CN106096129B

CN106096129B - 一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法

Info

Publication number: CN106096129B
Application number: CN201610404346.7A
Authority: CN
Inventors: 杨俊宴; 陆小波
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-06-12
Filing date: 2016-06-12
Publication date: 2019-03-19
Anticipated expiration: 2036-06-12
Also published as: CN106096129A

Abstract

本发明公开了一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其步骤包根据山地高程点数据建立数字高程模型；基于数字高程模型进行汇水分析提取山脚汇水区域；由降水量和土壤入渗率进行山脚汇水量模拟计算；模拟水面形态，确定山脚水面规模布局。本发明运用计算机信息技术基于三维表面进行汇水计算分析模拟，进而为山脚水面规模分析提供了量化方法；本发明为水面形态模拟和布局工程实践提供了理性的技术手段；本发明通过水面规模测算分析为防洪排涝和自然蓄水提供了数据支撑，有效实现了理性分析判断，从而更好地辅助水利工程、城市规划工程和景观规划工程实践。

Description

一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法

技术领域

本发明涉及一种规划工程实践的分析方法，特别是一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法。

背景技术

随着计算机技术和信息处理技术的飞速发展，为满足各种水利、景观、规划工程自动化的要求，三维信息技术逐渐在水利、景观和规划工程实践领域受到重视。山地汇水分析作为GIS三维表面分析的一种重要方法，利用三维表面包含丰富的空间信息来表达地形起伏的特征信息，在此基础上利用坡向地形分析从而进行汇水分析，通过提取汇水范围和计算汇水量来确定山脚水面规模，为水利、规划和景观工程实践中的水面规模形态布局提供扎实的数据支撑。尤其在对重要山体防洪排涝和自然蓄水工程测算时，以及在进行景区的大型水面布局和设置水面形态、规模时，山地汇水点和汇水面面积的计算为其提供更加理性的判断及数据支撑。

在水利、城市规划和景观规划工程实践中进行水体测算时，传统的方法多以二维地形图为基础进行测绘估算，而在水面布局和规模设置时，又以主观臆断的二维图纸勾画为主，这些方法局限在二维平面图纸上，并局限于人脑主观思维下而进行的空间再创造，缺少理性的技术数据支撑，显然不具说服力。在水利、城市规划和景观规划工程实践中，缺乏技术数据的理性分析支撑，尤其缺乏三维空间视角下对山脚汇水量和水面面积规模的模拟测算方面的方法和应用。

发明内容

为了解决上述技术问题和不足，本发明的目的是：提供一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，在三维地形上进行汇水计算分析，提取汇水范围和计算汇水量，模拟不同水深的水面形态，筛选理想形态进而确定山脚水面规模。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，包括以下步骤：

1)根据山地高程点数据建立数字高程模型；

2)基于数字高程模型进行汇水分析提取山脚汇水区域；

3)基于降水量和土壤入渗率进行山脚汇水量模拟计算；

4)模拟水面形态，确定山脚水面规模布局。

进一步地，所述一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征是步骤1)根据山地高程点数据建立数字高程模型，具体为：

1.1)提取高程点数据：将需要进行规划设计范围内的地形图矢量文件导入AutoCAD软件中，设置坐标系并分成不同的图层类型，将处理好的矢量数据dwg文件以dxf格式进行存储；

1.2)将数据导入地理分析软件：在ArcGIS地理分析软件中创建新图层，将建立数字高程模型所需的高程点数据图层导入，设置图层坐标系。其他图层导入后作为底图图层；

1.3)创建数字高程模型之不规则三角网TIN表面：运用ArcGIS中的三维分析模块，选择Create TIN From Features(由要素创建TIN)命令。具体地，在对话框中选择创建TIN所要使用的要素图层，选择要使用的其它要素类，再对每个要素类选择高程字段为高程点数据图层，选择要素合成方式为多边形，最后，设置输出路径及名称，得到地形栅格图像。

进一步地，步骤1.1)所述图层类型包括高程点数据图层、等高线图层、建筑及环境图层。

进一步地，所述一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征是步骤2)基于数字高程模型进行汇水分析提取山脚汇水区域，具体为：

