基于大斷面數(shù)據(jù)的黃河下游河道數(shù)字地形生成技術(shù)

基于大斷面數(shù)據(jù)的黃河下游河道數(shù)字地形生成技術(shù)

數(shù)字地形數(shù)據(jù)是指以精確的坐標為描述空間和屬性的數(shù)據(jù)組合，具有明顯的空間特征。黃河下游數(shù)字地形數(shù)據(jù)是黃河地理信息的基礎數(shù)據(jù)。黃河下游河道隨著上游來水來沙不斷發(fā)生沖淤變化,特別是主槽變化劇烈,河勢變化快,為觀測黃河下游河道沖淤變化,每年汛前、汛后都進行大斷面觀測,由于觀測大斷面布設間距一般較大,采用傳統(tǒng)的方法很難精確獲取整個下游河道的地形數(shù)據(jù)。目前獲取河道地形的方法主要有兩種,一種是利用河道地形圖及衛(wèi)星圖像或遙感圖像,抽取所需的地形數(shù)據(jù)。由于河道地形測量周期長,投入經(jīng)費大,且遙感圖像又沒有水下地形數(shù)據(jù),很難滿足實際應用中對地形數(shù)據(jù)的需要;另一種方法是利用實測大斷面數(shù)據(jù)和水位流量關(guān)系進行手工內(nèi)插河道斷面,這種方法耗時耗力,錯誤率高、且密度大,難以滿足生產(chǎn)中對河槽地形時效性和精度的要求。本文擬利用衛(wèi)星圖像、遙感圖像數(shù)據(jù),結(jié)合河道觀測大斷面資料及下游關(guān)鍵控制點的水位流量關(guān)系,采用曲面內(nèi)插技術(shù),快速生成黃河下游河道地形,并應用ArcInfo軟件轉(zhuǎn)化成數(shù)字地形不規(guī)則三角網(wǎng)(friangularirregularnetwork)TIN,使得快速生成黃河數(shù)字地形成為可能,本文以2004年汛前黃河花園口至利津河段河道的數(shù)字地形數(shù)據(jù)生成過程為例進行了詳述。1水位流量關(guān)系黃河河道數(shù)字地形數(shù)據(jù)生成所需要的數(shù)據(jù)主要包括:河勢圖、主槽主流線、關(guān)鍵控制點水位流量關(guān)系及實測大斷面資料等。若需要考慮控導工程、險工、生產(chǎn)堤等工程邊界對河道地形的影響,還需提供相應工程邊界的位置坐標。1.1遙感影像的解譯過程水邊線和深泓線數(shù)據(jù)均是從遙感圖片上解譯得到的,由于遙感圖片不可能在同一時刻獲得整個黃河下游的數(shù)據(jù),只能從不同時段的圖片上分別解譯。從花園口至利津河段范圍,花園口附近以2004年6月27日TM數(shù)據(jù)為背景解譯而來;東壩頭附近以2004年7月6日radarsat數(shù)據(jù)為背景解譯而來;東平湖附近以2004年6月26日radarasat數(shù)據(jù)為背景解譯而來;山東范圍內(nèi)的河槽變化不大,仍以2000年數(shù)據(jù)為準。獲得所需要的水邊線和深泓線分為兩個過程,首先從遙感圖片提取線狀要素,也就是遙感影像的解譯過程。有些要素(如水邊線、黃河大堤等數(shù)據(jù))在遙感影像上比較明顯,可以從影像上直接判讀或利用計算機自動識別技術(shù)來完成,對于一些線狀要素(如深泓線),在現(xiàn)有的圖片精度和黃河含沙量大的情況下,很難解譯出來,為解決這個問題,采用了目視解譯的直接判讀方法。1.2測量各段的數(shù)據(jù)和水位流量關(guān)系的數(shù)據(jù)1.2.1河槽剖面圖實測黃河下游大斷面在黃河河道中按照某一間距布設,它可以用來監(jiān)測黃河水位、含沙量、流速等水文信息,還可以測量出斷面位置的類似“V”字型的河槽剖面圖。需要獲取河道內(nèi)布設觀測斷面左、右岸坐標點數(shù)據(jù)及實測大斷面數(shù)據(jù)。由于河道斷面是復式斷面,且存在二級懸河現(xiàn)象,因此,需要提供觀測斷面及過流子斷面的位置坐標。