CN108197283A - 利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，通过地理信息平台ArcGis提供的数据处理工具，步骤如下：1、监测断面布置；2、河道DEM生产；3、网格面要素制作；4、网格地形插值；5、各时刻网格水深插值；6、时态数据制作；步骤7、洪水动态展示。本发明完全改变了传统河道水位的展示方式，不仅能实现大量监测水位数据的联合展示，而且将洪水数据叠加到地形图、航拍影像图、DEM上后，展示效果将更加形象逼真，如同真实的洪水在河道上流淌一样，在展示过程中诸如水面宽度变化、水深分布、洪峰位置等情况一目了然，从而辅助决策部门更直观的掌握洪水的整体动态，达到促进了水利信息化技术的发展目的。
Description
技术领域
本发明涉及GIS技术、水利信息化技术在河道防洪方面的应用，尤其是涉及利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法。
背景技术
当前，基于河道水位监测数据开发的水利信息化系统，在河道防洪和辅助决策方面发挥着重要作用。然而在河道水位数据的展示方面，往往通过简单的表格、曲线或纵横剖面图来展示，这种展示方式一方面无法匹配地图、航拍影像图直观展示洪水的演进过程、洪峰位置等信息，另一方面当监测断面多、监测数据量大时，同时展示多个断面水位过程将令人眼花缭乱，无法整体了解洪水动态。
发明内容
本发明目的在于提供一种利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，实现展示过程中河道水面宽度变化、水深分布、洪峰位置等信息一目了然。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，通过地理信息平台ArcGis所提供的数据处理工具，按照下述步骤进行：
步骤1、监测断面布置：
所述监测断面布置原则为：在成本允许的情况下，尽可能多的布置水位监测断面，包括在河道纵坡、水位突变的位置布置监测断面，以使其他位置水位内插精度更高，各所述监测断面同一时刻水位结果只能有一个值；同时，为进行实时洪水动态展示，采用电子水尺等监测设备自动采集河道断面水位数据；
步骤2、河道DEM生产：
通过采用专业测量设备或根据河道断面内插两种方式生产河道DEM，范围大于河道最大可能的水面宽；
步骤3、网格面要素制作：
在所述ArcGis中通过采用空间数据处理流程，基于步骤2所述的河道DEM，制作网格矢量面要素；
步骤4、网格地形插值：
在所述ArcGis中，采用ArcGis中的“插值Shape”工具，以步骤2生产的河道DEM为基础，对步骤3制作的所述网格矢量面要素进行插值，使网格矢量面要素具有高程属性；
步骤5、各时刻网格水深插值：
基于各时刻各所述监测断面实测水位，对网格水位进行插值，进而通过水位减地形高程得到水深；
步骤6、时态数据制作：
在所述ArcGis中，通过空间数据处理流程将各时刻包含水深信息的网格shp图层合并成一个包含时态数据的结果shp图层，并添加对应的时间字段属性；
步骤7、洪水动态展示：
在所述ArcGis中通过对最终的所述结果shp图层进行设置，实现洪水的二、三维动态展示，方法为：在图层属性符号系统里，对水深属性值不同的所述网格矢量面要素设置不同的颜色和透明度，实现分色渲染，并叠加到矢量地形图、航拍影像图和DEM上后，通过在ArcGis桌面端按一定帧率播放该时态数据，实现洪水在桌面端的高逼真二、三维动态展示，或发布成Gis服务，成为相关水利信息化系统后台服务的一部分，实现在Web端的高逼真洪水二三维动态展示。
实现步骤2 根据河道断面内插生产河道DEM的方法为：
步骤2.1、以河道中心线和各河道断面上的控制点（包含中心距、高程信息）为基础，通过几何计算得到各河道断面上所述控制点的平面坐标，结合其高程坐标（Z坐标），使其成为包含X、Y、Z坐标信息的高程散点数据；
步骤2.2、以EXCEL格式将所述高程散点数据导入所述ArcGis中，生成包含X、Y、Z坐标信息的矢量点要素；