2.1)坡向地形分析：在ArcGIS中选择表面分析的坡向工具(Aspect)，具体地，选择输入表面数据(Input surface)，指定输出栅格单元大小，最后指定输出路径和文件名，得到坡向分析结果并以彩色栅格图像显示。

2.2)分析汇水水流方向：在坡向分析结果的基础上采用D8算法(最大距离权落差)来计算水流方向，具体地，运用ArcGIS中水文分析的流向分析工具，在对话框中选择输入的数字高程模型数据TIN，指定输出路径和文件名，点击确定后得到流向栅格图像。

2.3)计算划分山脚主要汇水流域：运用水文分析的盆域分析工具，以步骤1.3)得到的地形栅格数据、步骤2.1)得到的坡向栅格和步骤2.2)得到的流向栅格数据为参数输入计算，指定输出路径和文件名，自动计算后划分出山脚主要汇水流域；。

进一步地，所述一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征是步骤3)基于降水量和土壤入渗率进行山脚汇水量模拟计算，具体为：

3.1)计算年平均降水量：降水在重力作用下由高处汇入低洼地，降水量是汇水量的主要来源，这里用年平均降水深来衡量平均降水量的大小，在本发明中以近5年的气象统计资料为依据，将年降水深统计加和后取平均值得到年平均降水深P，计算公式为：

(式中，P表示近5年的年平均降水深，单位为毫米；Pj表示第j年的年降水深，单位为毫米。)

3.2)计算不同植被覆盖面和土质类型下的表面面积：按照研究区域内植被覆盖面和土质类型将TIN表面划分为不同类型，再运用ArcGIS的3D Analyst中的表面分析工具，具体地，选择表面分析工具中的面积与体积统计工具，在弹出的对话框中选择输入不同汇水流域的TIN表面，设定参考平面的高程，指定输出路径和文件名后点击计算分析得到不同植被覆盖面和土质类型下的表面面积A；

3.3)由降水量和土壤入渗率模拟计算山脚汇水量：水文学中的地表径流主要是降水在重力的作用下，除直接蒸发、植物截留、土壤渗透等因素后得到的地表水流，即最大汇水量，地表径流的模拟计算直接决定水面规模大小和布局设置。通过对山地区域近五年的降水分析计算出降水量，根据不同土地类型的土壤入渗率模拟得到山脚地表径流量大小，模拟计算公式为：

式中，W表示可利用地表径流水量，单位为立方米；Ai表示第i种植被覆盖面和土质类型的水面下曲面面积，单位为平方米；P表示年平均降水深，单位为毫米；Ki表示第i种植被覆盖面和土质类型的土壤入渗率，单位为毫米/秒；Ti表示第i种植被覆盖面和土质类型的水量达到饱和容水量所需的时间，单位为秒。

其中，土壤入渗率Ki和土壤渗水量达到饱和容水量所需的时间Ti均是根据研究区域植被覆盖面类型和土质类型综合分析而得。

进一步地，所述一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征是步骤4)模拟水面形态确定山脚水面规模布局，具体为：

4.1)建立库容曲线：运用ArcGIS扩展模块3D Analyst实现库容计算，具体地，选择表面分析工具中的面积与体积统计工具，在弹出的对话框中选择输入不同汇水流域的TIN表面，设定参考平面的高程，选择Calculate statistics above(计算所选表面之上的体积)，得到不同高程对应的体积。由此建立汇水水深与汇水体积关系的库容曲线，纵坐标为水位水深，横坐标为汇水体积即库容；

4.2)根据不同水深进行水面形态模拟：根据库容曲线由最大汇水量估算最大水深，其中最大汇水量是能够用于水面工程营造的最大水量，即步骤3.4)模拟计算出的地表径流水量W，在库容曲线上找出对应最大库容W的点所对应的纵坐标，得到汇水最大水深。由最大水深以每米为递减的水深来对水面形态进行模拟，具体地，利用ArcGIS的SceneControl控件，选择“视图”菜单中的“三维视图”，设置不同水深得到不同的水面形态模拟结果；

