基于曲面内插技术的数字地形生成原理及应用

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1、水利学报年月第卷第期文章编号基于曲面内插技术的数字地形生成原理及应用杨明梁国亭赖瑞勋余欣天津大学建筑工程学院天津黄河水利科学研究院河南郑州摘要本文以黄河下游实测大断面数据为基础数据结合卫星图像遥感图像数据判断河道主流线滩槽分界线水边线及控导工程在此基础上完成断面曲面内插利用河道实测大断面高程及下游关键控制点的水位流量关系数据推求内插断面的高程数据快速生成整个下游河道的数字地形不规则三角网以黄河下游花园口至利津河段为例详述了黄河下游河道数字地形生成的原理及实现生成的地形数据与实测数据相比较在河槽高程河槽形态及河槽面积上均吻合较好能满足生产中对地

2、形数据精度的需要关键词黄河曲面内插数字地形中图分类号文献标识码数字地形数据是指以精确的坐标来描述空间和属性的数据组合具有明显的空间特征黄河下游数字地形数据是黄河地理信息的基础数据黄河下游河道随着上游来水来沙不断发生冲淤变化特别是主槽变化剧烈河势变化快为观测黄河下游河道冲淤变化每年汛前汛后都进行大断面观测由于观测大断面布设间距一般较大采用传统的方法很难精确获取整个下游河道的地形数据目前获取河道地形的方法主要有两种一种是利用河道地形图及卫星图像或遥感图像抽取所需的地形数据由于河道地形测量周期长投入经费大且遥感图像又没有水下地形数据很难满足实际应用

3、中对地形数据的需要另一种方法是利用实测大断面数据和水位流量关系进行手工内插河道断面这种方法耗时耗力错误率高且密度大难以满足生产中对河槽地形时效性和精度的要求本文拟利用卫星图像遥感图像数据结合河道观测大断面资料及下游关键控制点的水位流量关系采用曲面内插技术快速生成黄河下游河道地形并应用软件转化成数字地形不规则三角网使得快速生成黄河数字地形成为可能本文以年汛前黄河花园口至利津河段河道的数字地形数据生成过程为例进行了详述地形生成数据准备黄河河道数字地形数据生成所需要的数据主要包括河势图主槽主流线关键控制点水位流量关系及实测大断面资料等若需要考虑控导

4、工程险工生产堤等工程边界对河道地形的影响还需提供相应工程边界的位置坐标河势图及主流线图水边线和深泓线数据均是从遥感图片上解译得到的由于遥感图片不可能在同一时刻获得整个黄河下游的数据只能从不同时段的图片上分别解译从花园口至利津河段范围花园口附近以年月日数据为背景解译而来东坝头附近以年月日数据为背景解译而来东平湖附近以年月日数据为背景解译而来山东范围内的河槽变化收稿日期基金项目国家自然科学基金委员会水利部黄河水利委员会联合研究基金项目作者简介杨明山东沂水人博士生主要研究方向为河流动力学及海岸动力学不大仍以年数据为准获得所需要的水边线和深泓线分为两

5、个过程首先从遥感图片提取线状要素也就是遥感影像的解译过程有些要素如水边线黄河大堤等数据在遥感影像上比较明显可以从影像上直接判读或利用计算机自动识别技术来完成对于一些线状要素如深泓线在现有的图片精度和黄河含沙量大的情况下很难解译出来为解决这个问题采用了目视解译的直接判读方法实测大断面数据及水位流量关系数据实测大断面数据黄河下游大断面在黄河河道中按照某一间距布设它可以用来监测黄河水位含沙量流速等水文信息还可以测量出断面位置的类似字型的河槽剖面图需要获取河道内布设观测断面左右岸坐标点数据及实测大断面数据由于河道断面是复式断面且存在二级悬河现象因此需

6、要提供观测断面及过流子断面的位置坐标水位流量关系数据需要获取河道内观测点的实测水位流量均值关系为方便地形生成应将其划分为不同等级包括最小流量级和漫滩流量级而且各观测点流量级的划分应该相同水位流量关系观测点密度越大生成河槽地形的精度越高实测大断面特征信息数据在应用实测大段面数据生成内插段面及概化地形时需要提取生产堤控导工程主槽嫩滩等信息本文采用道格拉斯普克数据抽稀算法提取断面特征节点忽略段面细节根据断面节点的干湿属性识别主槽和嫩滩分界点根据生产堤和控导工程特征识别出嫩滩和老滩分界点数字地形生成原理及过程黄河河道数字地形生成的原理是以野外实测大断

7、面数据为基础数据结合卫星图像遥感图像数据判断河道主流线滩槽分界线水边线及控导工程在此基础上完成断面曲面内插利用河道实测大断面高程及下游关键控制点的水位流量关系数据推求内插断面的高程数据从而生成整个下游河道的数字地形数据数字地形生成过程主要分两个步骤来完成首先要利用已准备好的五类数据水边线深泓线实测大断面数据水位流量关系和子断面数据生成符合实际地形的内插断面其中内插断面一般要求垂直于河道主流线然后利用上下游观测实测大断面数据和水位流量关系计算出插补断面的高程面积和宽度曲线将带有高程值的内插断面生成不规则三角网在内插断面和生成数字高程两个关键步骤

8、中内插断面是地形生成的关键也是技术难点内插断面的确定在相邻的实测大断面之间需要内插部分断面在已知两个断面及其河槽剖面图之间利用数学内插的方法模拟出两个已知断面间的河