CN103278115A - 一种基于dem计算淤地坝淤积量的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字高程模型DEM计算淤地坝淤积量的方法，包括：获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；对DEM进行三角化；测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淤积高程的点，得到若干三角形区域；搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的淤积量；将所计算得到的淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。本发明提供的方法计算速度与计算精度明显提高。

Description

一种基于DEM计算淤地坝淤积量的方法及系统

技术领域

本发明涉及地理信息测量技术领域，具体地说，涉及一种基于DEM计算淤地坝淤积量的方法及系统

背景技术

近几年来，将GIS技术与遥感（RS，Remote Sensing）技术相结合，根据数字高程模型DEM提供的三维数据和遥感影像数据来预测、模拟显示洪水淹没与淤积场景，并进行水土流失与洪水灾害评估，已成为GIS在水利水土保持方面主要研究领域。以数字高程模型DEM和RS影像为基础，运用GIS的空间分析功能，研究试验区洪水和泥沙淤积，流域的洪水淹没与土壤流失情况。

在水土流失地区各级沟道中，以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑物,其拦泥淤成的地叫坝地。在流域沟道中，用于淤地生产的坝叫淤地坝（或生产坝），淤地坝建成以后，一般都是以淤地为主要目的，同时能够拦蓄洪水，减轻洪涝灾害，当计算出淤积量（是指淤地坝中拦蓄下泥沙，所形成的体积）还能够计算出土壤流失情况。但是现在一般计算的时候是在地形图上把库区内分成几个层，量出面积，每两个层之间的体积近似为台体，计算体积，让后按照高度与体积化一条曲线，成为坝高库容曲线，当计算淤积量的时候，量出淤积高度就可以查出淤积量，但是要研究水土流失规律，这种计算误差太低，需要更精确的计算出淤积量。

一般在计算淤积量的时候在等高线上选择几条，量出面积，每两个等高线之间的体积近似用台体的体积去计算,然后绘制坝高与体积的关系曲线，在给定一个高程时，在曲线图上由高程处反查出体积，由于度量的误差、绘制曲线的误差与反查的误差，误差累计就很大，另外一点在地形图上进行量算面积也费事费力。

可见，在现有的方法中进行淤地坝设计时计算淤积量不够准确，而且比较费时费力。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提供一种基于DEM淤地坝淤积量的计算方法及系统，可使得计算速度与计算精度明显提高。

本发明提供一种基于DEM淤地坝淤积量的计算方法，包括：

获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程；

在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淤积高程的点，得到若干三角形区域；

搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；

基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的淤积量；

将所计算得到的各区域淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。

本发明还提供一种基于DEM计算淤地坝淤积量的系统，包括：

DEM数据获取单元，用于获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

DEM处理单元，用于对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程；

搜索单元，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淹没高程的点，得到若干三角形；

边界处理单元，用于搜索淹没区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；

计算单元，基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的淤积量，并将所计算得到的各区域淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。

综上所述，本发明提供的基于数字高程模型DEM计算淤地坝淤积量的方法，将DEM网格进行三角化，通过淤积高度自动在DEM上搜索淤积区域的边界，再分别计算所述若干三角形及边界上多边形区域累积得到淤积量，与原来的采用的计算淤积量的方法相比，本发明提供的方法计算速度与计算精度明显提高。

附图说明

图1为本发明提供的计算淤地坝淹没面积的方法流程图；

图2为本发明实施方案中提供的DEM绘制成网格示意图；

图3为本发明实施例中对DEM进行三角化的过程示意图；

图4为本发明实施例中提供的淤地坝及其坝轴线示意图；

图5为本发明提供的DEM网格图中基准线示意图；

图6为本发明的技术方案中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图7为本发明的技术方案中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图8为本发明的技术方案中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图9为本发明提供的计算淤地坝淤积量的系统架构示意图；

图10为本发明实施例中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图11为本发明实施例中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图12为本发明实施例中淤积面与三角形区域的切割关系示意图。

具体实施方式

一般在计算淤积量的时候在等高线上选择几条，量出面积，每两个等高线之间的体积近似用台体的体积去计算,然后绘制坝高与体积的关系曲线，在给定一个高程时，在曲线图上由高程处反查出体积，由于度量的误差、绘制曲线的误差与反查的误差，误差累计就很大，另外一点在地形图上进行量算面积也费事费力。鉴于现有技术中的不足，如淤积量的计算较为繁琐、累积误差大，本发明提供一种基于数字高程模型DEM计算淤地坝淤积量的方法，可通过淤积高度自动在数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）上化整为零计算淤积量，与原来的方法使得计算速度与计算精度都提高。