4.3)筛选理想的水面形态，进而确定水面规模：利用相关评价指标来筛选理想的水面形态，根据具体工程实践需求来进行选取评价指标并进行权重赋值，得到理想水面形态后，根据对应水深计算水面面积规模，计算公式为；

式中，S为水面面积，单位为平方米；V为理想水面形态对应的汇水量即库容，单位为立方米；H为理想水面形态对应的汇水水深，单位为米。

4.4)最终确定的水面形态还应应符合美学需求，形态布局应尽量贴合山体等高线走势，以减少土方填挖量。

进一步地，步骤4.3)所述评价指标有水面长宽比、岸线长度、岸线近圆率、形状率、分形维数。

有益效果：1.本发明运用计算机信息技术基于三维表面进行汇水计算分析模拟，进而为山脚水面规模分析提供了量化方法；

2.本发明为水面形态模拟和布局工程实践提供数据支撑和理性技术分析方法；

3.本发明通过水面规模测算分析为防洪排涝和自然蓄水提供了数据支撑，有效实现了理性分析判断，从而更好地辅助水利工程、城市规划工程和景观规划工程实践。

附图说明

图1是本发明一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法的流程图；

图2是基于高程点创建TIN表面工作原理示意图；

图3是某山地区域的TIN表面数字高程模型示意图；

图4是某山地区域坡向分析栅格示意图；

图5是某山地区域汇水流向栅格示意图；

图6是某山地区域提取出的山脚汇水流域示意图；

图7是某山地区域流域c库容曲线示意图；

图8是某山地区域模拟分析所得水面规模和形态示意图。

具体实施方式

下面结合某山地区域具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1所示，一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，具体步骤如下：

1)根据某山地区域地形高程点数据建立数字高程模型；

1.1)将某山地区域的地形图矢量文件导入AutoCAD软件中，设置坐标系并分成不同的图层类型，这些图层类型包括高程点数据图层、等高线图层、建筑及环境图层等。将处理好的矢量数据dwg文件以dxf格式进行存储；

1.2)在ArcGIS地理分析软件中创建新图层，将建立数字高程模型所需的高程点数据图层导入，设置图层坐标系。其他图层导入后作为底图图层；

1.3)运用ArcGIS中的三维分析模块，选择Create TIN From Features(由要素创建TIN)命令，图2所示为由点创建TIN三角形表面原理示意图。具体地，在对话框中选择创建TIN所要使用的要素图层为无锡惠山高程点数据图层，选择要素合成方式为多边形，设置输出路径及名称，得到某山地区域的TIN表面数字高程模型及栅格图像(图3)。

1.4)根据高程点绘制TIN表面总结某山地区域主要地形地貌特点：该山地山北山势陡峭一坡到底；山南有四条山脊，自北向南由高及低。主峰高533米，是该山地地区的制高点。该地区地形高差变化较为明显，相对高差最大处达到300多米。

2)基于该山地区域的数字高程模型进行汇水分析提取山脚汇水区域；

2.1)在ArcGIS中选择表面分析的坡向工具(Aspect)，具体地，选择输入表面数据(Input surface)为该山地地区TIN表面，指定输出栅格单元大小，最后指定输出路径和文件名，得到坡向分析结果并以彩色栅格图像显示(图4)。坡向分析结果：该地区一座主峰横贯东西，将山地区域大致分为两部分。主峰北坡坡向大都为东北方向以及北向；主峰南坡则大都为南向以及西南方向。主峰山脊在最东端处发生转折，山体为南北走向，因此出现一定量坡向为东西方向的山坡。该区域西部的山体坡向大都为西向以及西北向。该区域南部山体山脊则无明显的走向，四个方向的坡向呈现出较为均等的形态。

2.2)在坡向分析结果的基础上运用ArcGIS中水文分析的流向分析工具分析汇水水流方向，在对话框中选择输入该区域的TIN数据和坡向分析结果，指定输出路径和文件名，点击确定后得到流向栅格图像(图5)。