1.2.2流量級的劃分需要獲取河道內(nèi)觀測點的實測水位流量均值關(guān)系。為方便地形生成,應將其劃分為不同等級,包括最小流量級和漫灘流量級,而且各觀測點流量級的劃分應該相同。水位流量關(guān)系觀測點密度越大,生成河槽地形的精度越高。1.3特征節(jié)點提取在應用實測大段面數(shù)據(jù)生成內(nèi)插段面及概化地形時,需要提取生產(chǎn)堤、控導工程、主槽、嫩灘等信息,本文采用道格拉斯-普克數(shù)據(jù)抽稀算法提取斷面特征節(jié)點,忽略段面細節(jié),根據(jù)斷面節(jié)點的干濕屬性識別主槽和嫩灘分界點,根據(jù)生產(chǎn)堤和控導工程特征識別出嫩灘和老灘分界點。2數(shù)字地形的生成黃河河道數(shù)字地形生成的原理是以野外實測大斷面數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù),結(jié)合衛(wèi)星圖像、遙感圖像數(shù)據(jù)判斷河道主流線、灘槽分界線、水邊線及控導工程,在此基礎上完成斷面曲面內(nèi)插,利用河道實測大斷面高程及下游關(guān)鍵控制點的水位流量關(guān)系數(shù)據(jù)推求內(nèi)插斷面的高程數(shù)據(jù),從而生成整個下游河道的數(shù)字地形數(shù)據(jù)。數(shù)字地形生成過程主要分兩個步驟來完成。首先要利用已準備好的五類數(shù)據(jù)(水邊線、深泓線、實測大斷面數(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系和子斷面數(shù)據(jù)),生成符合實際地形的內(nèi)插斷面,其中內(nèi)插斷面一般要求垂直于河道主流線;然后利用上下游觀測實測大斷面數(shù)據(jù)和水位流量關(guān)系計算出插補斷面的高程、面積和寬度曲線,將帶有高程值的內(nèi)插斷面生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。在內(nèi)插斷面和生成數(shù)字高程兩個關(guān)鍵步驟中,內(nèi)插斷面是地形生成的關(guān)鍵,也是技術(shù)難點。2.1內(nèi)插斷面間距在相鄰的實測大斷面之間,需要內(nèi)插部分斷面。在已知兩個斷面及其河槽剖面圖之間,利用數(shù)學內(nèi)插的方法,模擬出兩個已知斷面間的河槽地形,當已知斷面間距足夠小,則內(nèi)插出的河槽地形更接近于實際地形。實際上,由于實測大斷面之間的河槽往往是彎曲且極不規(guī)則,很少有直線型的河槽,為了更好的反映河槽地形的變化,更好的提取采樣點,通常需要將內(nèi)插斷面的位置作適當?shù)男D(zhuǎn)或者對內(nèi)插斷面間距加密。以花園口至利津河段地形生成為例,整個河段長約760km,實測大斷面373個,內(nèi)插斷面6600個(見圖1)。2.2z1水電場值的測量由已知的水位流量均值關(guān)系分別求出在不同水位下大斷面的過水面積、水面寬度等水力要素,然后根據(jù)內(nèi)插斷面與實測大斷面之間的幾何關(guān)系推求內(nèi)插斷面高程值。如圖2所示,首先根據(jù)水位流量關(guān)系計算出Z1水量條件下實測大斷面1和實測大斷面2的水位,然后線性內(nèi)插出它們之間任意位置的水位(如圖中的DEFG平面)。在確定某一個內(nèi)插斷面的位置后(如圖中的AACC平面),求出平面AACC與平面DEFG的交線CC,交線CC的兩個端點在二維平面上的投影點C′,完成內(nèi)插斷面在流量Z1時的高程值采樣。同樣的方法可以計算出流量Z2和Z3時內(nèi)插斷面的含有高程值離散點B′和A′,至此,點A′、B′、C′即是一個內(nèi)插斷面的高程值采樣。完成斷面曲面內(nèi)插之后,利用ArcInfo軟件可以生成不規(guī)則三角格網(wǎng)的TIN。