步骤2.3、采用所述ArcGis中的“自然领域法”工具，以所述矢量点要素为基础，使用自然邻域法内插方式将高程散点数据生产成DEM栅格面。
实现步骤3中基于河道DEM制作网格矢量面要素的空间数据处理方法为：
步骤3.1、河道地形Tin生产：采用所述ArcGis中的“栅格转Tin”工具，以所述河道DEM为基础，按一定精度将河道DEM栅格转为Tin（英文Triangulated Irregular Network的缩写，不规则三角网）格式；
步骤3.2、网格矢量面要素生产：采用所述ArcGis中的“TIN三角形”工具，将河道地形Tin转换成三角形的网格矢量面要素。
实现步骤5对各时刻网格水深进行插值的方法为：
步骤5.1、根据洪水动态展示流畅度需要，按一定时间步长提取各时刻下所有河道所述监测断面的水位数据；
步骤5.2、采用同步骤2~步骤4的方法，通过空间数据处理方法，内插各时刻下网格矢量面要素的水位属性值，使各网格矢量面要素进一步具有该时刻下的水位属性，并根据时刻顺序单独保存为一系列shp图层，即一个时刻保存一个shp图层；
步骤5.3、针对各时刻所述shp图层，均采取水位属性减地形高程属性，得到水深属性；
步骤5.4、删除水深属性值为负的网格矢量面要素。
所述内插各时刻下网格矢量面要素的水位属性值的空间数据处理方法为：
步骤5.2.1、绘制河道中心线和水位监测断面线：在所述ArcGis中绘制河道中心线和各水位监测断面线，所述水位监测断面线垂直于河道中心线，左、右侧范围同河道DEM在该监测断面处的宽度范围；
步骤5.2.2、构造断面点要素：在各所述水位监测断面线上，通过所述ArcGis编辑工具中的“构造点”工具，以≦步骤3制作的网格矢量面要素最大宽度的间距，均匀内插构造一系列点矢量要素；
步骤5.2.3、水位属性赋值：将各所述监测断面上的监测水位赋值给该监测断面上构造的所述矢量点要素；
步骤5.2.4、水位DEM生产：采用所述ArcGis中的“自然领域法”工具，以上述矢量点要素和其水位属性为基础，使用自然邻域法内插方式将包含水位属性的矢量点要素生产成高程为水位的DEM栅格面；
步骤5.2.5、网格水位属性插值：采用所述ArcGis中的“插值Shape”工具，基于上述水位DEM栅格面，对步骤3制作的网格矢量面要素进行插值，使网格矢量面要素具有水位属性。
在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤6制作时态数据的空间数据处理方法为：
步骤6.1、添加时间属性字段：采用所述ArcGis中的“添加字段”工具，在步骤6制作的各时刻结果shp图层里，添加与该时刻对应的时间字段属性；
步骤6.2、要素和图层合并：采用所述ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻结果shp图层进行合并，使之最终成为一个整体的结果shp文件；
步骤6.3、设置为时态数据：在所述整体的结果shp文件图层属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔参数。
本发明完全改变了传统河道水位的展示方式，不仅能实现大量监测水位数据的联合展示，而且将洪水数据叠加到地形图、航拍影像图、DEM上后，展示效果将更加形象逼真，如同真实的洪水在河道上流淌一样，在展示过程中诸如水面宽度变化、水深分布、洪峰位置等情况一目了然，从而辅助决策部门更直观的掌握洪水的整体动态，达到促进了水利信息化技术的发展目的。
附图说明
图1是本发明方法总流程框图和各技术节点子流程框图。
图2.1是本发明所述包含高程信息的河道断面控制点示意图。
图2.2是本发明通过几何计算得到的河道断面上控制点x,y,z（高程坐标）示意图。
图2.3是本发明所述导入arcgis成为包含x、y、z高程坐标信息的高程点要素示意图。
图2.4是本发明所述在arcgis中采用“自然领域法”将高程点生产为河道DEM栅格面示意图。
图3.1是本发明所述绘制河道中心线和与其垂直的监测断面线示意图。
图3.2是本发明所述在监测断面线上等距构造矢量点要素的示意图。