2.3)计算划分山脚主要汇水流域：运用水文分析的盆域分析工具，；在ArcGIS中运用水文分析的盆域分析工具，以步骤1.3)得到的地形栅格数据、步骤2.1)得到的坡向栅格和步骤2.2)得到的流向栅格数据为参数输入计算，指定输出路径和文件名，自动计算后划分出山脚主要汇水流域，得到该山地区域五个主要汇水点，分别在北部、西部、东南部、西南部和中间谷地(图6)；

3)基于降水量和土壤入渗率进行山脚汇水量模拟计算，具体地：

3.1)获取该山地区域近5年的气象统计资料，加权五年降水深取平均值得到年平均降水深为1029.3毫米。

3.2)查阅资料获取研究区域内植被覆盖面和土质类型，主要为自然林地、自然草地、裸露石质表面和人工林地四种类型，将TIN表面按四种类型进行划分，在ArcGIS的3DAnalyst中选择表面分析工具中的面积与体积统计工具，在弹出的对话框中选择输入不同汇水流域的TIN表面，设定参考平面的高程，指定输出路径和文件名后点击计算分析得到各汇水流域下不同植被覆盖面和土质类型下的表面面积；

3.3)根据不同植被覆盖面和土质类型模拟计算山脚地表径流，得到五个汇水流域的山脚地表径流水量分别为：流域a为22572立方米，流域b为19213立方米，流域c为15900立方米，流域d为17087立方米，流域e为10757立方米，流域f为5012立方米。

4)模拟某山地区域水面形态，确定山脚水面规模布局，具体为：

4.1)在ArcGIS的3D Analyst中选择表面分析工具中的面积与体积统计工具，在弹出的对话框中选择输入不同汇水流域的TIN表面，设定参考平面的高程，选择Calculatestatistics above，得到不同高程对应的体积。由此建立汇水水深与汇水体积关系的库容曲线，纵坐标为水位水深，横坐标为汇水体积即库容，图7所示为流域c汇水体积计算下建立的库容曲线图。

4.2)根据步骤3.4)模拟计算出的地表径流水量，在库容曲线上找出对应最大库容的点所对应的纵坐标，得到汇水最大水深，流域a最大水深为5米，流域b最大水深为5米，流域c最大水深为7米，流域d最大水深为6米，流域e为最大水深3米，流域f最大水深为3米。利用ArcGIS的Scene Control控件在不同流域用不同水深来对水面形态进行模拟，选择“视图”菜单中的“三维视图”，设置不同水深得到不同的水面形态模拟结果；

4.3)利用水面长宽比、岸线长度、岸线近圆率、形状率、分形维数等评价指标来筛选理想的水面形态，计算得水面规模，其中流域a水面面积为15307平方米，流域b水面面积为12420平方米，流域c水面面积为8811平方米，流域d水面面积为8072平方米，流域e水面面积为5760平方米，流域f水面面积为1253平方米，如图8所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据山地高程点数据建立数字高程模型；具体做法为：

1.2)将数据导入地理分析软件：在ArcGIS地理分析软件中创建新图层，将建立数字高程模型所需的高程点数据图层导入，设置图层坐标系；其他图层导入后作为底图图层；

1.3)创建数字高程模型之不规则三角网TIN表面：运用ArcGIS中的三维分析模块，选择Create TIN From Features命令；具体如下：在对话框中选择创建TIN所要使用的要素图层，选择要使用的其它要素类，再对每个要素类选择高程字段为高程点数据图层，选择要素合成方式为多边形，最后，设置输出路径及名称，得到地形栅格图像；

2)基于数字高程模型进行汇水分析提取山脚汇水区域；具体过程为：

2.1)坡向地形分析：在ArcGIS中选择表面分析的坡向工具，具体如下：选择输入表面数据，指定输出栅格单元大小，最后指定输出路径和文件名，得到坡向分析结果并以彩色栅格图像显示；

