斷面數(shù)據(jù)及其可視化在河道演變分析中的應(yīng)用

1、斷面數(shù)據(jù)及其可視化在河道演變分析中的應(yīng)用湖北荊州喻云楓434000【摘要】河道演變分析是河道泥沙研究的重要途徑，其分析數(shù)據(jù)將為河道的綜合治理及規(guī)劃提供基礎(chǔ)保障。然而，河道演變分析不僅會(huì)受到河道形態(tài)、斷面特征等內(nèi)部因素以及工程條件、河道干預(yù)、分水、分沙等外部因素的影響，同時(shí)各因素又相互關(guān)聯(lián)、相互影響，引導(dǎo)著河道的演變。因此，獲取詳細(xì)的斷面數(shù)據(jù)、形成可視化的河道圖像或視頻等對(duì)于研究河道演變具有重要意義。文章將對(duì)河道演變的影響因素進(jìn)行分析，提出河道斷面數(shù)據(jù)及信息對(duì)于河道治理規(guī)劃的重要性，進(jìn)而引入DEM、地理信息系統(tǒng)（GIS）、Surfer軟件等獲取斷面數(shù)據(jù)及可視化手段在河道演變中的應(yīng)用，推動(dòng)數(shù)字化河

2、道的演變。關(guān)鍵詞】斷面數(shù)據(jù)；可視化；河道演變河道演變分析是河道治理的關(guān)鍵，也是認(rèn)識(shí)河流，研究河道規(guī)劃，以及水流對(duì)于河道泥沙含量的影響等課題的重要途徑。河道是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其自身的變化將隨內(nèi)外部因素的變化而變化。河道的變化情況直接對(duì)于影響涉河工程的建設(shè)規(guī)劃以及河流的生態(tài)平衡。河道斷面數(shù)據(jù)作為河道的基礎(chǔ)資料，不僅能夠體現(xiàn)河道的現(xiàn)狀，同時(shí)能夠根據(jù)外界調(diào)節(jié)到變化較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出近期內(nèi)河道的變化情況。文章將對(duì)河道演變的影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，進(jìn)而分析斷面數(shù)據(jù)以及可視化，有效獲取斷面數(shù)據(jù)，建立河道數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的河道演變分析方式，為河道治理問題提供基本保障。2淺析影響河道演變的因素2.1內(nèi)在因素河道形

3、態(tài)與河道水流流量、流速等具有直接的關(guān)系。不同河道具有其各自的河道形態(tài)和床沙特點(diǎn)，河型、斷面特征等河道的形態(tài)能夠直接決定江河的水流參數(shù)以及河槽的槽率，而水流參數(shù)以及河槽又決定了江河的輸水能力和輸沙能力。因此，通過對(duì)河道形態(tài)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以建立相應(yīng)的泥沙除淤模型，為河道淤泥處理提供借鑒。2.2 外在因素河道特性不僅會(huì)受到其自身斷面形態(tài)等內(nèi)部特征的影響，同時(shí)也將受到外部干預(yù)的因素的影響，如外部水、沙等外部非河道影響因素。當(dāng)外來的水沙特性與河道的輸水沙性能相一致時(shí)，河道形態(tài)將不會(huì)被其影響，河道的輸送能力基本不會(huì)發(fā)生大的變動(dòng)。但是，如果外來水沙與其特性不相符時(shí)，河道的輸送能力就會(huì)隨之變化，從而引起

4、河道水流快慢，影響河道泥沙含量及分布情況，促使河道輸送能力朝著適應(yīng)外來泥沙的方向推進(jìn)。除了外來水沙，還包括外界一切對(duì)河道形態(tài)有影響的因素，如下游水位、河道分流、支干匯流、河道工程等。河道形態(tài)受到多種多樣外界因素的影響，其中某一因素的變化，都將改變河道輸送水沙的變化，造成河道內(nèi)部因素的變化。河道斷面數(shù)據(jù)一定的情況下，外部因素變化引起內(nèi)部因素朝著抵消外部影響的方向變化，從而達(dá)到系統(tǒng)性的平衡。2.3 相互影響的內(nèi)外因素河道以及其內(nèi)外部相關(guān)影響因素共同組成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。河道總是朝著適應(yīng)河道干預(yù)的方向變化。不同的外來因素，河道輸送、沖淤能力也有所不同，河道輸送、沖淤能力不同將改變河道的斷面特征，從