图3.3是本发明所述将各监测断面上的监测水位属性赋值给该断面上构造的矢量点要素示意图。
图3.4是本发明所述采用“自然领域法”将包含水位属性的矢量点要素生产为水位DEM栅格面的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本发明所述利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，现以一条河道的洪水动态展示为例，通过利用该河道基本资料和实测洪水水位进行高逼真的洪水二、三维动态展示，具体步骤如下：
步骤1、监测断面布置：
河道水位监测断面布置的越多，数据量越大，则洪水动态展示精度越高、效果越好，故在成本允许的情况下，尽可能多的布置水位监测断面，至少应在河道纵坡、水位突变的位置布置监测断面，以使其他位置水位内插精度更高，各监测断面同一时刻水位结果只能有一个值；同时，为进行实时洪水动态展示，应采用电子水尺等监测设备自动采集河道断面水位。
步骤2、河道DEM（英文Digital Elevation Model的缩写, 数字高程模型）生产：
通过采用专业测量设备（如全站仪、水下探测仪等）或根据河道断面内插方式生产河道DEM，范围应大于河道最大可能的水面宽；采用河道断面内插生产DEM的方法为：
步骤2.1、如附图2.1所示，以河道中心线1和河道断面上的控制点2（包含中心距、高程信息）为基础，通过几何计算得到河道断面上控制点2的平面坐标，结合其高程坐标（Z坐标），使其成为包含X、Y、Z坐标信息的高程散点数据，如附图2.2所示；
步骤2.2、以EXCEL格式将这些高程散点导入ArcGis中，生成包含X、Y、Z坐标信息的矢量点要素3，附图2.3所示；
步骤2.3、采用ArcGis中的“自然领域法”工具，以矢量点要素3为基础，使用自然邻域法内插方式将高程散点生产成河道DEM栅格面，附图2.4所示。
步骤3、网格面要素制作：
为进行洪水动态展示，首先需要生产洪水动态展示的基本要素---网格状面要素，在ArcGis中通过采用空间数据处理方法实现，步骤为：
步骤3.1、河道地形Tin生产：采用ArcGis中的“栅格转Tin”工具，以步骤2.3生产的河道DEM栅格面为基础，按一定精度（如误差0.1m，根据网格量的大小和实际精度需求确定）将河道DEM栅格面转为Tin格式；
步骤3.2、网格矢量面要素生产：采用ArcGis中的“TIN三角形”工具，将河道地形Tin转换成三角形的网格矢量面要素。
步骤4、网格地形插值：
如图2.3所示，在ArcGis中，采用ArcGis中的“插值Shape”工具，基于步骤2.4生产的河道DEM栅格面对步骤3.2制作的网格矢量面要素进行插值，使网格矢量面要素具有高程属性。
步骤5、各时刻网格水深插值：
步骤5.1、如图3.1所示，根据洪水动态展示流畅度需要，按一定时间步长（如5分钟一次），提取各时刻下河道监测断面4的水位数据；
步骤5.2、采用同步骤2~步骤4的方法，通过空间数据处理方法内插各时刻下网格矢量面要素的水位属性值，使各网格矢量面要素进一步具有该时刻下的水位属性，并根据时刻顺序单独保存为一系列shp图层（一个时刻保存一个）；通过空间数据处理方法内插各时刻下网格矢量面要素的水位属性值的方法为：
步骤5.2.1、如图3.1、3.2所示，绘制河道中心线1和水位监测断面线4：在 ArcGis中绘制河道中心线1和布置的水位监测断面线4，水位监测断面线4需垂直于河道中心线1，左、右侧范围同河道DEM范围线5.1、5.2在该水位监测断面处的宽度范围；
步骤5.2.2、构造断面矢量点要素：在各水位监测断面线4上，通过ArcGis编辑工具中的“构造点”工具，以不大于步骤3生产的网格矢量面要素最大宽度的间距，均匀内插构造一系列点矢量要素3；
步骤5.2.3、水位属性赋值：如图3.3所示，将各监测断面上的监测水位属性赋值给该断面上构造的矢量点要素3；
步骤5.2.4、水位DEM的生产：采用ArcGis中的“自然领域法”工具，以上述矢量点要素3和其水位属性为基础，使用自然邻域法内插方式将包含水位属性的矢量点要素3生产成高程为水位的DEM栅格面，如图3.4所示；