2.2)分析汇水水流方向：在坡向分析结果的基础上采用D8算法来计算水流方向，具体如下：运用ArcGIS中水文分析的流向分析工具，在对话框中选择输入的数字高程模型数据TIN，指定输出路径和文件名，点击确定后得到流向栅格图像；

2.3)计算划分山脚主要汇水流域：运用水文分析的盆域分析工具，以步骤1.3)得到的地形栅格数据、步骤2.1)得到的坡向栅格和步骤2.2)得到的流向栅格数据为参数输入计算，指定输出路径和文件名，自动计算后划分出山脚主要汇水流域；

3)基于降水量和土壤入渗率进行山脚汇水量模拟计算；

4)模拟水面形态，确定山脚水面规模布局。

2.根据权利要求1所述一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征在于：步骤1.1)所述图层类型包括高程点数据图层、等高线图层、建筑及环境图层。

3.根据权利要求1所述一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征在于：步骤3)基于降水量和土壤入渗率进行山脚汇水量模拟计算具体为：

3.1)计算年平均降水量：降水在重力作用下由高处汇入低洼地，降水量是汇水量的主要来源，这里用年平均降水深来衡量平均降水量的大小，以近5年的气象统计资料为依据，将年降水深统计加和后取平均值得到年平均降水深P，计算公式为：

式中，P表示近5年的年平均降水深，单位为毫米；Pj表示第j年的年降水深，单位为毫米；

3.2)计算不同植被覆盖面和土质类型下的表面面积：按照研究区域内植被覆盖面和土质类型将TIN表面划分为不同类型，再运用ArcGIS的3D Analyst中的表面分析工具，具体如下：选择表面分析工具中的面积与体积统计工具，在弹出的对话框中选择输入不同汇水流域的TIN表面，设定参考平面的高程，指定输出路径和文件名后点击计算分析得到不同植被覆盖面和土质类型下的表面面积A；

3.3)由降水量和土壤入渗率模拟计算山脚汇水量：通过对山地区域近五年的降水分析计算出降水量，根据不同土地类型的土壤入渗率模拟得到山脚地表径流量大小，模拟计算公式为：

式中，W表示可利用地表径流水量，单位为立方米；Ai表示第i种植被覆盖面和土质类型的水面下曲面面积，单位为平方米；P表示年平均降水深，单位为毫米；Ki表示第i种植被覆盖面和土质类型的土壤入渗率，单位为毫米/秒；Ti表示第i种植被覆盖面和土质类型的水量达到饱和容水量所需的时间，单位为秒；

4.根据权利要求3所述一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征在于：步骤4)模拟水面形态确定山脚水面规模布局具体为：

4.1)建立库容曲线：运用ArcGIS扩展模块3D Analyst实现库容计算，具体如下：选择表面分析工具中的面积与体积统计工具，在弹出的对话框中选择输入不同汇水流域的TIN表面，设定参考平面的高程，选择Calculate statistics above，得到不同高程对应的体积；由此建立汇水水深与汇水体积关系的库容曲线，纵坐标为水位水深，横坐标为汇水体积即库容；

4.2)根据不同水深进行水面形态模拟：根据库容曲线由最大汇水量估算最大水深，其中最大汇水量是能够用于水面工程营造的最大水量，即步骤3.4)模拟计算出的地表径流水量W，在库容曲线上找出对应最大库容W的点所对应的纵坐标，得到汇水最大水深；由最大水深以每米为递减的水深来对水面形态进行模拟，具体地，利用ArcGIS的Scene Control控件，选择视图菜单中的三维视图，设置不同水深得到不同的水面形态模拟结果；

式中，S为水面面积，单位为平方米；V为理想水面形态对应的汇水量即库容，单位为立方米；H为理想水面形态对应的汇水水深，单位为米；

4.4)最终确定的水面形态还应符合美学需求，形态布局最大程度贴合山体等高线走势，以减少土方填挖量。

5.根据权利要求4所述一种基于山地汇水计算的山脚水面规模分析方法，其特征在于：步骤4.3)所述评价指标有水面长宽比、岸线长度、岸线近圆率、形状率、分形维数。