5、而又引起河道水流的輸送、沖淤能力，這樣河道內(nèi)部與外部影響因素將周邊環(huán)境與河道本身組建成一個(gè)不斷反饋、發(fā)展的循環(huán)體系。外界因素影響內(nèi)部因素，反過來，內(nèi)部因素又會(huì)消弱外部因素對(duì)于河道的影響。3斷面數(shù)據(jù)及可視化的應(yīng)用河道演變分析的斷面數(shù)據(jù)主要是水文部門以及測(cè)繪部門根據(jù)實(shí)際考察情況匯總整理得到，并利用AutoCAD這種傳統(tǒng)性二維繪圖軟件繪制河道圖形。雖然在河道圖形繪制方面我國(guó)已取得一定成效，但這種二維圖形不能夠用于直接計(jì)算河道淤泥治理，難以形成直觀的河道模型，需要進(jìn)一步的將河道數(shù)據(jù)三維化。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取主要靠人工側(cè)量，數(shù)據(jù)不夠精確，且由于人員、技術(shù)或裝備的限制，無法實(shí)現(xiàn)平面圖形的立體化，制約著河道的研

6、究。然而，斷面數(shù)據(jù)以及可視化則可以有效的改善傳統(tǒng)模式中存在的問題，為河道演變分析提供更好的數(shù)據(jù)及模型基礎(chǔ)。3.1利用DEM系統(tǒng)獲取斷面數(shù)據(jù)DEM是一種可視化的獲取數(shù)據(jù)建立模型的方式。其系統(tǒng)格式為NSDTFDEM,其主要是根據(jù)河道實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)繪制的矢量圖，進(jìn)一步的提取項(xiàng)目名稱、測(cè)量次數(shù)、帶號(hào)、測(cè)繪坐標(biāo)、網(wǎng)格間距等相關(guān)數(shù)據(jù)錄入DEM_INFO庫(kù)，作為后續(xù)運(yùn)算的基礎(chǔ)模塊。由于換帶運(yùn)算極易出現(xiàn)誤差，利用DEM系統(tǒng)獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)過程中，在每個(gè)測(cè)繪帶的地形數(shù)據(jù)提取存儲(chǔ)前，需要按照實(shí)際測(cè)量次數(shù)及測(cè)繪帶編號(hào)，確定有效地DEM邊界范圍。設(shè)置合理的網(wǎng)格間距和DEM坐標(biāo)起始點(diǎn)，間距需大小合適，起始位置適宜，以利于數(shù)據(jù)

7、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算；如比例尺1：3000與1：5000的地形數(shù)據(jù)圖，可將DEM網(wǎng)格間距設(shè)定為3mX3m、5mX5m，其起始坐標(biāo)則應(yīng)取3和5的倍數(shù)，保證次DEM運(yùn)算時(shí)兩矢量圖的網(wǎng)格線對(duì)齊，以保證兩張圖紙形成統(tǒng)一DEM范圍，從而有效地利用計(jì)算機(jī)資源，節(jié)省時(shí)間資源。DEM范圍的確定。對(duì)于河道DEM計(jì)算，需要確定計(jì)算范圍，主要方法有4種。一是斷面圍組法，即從地圖上選取特定的斷面，計(jì)算范圍即為斷面及DEM共同組成的范圍。二是文本確定法，即通過具有特定規(guī)律的文本組成。三是手工繪圖法，即根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行底圖范圍的繪制。四是主觀確定法，即由用戶根據(jù)主觀意愿選擇封閉區(qū)域確定為DEM范圍。在DEM計(jì)算過程中可實(shí)現(xiàn)跨帶式計(jì)算

8、。3.2利用GIS形成可視化河道圖GIS是信息化時(shí)代常用的數(shù)據(jù)收集和地形成像的一種智能化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)河道可視化。目前我國(guó)GIS在河道可視化方面的應(yīng)用研究已逐漸成熟。如利用ArcGIS平臺(tái)將平面地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DEM模型，保證地圖信息的完整準(zhǔn)確提??；利用GIS系統(tǒng)建立智能化模型，保證河道槽蓄量等斷面數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便運(yùn)算；插入法實(shí)現(xiàn)二維斷面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維的TIN數(shù)據(jù)，并解決了轉(zhuǎn)換難題；借助ArcGISEngine實(shí)現(xiàn)河道斷面數(shù)據(jù)的提取，并探討了斷面高程差異；同時(shí)，對(duì)于現(xiàn)有二維平面軟件系統(tǒng)改進(jìn)，開發(fā)出了一系列信息創(chuàng)新技術(shù)。3.2.1預(yù)處理數(shù)據(jù)由于現(xiàn)有資料一般為紙質(zhì)地圖以及CAD電子圖紙，對(duì)于紙質(zhì)版資料，需

