Analyse und Optimierung hydrographischer Punktfelder als Grundlage der Modellierung des Unterwasserreliefs:
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Hannover
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1994
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| adam_text | Titel: Analyse und Optimierung hydrographischer Punktfelder als Grundlage der Modellierung des Unterwasserr
Autor: Buziek, Gerd
Jahr: 1994
-iv-
Analyse und Optimierung hydrographischer Punktfelder
als Grundlage der Modellierung des Unterwasserreliefs
1 Einleitung ....................................................................... i
1.1 Allgemeine Einführung ................................................... i
1.1.1 Zum Begriff der Hydrographie ............................................. 2
1.1.2 Organisation und Aufgaben hydrographischer Dienste .............. 3
1.1.3 Anforderungen an die Verarbeitung hydrographischer Daten ..... 4
1.2 Zielsetzung der Arbeit ..................................................... 6
2 Strukturierung und Modellierung
des Unterwasserreliefs ................................................ 9
2.1 Allgemeines ..................................................................... 9
2.2 Die Strukturierung des Unterwasserreliefs ..................... 9
2.2.1 Horizontale Gliederung der Ozeane und Küsten ...................... 9
2.2.2 Morphologie des Unterwasserreliefs ...................................... 10
2.3 Die Reliefstrukturierung ................................................. 13
23.1 Topographische Reliefstrukturierung ..................................... 13
23.2 Geomorphologische Reliefstrukturierung ................................ 15
2.3.2.1 Ziele der geomorphologischen Reliefstrukturierung ......................... 16
23.2.2 Die Reliefeigenschaften ........................................................ 17
2.3.2.3 Die Grundtypen des Reliefs ................................................... 17
2.4 Reliefmodellierung ................................... 19
2.4.1 Gemessene digitale Geländemodelle ...................................... 19
2.4.2 Gerechnete digitale Geländemodelle ...................................... 23
2.4.3 Einsatz von Methoden zur Reliefmodellierung
in der Hydrographie ............................ 26
3 Hydrographische Datenerfassung
und -aufbereitung ................................. 29
3.1 Historische Betrachtung ......................... 29
32 Ortungsverfahren
Ortungsverfahren
Ortungsverfahren im küstenfernen Meeresbereich................. 41
................................................... 36
3.2.1 rk-l~
3.2.2
3.2.3 _____„~„*,. v^iLuugsvenanren .............................. ^
3.2.4 Die Bedeutung der Ortung ii
Ortungsverfahren im küstennahen Meeresbereich .................... ^
3.2.2 Op*hti »ci™«IV.1-------;_.i-- - ___________^
3.2.3 Globale und universelle Ortungsverfahren
_ im
Simulations- und Optimieri
3.3
Simulations- und Optimierungsprozeß ..................
48
________~m. ^^ucuiteciiniK ..............................
3.3.1 Schwingungen und Wellen
Grundlagen der Wasserschalltechnik
3.3.2 Srl.»ll«-:,~:______ - -................................................... 48
50
52
Schallemission und -ausbreitung
33.3 n;„w,„__._„ -—«g ........................................... 50
Die Wasserschallgeschwindigkeit
-V-
3.3.4 Fehlereinflüsse auf Tiefenmessungen ...................................... 54
3.4 Tiefenmeßsysteme ........................................................... 56
3.4.1 Das Vertikalecholot ............................................................ 56
3.4.2 Der Bodenkartenschreiber ................................................... 58
3.4.3 Das Fächersonarsystem ...................................................... 60
3.4.3.1 SeaBeam ....................................................................... 61
3.4.3.2 Hydrosweep DS-2 .............................................................. 63
3.4.4 Das Seitensichtsonarsystem ................................................. 64
3.4.5 Diskussion der Leistungsdaten ............................................. 66
3.5 Bereitstellung eines hydrographischen Punktfeldes ........ 68
3.5.1 Der Lagebezug .................................................................. 68
3.5.2 Der Hohen- und Tiefenbezug ............................................... 70
4 Modellierung des Unterwasserreliefs mittels
Triangulation ................................................................. 73
4.1 Allgemeines ..................................................................... 73
4.2 Grundlagen der Triangulation ........................................ 74
4.2.1 Definitionen ..................................................................... 74
4.2.2 Triangulationskriterien ....................................................... 75
4.3 Bildung eines planaren Dreiecksnetzes ........................... 79
4.3.1 Datenstrukturen ............................................................... 79
4.3.1.1 Die Datenstruktur des Stützpunktfeldes ..................................... 79
4.3.1.2 Datenstrukturen von Triangulationen ........................................ 81
4.3.1.3 Beurteilung der Triangulationsstrukturen ................................... 82
4.3.2 Testverfahren zur Einschlußermittlung .................................. 84
4.3.3 Iterative Triangulationsverfahren .......................................... 87
4.3.4 Nachoptimierende Triangulationsverfahren ............................. 88
4.3.5 Partielle Triangulationsverfahren .......................................... 90
4.3.6 Adaptive Triangulationsverfahren ......................................... 91
4.3.7 Diskussion der Triangulationsalgorithmen .............................. 91