本发明提供的一种基于DEM计算淤地坝中淤积量的方法，如图1所示，该方法包括：

S01，获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

S02，对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程；

S03，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淤积高程的点，得到网格区域中的若干三角形区域；

S04，搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；

S05，基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的淤积量；

S06，将所计算得到的淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。

步骤S01中，所述数字高程模型DEM是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。

DEM记录的是地形的高低起伏程度，是一个二维矩阵进行记录。加载以后，在计算机中记录如下表1所示。

表1DEM高程片段

步骤S02中，所述对DEM进行三角化，具体包括：

a)根据相应的DEM数据绘制得到相应的网格图；

在DEM上按照网格来记录地形情况的。如图2所示，每一个格子都有一个高程。一般记录的时候有原点坐标，网格大小与每个格子的高程。现认为每个高程是网格中心点的高程。b)基于各网格中心点重新划分网格，得到网格大小不变新的网格图；

c)连接每一个正方形新网格的一个对角线，将每个正方形划分成两个三角形。

图3为本发明实施例中对DEM进行三角化的过程示意图。对DEM进行三角化的过程中，将原点向上与向右移动1/2个格子，刚好原来的中心点在网格的交点上，具体地，参照图3，从坐标系XOY的O点移动到坐标系X’O’Y’的O’点；OX与OX’之间的距离是1/2个DEM网格宽。OY与O’Y’的距离是1/2个DEM网格宽。重新划分网格，网格大小不变，新网格的四个定点都在原来网格的中点。让后连接每一个正方形网格的一个对角线，就把每个正方形划分成两个三角形。由于空间中的三个点组成一个平面，所以每一个三角形都是空间中的一个面上的三角形。

其中若干三角形的面积为所述新网格面积的1/2。

图4为本发明实施例中提供的淤地坝及其坝轴线示意图；图5为本发明提供的DEM网格图中基准线示意图。

参照图4及图5，所述基准线为淤地坝的坝轴线。

确定坝轴线具体如下：

坝轴线是由水平面上的两个点确定的，例如，以图5中的点点M（x1,y1），N（x2，y2）确定，一般是在野外勘察的时候用GPS采集，或在地形图或DEM中量算得到。有用户输入确定。如图5所示,M与N中间的部分高程比输入的淤积高程低，两边的高程比输入的淤积高程高。

具体测算时，从M点开始搜索。

当所述淤积平面搜索线与每个三角形形成切割关系，记录每个切割的形状并计算面积，三角形直接计算面积，多边形分解成至少两个三角形以计算其面积。

步骤S04中，具体地，以图5中M点为起点，搜索淤积面积的边界，直到与坝周线的形成闭合多边形为止。

步骤S05中，基于所述三角化的DEM和淹没面计算各三角形区域，具体为：

以以图5中的点M为起点开始计算，计算每个三角面中的淤积量，具体如下：

旋转搜索每个坝轴线上方的三角面。

假设淤积面是一个水平面如图6所示（平面P），假定A、B、C为空间中由DEM划分的三角形区域的三个顶点，ABC为空间中由DEM划分的一个三角形区域。

a)如果ABC三个点的高程都比平面P高，是地形原来的土体，没有淤积；

b）如果ABC三个点的高程都比平面P低，说明ABC平面与平面P之间的体积为淤积体积，如图7中体积ABC-A’B’C’，可分为是一个三角台体与一个三角锥形，其中A’、B’、C’位于平面P上；如图7中ABC”-A’B’C’和ABC-ABC”两个部分。

c）如果ABC三个点的高程，有一个点（或两个点，说明这两个点在水平面上）的高程与P一样高，说明只有一个三角锥形为淤积体积如果ABC-ABC”。

d）如果ABC三个点高程有比平面P高也有比平面P低，说明平面切割了ABC-ABC”这部分会有如图7和图8所示的形状，图7中C-A’B’C’构成一个三角锥形，图8中所示AB-DEFG构成一楔形。

参照图9，本发明还提供一种基于DEM计算淤地坝淹淤积量的系统900，包括：

DEM数据获取单,91，用于获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

DEM处理单元92，用于对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程；

搜索单元93，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淤积高程的点，得到若干三角形；

边界处理单元94，用于搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；

计算单元95，基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的淤积量，并将所计算得到的各区域淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。