進而提取河道任意點的高程。2.3不在同一時段點上獲得不同位置和在同一時段下也是同一時段、不同時段、不同時間點的“拼接”由于技術(shù)和成本條件限制,黃河下游實測斷面內(nèi)插斷面的水邊線、深泓線和水位流量關(guān)系等數(shù)據(jù)不可能在同一時刻獲得,而只能是不同時間段“拼接”起來的,現(xiàn)階段能做的是盡量縮短時間間隔。黃河下游河道數(shù)字地形圖的生成采用了多個不同時刻的數(shù)據(jù)拼接。2.4基于arcinfo數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)在生成上述地形的過程中,ArcInfo軟件嵌入到黃河河道數(shù)字地形生成系統(tǒng)中,并起到了重要的作用,主要體現(xiàn)在以下兩個方面:(1)地圖投影的方便性。黃河下游地理范圍跨度大,一般的黃河數(shù)據(jù),如大提、水邊線、深泓線等,都是北京54坐標的經(jīng)緯度數(shù)據(jù),為了方便數(shù)學模型的計算,必須進行地圖投影。黃河下游的地圖投影采用我國常用的高斯-克呂格投影,并通過ArcInfo的系統(tǒng)設置來完成。(2)數(shù)據(jù)輸入輸出。生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)通常是文本文件格式的,為了在ArcInfo軟件中實現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的可視化和高程值得提取,需要把文本文件轉(zhuǎn)換為ArcInfo中的數(shù)據(jù)格式;同時,提取高程后的三維網(wǎng)格點也需要從ArcInfo的數(shù)據(jù)格式輸出為文本文件。3關(guān)鍵處理和地形精度分析3.1內(nèi)部插值單元的關(guān)鍵3.1.1內(nèi)插斷面的實現(xiàn)河槽的彎道在地形概化中很難處理,因為它既要考慮到彎道的彎曲形態(tài),又要考慮內(nèi)插斷面的位置,為解決這個問題,采用彎道弧段等分法實現(xiàn)彎曲河道的斷面曲面內(nèi)插。首先根據(jù)凹岸、凸岸的不同岸邊界長度將弧段等分,連接相應的等分點,形成初始的內(nèi)插斷面,然后判別主流線與初始內(nèi)插斷面的夾角,控制夾角在90°左右,當相鄰的內(nèi)插斷面有相交時,在相鄰弧段內(nèi)予以取舍或斷面夾角偏轉(zhuǎn)。圖3為采用曲面內(nèi)插技術(shù)進行黃河下游典型彎道弧段處理示意圖。3.1.2角格網(wǎng)的離散高程理想的生成不規(guī)則三角格網(wǎng)的方法應該是同一斷面各離散高程點進行高程插值,再進行斷面間的高程插值,而傳統(tǒng)的生成不規(guī)則三角格網(wǎng)方法是斷面和斷面之間進行插值,這樣生成的地形往往比實際的地形高程要“高”一些,為了解決這個問題,根據(jù)具體情況程序增加一些離散高程點。增加離散點的原則是盡量符合原始地形的實際情況。3.2實測段面的生成生成河道TIN以后,將相應區(qū)域的網(wǎng)格點疊加于地形TIN上,提取任意網(wǎng)格節(jié)點的高程,生成河道地形圖,如圖4所示?；谠谏傻暮拥赖匦蜹IN,提取實測段面位置的段面數(shù)據(jù)于實測數(shù)據(jù)比較,以花園口和白鋪斷面為例進行比較(見圖5、圖6)。可以看出,實際地形與概化出的地形在河槽高程、河槽形態(tài)及河槽面積上均能達到較好的吻合,能滿足生產(chǎn)中對地形精度的需要。4數(shù)字地形的生成利用衛(wèi)星圖像、遙感圖像數(shù)據(jù),結(jié)合河道觀測大斷面資料及下游關(guān)鍵控制點的水位流量均值關(guān)系,采用曲面內(nèi)插技術(shù),快速生成黃河下游河