步骤5.2.5、网格水位插值：采用ArcGis中的“插值Shape”工具，基于步骤5.2.4水位DEM栅格面，对步骤3制作的网格矢量面要素进行插值，使网格面要素具有水位属性。
步骤5.3、针对各时刻shp图层，均采取水位属性减地形高程属性，得到水深属性；
步骤5.4、删除水深属性值为负的网格面要素。
步骤6、时态数据制作：
为最终实现洪水的动态展示，需要将各时刻结果shp图层合并成一个包含时态数据的shp图层，并添加对应的时间字段属性；方法为：
步骤6.1、添加时间属性字段：采用ArcGis中的“添加字段”工具，在步骤5制作的各时刻shp图层里，添加与该时刻对应的时间字段属性；
步骤6.2、要素和图层合并：采用ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻结果shp图层进行合并，使之最终成为一个整体的结果shp文件；
步骤6.3、设置为时态数据：在整体的结果shp文件图层属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔等参数。
步骤7、洪水动态展示：
在ArcGis中，通过对整体的结果shp文件图层进行设置，实现洪水的动态展示，方法为：在图层属性符号系统里，对水深属性值不同的网格矢量面要素设置不同的颜色，并设置一定的透明度，实现分色渲染，并叠加到矢量地形图、航拍影像图和DEM栅格面上后，通过在ArcGis桌面端按一定帧率播放该时态数据，即可实现洪水在桌面端的高逼真动态展示；其中在ArcGis桌面端的二维产品ArcMap中直接实现二维动态展示；而在ArcGis桌面端的三维产品ArcScene 中，由于结果shp图层里的网格矢量面要素还有水位属性，将其设置为Z值（高程值）后，即可实现三维动态展示。同时，不管是二维还是三维维动态展示，均可发布成Gis服务，成为相关水利信息化系统后台服务的一部分，实现在Web端的高逼真洪水二三维动态展示。
Claims (6)
1.一种利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，其特征在于：通过地理信息平台ArcGis所提供的数据处理工具，按照下述步骤进行：
步骤1、监测断面布置：
所述监测断面布置原则为：布置的水位监测断面包括在河道纵坡、水位突变的位置布置监测断面，以使其他位置水位内插精度更高，各所述监测断面同一时刻水位结果只能有一个值；同时，为进行实时洪水动态展示，采用监测设备自动采集河道断面水位数据；
步骤2、河道DEM生产：
通过采用专业测量设备或根据河道断面内插两种方式生产河道DEM，范围大于河道最大的水面宽；
步骤3、网格面要素制作：
在所述ArcGis中通过采用空间数据处理流程，基于步骤2所述的河道DEM，制作网格矢量面要素；
步骤4、网格地形插值：
在所述ArcGis中，采用ArcGis中的“插值Shape”工具，以步骤2生产的河道DEM为基础，对步骤3制作的所述网格矢量面要素进行插值，使网格矢量面要素具有高程属性；
步骤5、各时刻网格水深插值：
基于各时刻各所述监测断面实测水位，对网格水位进行插值，进而通过水位减地形高程得到水深；
步骤6、时态数据制作：
在所述ArcGis中，通过空间数据处理流程将各时刻包含水深信息的网格shp图层合并成一个包含时态数据的结果shp图层，并添加对应的时间字段属性；
步骤7、洪水动态展示：
在所述ArcGis中通过对最终的所述结果shp图层进行设置，实现洪水的二、三维动态展示，方法为：在图层属性符号系统里，对水深属性值不同的所述网格矢量面要素设置不同的颜色和透明度，实现分色渲染，并叠加到矢量地形图、航拍影像图和DEM上后，通过在ArcGis桌面端按一定帧率播放该时态数据，实现洪水在桌面端的高逼真二、三维动态展示，或发布成Gis服务，成为相关水利信息化系统后台服务的一部分，实现在Web端的高逼真洪水二三维动态展示。