4.3.8 Auswahl und Realisierung eines Triangulationsalgorithmus ........ 92
4.4 Modifikation von planaren Dreiecksnetzen ..................... 95
4.4.1 Lokale Operationen ............................................................ 95
4.4.1.1 Lokale Dreiecksumkonfigurierung ............................................. 95
4.4.1.2 Triangulationsbasierte Suchstrategie für Dreieckselemente ................ 97
4.4.1.3 Stützpunktintegration ......................................................... 98
4.4.1.4 Stützpunktelimination ......................................................... 99
4.4.2 Sequentielle Kantenbildung .................................................101
4.4.3 Iterative Facettenumbildung ................................................103
4.5 Die geometrisch-topologische Optimierung ....................104
-VI-
5 Ermittlung der Qualität hydrographisch
gemessener DGM .........................................................106
5.1 Allgemeines .....................................................................106
5.2 Die Simulation von Tiefenmessungen 107
5.2.1 Die simulierten Primärmodelle .............................................107
5.2.2 Geometrische Approximation von Schallfeldern .......................109
5.2.2.1 Simulation des Schallfeldes kreisförmiger Schallwandler ...................109
5.2.2.2 Simulation des Schallfeldes eines Fächersonarstrahls .......................111
5.2.2.3 Simulation der Schallfelder von Flächenvermessungssystemen ............112
5.2.3 Die Berechnung der Tiefenwerte ..........................................113
5.2.4 Die Bereitstellung von simulierten Stützpunktfeldern ...............115
5.3 Die Modellanalyse ...........................................................117
5.3.1 Notwendigkeit ..................................................................117
5.3.2 Strategie ..........................................................................118
5.3.3 Bemerkungen zur statistischen Beurteilung der Untersuchungen 120
5.3.3.1 Ausgewählte Methoden zur statistischen Beschreibung von Verteilungen 120
5.3.3.2 Empirische Analyse von Zeitreihen ...........................................122
5.4 Globale Modellanalyse ....................................................125
5.4.1 Analyse der Netzgeometrie .................................................125
5.4.2 Analyse der Modellmorphologie ...........................................128
5.4.2.1 Parameter zur Beschreibung der horizontalen Variation des Reliefs ......129
5.4.2.2 Parameter zur Beschreibung der vertikalen Variation des Reliefs .........130
5.4.2.3 Parameter zur Beschreibung der flächenhaften Variation des Reliefs .....132
5.4.2.4 Parameter zur Beschreibung der lokalen Variation des Reliefs ............135
5.4.2.5 Hypsometrische Parameter ....................................................137
5.4.2.6 Die Reliefdimension ............................................................137
5.4.2.7 Zusammenfassende Betrachtung der Reliefparameter ......................139
5-4.3 Globale Analyse der Simulationsmodelle ................................140
5.4.3.1 Profilweise Modellanalyse .....................................................140
5.4.3.2 Flächenhafte Modellanalyse ..........................................142
5.5 Morphologische Differenzierung der Stützpunkte ..........148
5.5.1 Allgemeines .......................................... 148
5-5.2 Die regionale Modellanalyse ................................. .148
5-5.2.1 Die Bildung von Reliefelementmodellen .....................................148
5-5.2.2 Die Analyse von Reliefelementmodellen .....................................150
5.5.2.3 Die Analyse von Gefällstufen .................... 152
5.5.3 Die lokale Modellanalyse ................................ 152
5-5-3.1 Die Klassifikation lokaler Extremwerte .................. 152
5-5.3.2 Die Klassifikation von linienhaften Strukturelementen 153
5.5.4 D------M - -- ..................
______„.
Beurteilung der modellanalytischen Verfahren
154
-vu-
6 Reduktion gemessener DGM ....................................i56
6.1 Allgemeines .....................................................................156
6.2 Die Selektion von Tiefenmessungen ................................157
6.2.1 Die Filtervorschrift der Datenredukion ..................................158
6.2.2 Die Filterprozesse ..............................................................159
6.3 Die Filterung ausgewählter Primärmodelle ....................160
6.3.1 Die Auswirkung der Filterung auf globale Klassifikatoren .........161
6.3.2 Identitätsüberprüfung der Folge- und Sekundärmodelle ............162
7 Anwendung der Analyse-
und Optimierungsstrategie ........................................i66
8 Zusammenfassung ........................................................m
9 Ausblick ..........................................................................174
10 Summary ........................................................................i76
11 Abkürzungen .................................................................177
12 Variablenerläuterungen ..............................................179
13 Literaturverzeichnis .....................................................i84
Lebenslauf ......................................................................198
Anhang ............................................................................199
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| series2 | Universität <Hannover> / Fachrichtung Vermessungswesen: Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermessungswesen der Universität Hannover |
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