淤积量计算实例

本发明应用在某小流域中计算淤积量，下面简单的进行介绍计算过程。

1、首先，加载DEM数据

DEM记录的是地形的高低起伏程度，是一个二维矩阵进行记录。加载以后在计算机中记录如下表1所示，分辨率为5M。将所加载得到的DEM绘制成网格图

2、然后，确定坝轴线。

坝轴线是由水平面上的两个点确定的，例如，选定点M（x1,y1），N（x2，y2）确定，一般是在野外勘察的时候用gps采集，或在地形图或DEM中量算得到。有用户输入确定。

并确定坝轴线在DEM网格上的位置；

3、确定计算高度

计算高度，一般是在坝体位置测量得到淤积高度，有用户输入确定。由与数据量与表达的矛盾现就以一个小范围预定高度（如5米高）进行淤积量的计算说明。

4、计算淤积量。

首先，对DEM网格进行三角化；

然后，搜索淤积量。

按照发明提供的方法进行搜索，坝轴线上的M点为搜索起点，多边形包围的部分为淤积部分，外面为没有淤积的部分。

1）如果ABC三个点的高程都比平面P低，说明ABC平面与平面P之间的体积为淤积体积，如图10中所示ABC-A’B’C’构成的体积，可分为是一个三角台体与一个三角锥形；如图ABC”-A’B’C’和ABC-ABC”两个部分，如图10所示，其中平面P为淤积面，ABC为地形上的一个空间面，ABC”为与p平行的平面。

通过搜索有若干个符合上述条件的体积。

V_i=(S_ABC”*H_CC”)/3+S_{A’B’C’*}H_C’C”

$V1=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i$

如果ABC三个点的高程，有一个点（或两个点，说明这两个点在水平面上）与平面P一样高（图10中平面P下移与平面S_ABC”重合时），说明只有一个三角锥形为淤积体积如图10中的ABC-ABC”，通过搜索得到符合条件的有K个。

V_i=(S_ABC”*H_CC”)/3

$V2=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i$

2）如果ABC三个点高程有比平面P高也有比平面P低，说明平面切割了ABC-ABC”这部分会有如下情况

情况i）如下图11所示，水平面A’B’C’是淤积面,平面ABC是地形面三角锥形C-A’B’C’是淤积的体积，通过搜索发现符合条件的有L个。

V_i=(S_A’B’C’*H_{CA’B’C’})/3

$V3=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i=163.2$

情况ⅱ）如下图12所示，水平面DEFG是淤积面，平面ABC是地形面，楔形AB-DEFG淤积量，通过搜索得到符合条件的有R个。

淤积量的计算：

V_i=(S_DEFG*H_AB-DEFG)/3

$V4=\underset{i}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i$

整个淤积量为：V=V1+V2+V3+V4

综上所述，本发明提供的基于数字高程模型DEM计算淤地坝淤积量的方法及系统，将DEM网格进行三角化后，通过淤积高度自动在DEM上搜索淤积区域的边界，再分别计算所述若干三角形及边界上多边形区域的淤积量，累积得到所需淤地坝的淤积量，与原来的采用的计算淤积量的方法相比，本发明提供的方法计算速度与计算精度明显提高。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于DEM计算淤地坝中淤积量的方法，其特征在于，包括：

获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程；

在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淤积高程的点，得到若干三角形区域；

搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；

基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的淤积量；

将所计算得到的各区域淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。

2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述对DEM进行三角化，包括：

根据所述高程确定的DEM绘制得到相应的网格图；

基于各网格中心点重新划分网格，得到网格大小不变新的网格图；

连接每一个正方形新网格的一个对角线，将每个正方形划分成两个三角形。

3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，

所述基准线为所述淤地坝的坝轴线。

4.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域的淤积量，具体包括：

假定A、B、C为空间中由DEM划分的三角形区域的三个顶点，

a)如果A、B、C三个点的高程都比淤积面高，是地形原来的土体，没有淤积；

b）如果A、B、C三个点的高程都比淤积面低，则ABC平面与淤积面之间的体积为所求的该三角形区域的淤积量；

c）如果A、B、C三个点中有一个点或两个点的高程等同于淤积面，则三角锥形为淤积体积；

d）如果A、B、C三个点高程有比淤积面高同时有比淤积面低，则被淹没面切割成一个三角锥形或一楔形，该三角锥形或楔形的体积为所求的该三角形区域的淤积量。

5.一种基于DEM计算淤地坝淤积量的系统，其特征在于，包括：

DEM数据获取单元，用于获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

DEM处理单元，用于对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程；

搜索单元，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淹没高程的点，得到若干三角形；

边界处理单元，用于搜索淹没区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；

计算单元，基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的淤积量，并将所计算得到的各区域淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。

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