2.根据权利要求1所述利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，其特征在于：实现步骤2 根据河道断面内插生产河道DEM的方法为：
步骤2.1、以河道中心线和各河道断面上的控制点为基础，通过几何计算得到各河道断面上所述控制点的平面坐标，结合其高程坐标，使其成为包含X、Y、Z坐标信息的高程散点数据；
步骤2.2、以EXCEL格式将所述高程散点数据导入所述ArcGis中，生成包含X、Y、Z坐标信息的矢量点要素；
步骤2.3、采用所述ArcGis中的“自然领域法”工具，以所述矢量点要素为基础，使用自然邻域法内插方式将高程散点数据生产成DEM栅格面。
3.根据权利要求1所述利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，其特征在于：实现步骤3中基于河道DEM制作网格矢量面要素的空间数据处理方法为：
步骤3.1、河道地形Tin生产：采用所述ArcGis中的“栅格转Tin”工具，以所述河道DEM为基础，按一定精度将河道DEM栅格转为Tin格式；
步骤3.2、网格矢量面要素生产：采用所述ArcGis中的“TIN三角形”工具，将河道地形Tin转换成三角形的网格矢量面要素。
4.根据权利要求1所述利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，其特征在于：实现步骤5对各时刻网格水深进行插值的方法为：
步骤5.1、根据洪水动态展示流畅度需要，按一定时间步长提取各时刻下所有河道所述监测断面的水位数据；
步骤5.2、采用同步骤2~步骤4的方法，通过空间数据处理方法，内插各时刻下网格矢量面要素的水位属性值，使各网格矢量面要素进一步具有该时刻下的水位属性，并根据时刻顺序单独保存为一系列shp图层，即一个时刻保存一个shp图层；
步骤5.3、针对各时刻所述shp图层，均采取水位属性减地形高程属性，得到水深属性；
步骤5.4、删除水深属性值为负的网格矢量面要素。
5.根据权利要求4所述利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，其特征在于：所述内插各时刻下网格矢量面要素的水位属性值的空间数据处理方法为：
步骤5.2.1、绘制河道中心线和水位监测断面线：在所述ArcGis中绘制河道中心线和各水位监测断面线，所述水位监测断面线垂直于河道中心线，左、右侧范围同河道DEM在该监测断面处的宽度范围；
步骤5.2.2、构造断面点要素：在各所述水位监测断面线上，通过所述ArcGis编辑工具中的“构造点”工具，以≦步骤3制作的网格矢量面要素最大宽度的间距，均匀内插构造一系列点矢量要素；
步骤5.2.3、水位属性赋值：将各所述监测断面上的监测水位赋值给该监测断面上构造的所述矢量点要素；
步骤5.2.4、水位DEM生产：采用所述ArcGis中的“自然领域法”工具，以上述矢量点要素和其水位属性为基础，使用自然邻域法内插方式将包含水位属性的矢量点要素生产成高程为水位的DEM栅格面；
步骤5.2.5、网格水位属性插值：采用所述ArcGis中的“插值Shape”工具，基于上述水位DEM栅格面，对步骤3制作的网格矢量面要素进行插值，使网格矢量面要素具有水位属性。
6.根据权利要求1所述利用河道实测水位进行洪水二、三维动态展示的方法，其特征在于：在所述地理信息平台ArcGis中，实现步骤6制作时态数据的空间数据处理方法为：
步骤6.1、添加时间属性字段：采用所述ArcGis中的“添加字段”工具，在步骤6制作的各时刻结果shp图层里，添加与该时刻对应的时间字段属性；
步骤6.2、要素和图层合并：采用所述ArcGis中的“追加”工具，按时间从前到后的顺序，对添加完时间字段属性的各时刻结果shp图层进行合并，使之最终成为一个整体的结果shp文件；
步骤6.3、设置为时态数据：在所述整体的结果shp文件图层属性里启用时间，使之成为时态数据，并设置时间字段、时间步长间隔参数。
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