9、要對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，這個(gè)過程中，就需要借助ArcGIS系統(tǒng)對(duì)圖紙進(jìn)行掃描，進(jìn)而便于圖形矢量化處理，規(guī)范化圖形的標(biāo)注（要求較高），不斷改進(jìn)錯(cuò)誤，現(xiàn)仍以人工處理為主，以保證圖紙質(zhì)量。3.2.2數(shù)據(jù)再處理一般經(jīng)過初步處理的圖紙或數(shù)據(jù)仍達(dá)不到需要的精度要求，極易出現(xiàn)符號(hào)混亂，或者等高線不完全等問題。需要進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。在等高線處理方面。等高線是地形圖上高程相等的點(diǎn)的連線，等高線為閉合性曲線。在初步處理的圖紙中，等高線有的因?yàn)闃?biāo)注信息造成其線段間斷，需要后期進(jìn)行修正完善，根據(jù)已有等高線走勢(shì)閉合曲線。特別是對(duì)于比例尺較小的圖紙，外形輪廓較為明晰，可根據(jù)外形補(bǔ)齊線路。完善后，借助ArcMap中相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算高

10、程。對(duì)于比例尺較大的地形圖，其高程不宜確定，需要實(shí)際高程數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)。繪制線路的同時(shí)將多余字符及標(biāo)號(hào)去掉，保證數(shù)據(jù)的有價(jià)性。3.2.3 河道斷面信息提取對(duì)于指定位置的斷面信息，可以借助3DAnalyst提取，創(chuàng)建斷面多段線，完成河道斷面的構(gòu)建。斷面主要由特征點(diǎn)生成。具體方法如下。一是確定特定點(diǎn)的高程點(diǎn)，進(jìn)而借助軟件生成斷面圖，從斷面圖中提取某一線路固定位置的高程；二是將高程數(shù)據(jù)以及DEM提取的數(shù)據(jù)同時(shí)輸入ArcMap中，提取所需的高程存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；三是利用ArcGIS的線路創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)河道所有高程數(shù)據(jù)可提取化。3.2.4 空間模型構(gòu)建主要是分析河道的地形空間特征，建立空間幾何模型。其模型主要用于

11、表達(dá)河道斷面周邊空間的相互關(guān)系，并結(jié)合河道中心線的確定，從而準(zhǔn)確確定河道的空間位置。3.3利用Surfer建立河道數(shù)字模型Surfer是一種與GIS相似的地理信息軟件，它是美國(guó)開發(fā)的用于等高線以及三維圖形繪制的軟件。不同于傳統(tǒng)的信息軟件，其操作便捷方便，同時(shí)具有強(qiáng)大的制圖功能。目前，這種軟件主要應(yīng)用于環(huán)境、地理類科研技術(shù)領(lǐng)域，在河道演變等河流治理方面，研究及實(shí)際應(yīng)用都很少。但是其三維建模及便捷操作優(yōu)勢(shì)有利于河道地形空間模型的構(gòu)建，可以嘗試將其引入河道治理，為河道規(guī)劃提供技術(shù)支持。Surfer軟件的主要功能為河道高程圖繪制，以及地形等值線的確定。這是一種直接利用軟件實(shí)現(xiàn)河道可視化的簡(jiǎn)單方式。首先

12、，在CAD中提取相應(yīng)點(diǎn)的高程值；然后根據(jù)高程值繪制高程模型；進(jìn)而可以利用軟件選取等值線提取功能，完成等高線的繪制。同時(shí)，該軟件還可以繪制出河道的泥沙分布狀況，以及泥沙含量，保證有效預(yù)測(cè)河道輸送水泥能力。w1M1O.堀圧理*宴國(guó)匸醤理奮幫希樂益”割BrIS強(qiáng)資料剛”點(diǎn)議1Q血曲110IW1ttU血*I1WIB000斷面數(shù)據(jù)和可視化是一種需要不斷探索、不斷創(chuàng)新的過程，需要河道治理規(guī)劃等相關(guān)人員，根據(jù)河道沖淤能力需求等，改進(jìn)自身技術(shù)，引進(jìn)或研制新型系統(tǒng)或繪圖軟件，提升自身專業(yè)技能，實(shí)現(xiàn)河道演變分析的信息化、數(shù)字化。4結(jié)束語隨著智能化、數(shù)字化的發(fā)展，河道演變分析獲取全面的斷面數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)河道可視化已成為可能。斷面數(shù)據(jù)以及可視化模型是河道演變分析的基礎(chǔ)，可借助不同的信息化軟件及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)斷面的圖形化、數(shù)字化，并隨著科技的創(chuàng)新和模式的改進(jìn)，不斷地發(fā)展，保證技術(shù)滿足河道規(guī)劃治理需求。參考文獻(xiàn)1 王偉，白亮，李圣偉.基于GIS的河道演變與可視化分析方法研究J.人民長(zhǎng)江,2012.37(12)4-72 牛瑞卿.可視化技術(shù)在水文泥沙分析