果圖。

當(dāng)通航區(qū)存在礙航物時(shí)，在已經(jīng)探明礙航物的空間形態(tài)之后，在做出臨時(shí)通航?jīng)Q策時(shí)，需要獲取船舶航行通過(guò)礙航區(qū)的實(shí)時(shí)模擬圖，完整的三維動(dòng)態(tài)模擬需要耗費(fèi)較多建模和動(dòng)態(tài)演算的時(shí)間，通過(guò)Matlab的Contouslice函數(shù)可以繪制等值切面圖進(jìn)行測(cè)試。圖6分別顯示了連續(xù)等值切面圖在礙航物上的效果。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）三維可視化利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)精確描述和理解水下地質(zhì)結(jié)構(gòu)物，既可以怍為一項(xiàng)技術(shù)，也是一種工具，但是針對(duì)水下礙航物的三維可視化研究還比較少，目前的研究多停留在探測(cè)技術(shù)手段的使用上面，或者說(shuō)是還停留在數(shù)據(jù)的獲取階段，而缺少對(duì)數(shù)據(jù)的深入挖掘?？梢暬夹g(shù)提供了一種仿真的、三維的并且具有實(shí)時(shí)交互的能力，幫助研究者從三維圖形世界中通過(guò)空間形態(tài)學(xué)和空間分析技術(shù)來(lái)獲取信息或者創(chuàng)造性思維。

（2）Matlab具有強(qiáng)大的計(jì)算引擎和圖形引擎，提供了圖像處理分析函數(shù)及工具箱，極大的簡(jiǎn)化了具體的編程過(guò)程，通過(guò)矩陣數(shù)據(jù)的重構(gòu)快速實(shí)現(xiàn)對(duì)礙航物的形態(tài)重現(xiàn)和空間分析，并且可以通過(guò)句柄函數(shù)來(lái)對(duì)圖形參數(shù)進(jìn)行修改，即使是在繪圖已完成的情況，仍然可以在繪圖界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，并能通過(guò)反編譯將最終繪圖結(jié)果以編程M文件的方式呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)從結(jié)果到源程序的反編譯過(guò)程，大大減輕了面向?qū)ο蟪绦蛘Z(yǔ)言編程的困難。

（3）利用Matlab來(lái)對(duì)水下礙航物進(jìn)行三維可視化呈現(xiàn)，一方面解決了地理空間數(shù)據(jù)可視化過(guò)程中的復(fù)雜編程，為不同地域空間環(huán)境的模擬和仿真提供了捷徑，另一方面也為水深數(shù)據(jù)的深度挖掘提供了一種新的途徑，將先進(jìn)的科學(xué)計(jì)算可視化軟件引入到礙航物的信息化管理當(dāng)中，可以為礙航區(qū)通航?jīng)Q策提供依據(jù)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。