CN112967354B - 一种基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形的方法，包括：1、获取遥感影像资料，确定相关河段左右两岸水边线及江心洲滩边界的位置；2、获取河段沿程各固定断面地形资料与端点的大地坐标，划分滩槽，估算最大淹没范围，计算各固定断面的左右侧边界位置；3、在遥感影像中添加实测各固定断面位置、各断面的主槽区域及最大淹没范围的左右侧边界位置；4、基于区域边界、左右岸边界线，采用Delft 3D生成主槽区域加密的二维曲线网格；5、基于Delft 3D生成的二维曲线网格进行地形插值，最终生成研究区域的二维地形。本发明可以突破由于水下地形测量数据匮乏造成的河道二维数值模拟精度不足的技术瓶颈，具有重要的科学意义和工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于河床演变学与河流动力学技术领域，具体涉及一种基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形的方法。
背景技术
河道数字地形是二维水沙数学模型计算的初始河床地形条件，也是河道二维水流流速场、泥沙浓度场及河势演变可视化的基础数据。黄河下游社会经济的发展对洪水预警手段和防洪减灾能力提出了更高要求，如何提高二维水沙模型的计算精度成为关键。
对于二维模型而言，其模拟结果能否反映实际情况取决于计算网格上底部高程插值结果的好坏。常用的底部高程数据来源于数字地面模型(DTM)和固定断面上的起点距—高程数据。对于常年淹没的河道，DTM无法提供有用的信息。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，河势演变较快。尽管每年汛前、汛后都进行大断面观测，但固定观测大断面的布设间距一般较大，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三种，第一种是利用河道地形图及卫星图像或遥感影像，提取所需的地形数据。由于河道地形测量周期长，投入经费大，而遥感影像又没有水下地形数据，很难满足实际应用中对地形数据的需要；第二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，难以满足生产中对河槽地形时效性和精度的要求；第三种方法是采用曲面内插技术，结合卫星图像、遥感影像数据、河道观测大断面资料及下游关键控制点的水位流量关系，可以快速生成黄河下游河道地形，但内插断面时效性有待提高。
因此对缺乏水下地形测量数据的河道提出一种基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成河道二维地形的方法，具有重要的科学意义及工程实用价值。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形的方法，该方法可以在资料有限的情况下生成一个较为准确的二维地形，提高计算精度。
本发明提供的技术方案如下：
一种基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形的方法，包括以下步骤：
步骤1.获取遥感影像资料，确定对应时间该河段两岸水边线及江心洲滩边界位置：
步骤2.获取河段沿程各固定断面地形资料与端点的大地坐标，根据洪水量级，估算可能的最大淹没范围，确定计算河段内各固定断面的左右侧边界位置；
步骤3.在遥感影像中添加实测各固定断面位置、各断面的主槽区域及最大淹没范围的左右侧边界位置；
步骤4.基于研究区域边界、左右岸边界线，采用Delft 3D生成主槽区域加密的二维曲线网格；
步骤5.基于Delft 3D生成的二维曲线网格进行地形插值，最终生成加密后的二维地形网格。
进一步，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤1.1下载对应时间的遥感影像，合成遥感影像中的多个不同波段；
步骤1.2利用水体指数计算公式计算陆域与水体边界及江心洲滩边界；
步骤1.3将计算出的水体指数通过ArcMap软件输出水体分布结果，得到相对应的河道图，并提取面积和周长，再经转化提取出左右水边线以及江心洲滩边界线。
更进一步，所述步骤1.2中水体指数计算公式如下：
MNDWI＝(Green－MIR)/(Green+MIR)
式中，Green与MIR分别代表绿光波段和近红外波段；在Landsat 5、7、8卫星中，Green波段分别对应B2、B2、B3，MIR波段分别对应B5、B6、B6。
进一步，所述步骤2中固定断面资料包括固定断面各测点序号、起点距和高程。
进一步，所述步骤3中添加各固定断面位置、各断面的主槽区域及最大淹没范围的左右边界的方法为：根据步骤2中固定断面的经纬度，每个断面使用两个端点用于确定断面位置；采用ArcMap软件将固定断面两端点的经纬度导入遥感影像区域，随后将两个端点连接起来，即可将固定断面位置添加到遥感影像中；根据最大洪水量，确定出最大淹没范围，添加左右侧边界的位置到遥感影像中。
进一步，所述步骤4中，采用Delft 3D生成主槽区域加密的二维曲线网格的方法如下：
将步骤3中得到的左右水边线、江心洲滩边界线、固定断面线及左右侧边界位置线转换为平面坐标，导入到Delft 3D软件中，沿着岸线的轮廓平滑地勾画出引导线，然后采用Change Splines into Grid命令生成网格，然后利用Refine Grid功能将主槽区域进行局部加密；网格生成后，采用Orthogonalise Grid命令对已画网格进行正交处理，重复操作后，使得整个计算区域网格正交性基本处于0～0.01之间，得到最终的二维曲线。
进一步，所述步骤5包括以下子步骤：
步骤5.1基于固定断面上的网格节点的分布，采用实测地形高程，对二维网格上固定断面地形进行概化，并对网格节点标注滩槽；
步骤5.2确定二维网格的节点代码及高程，按实测断面的节点代码及高程，进行纵向分片光滑插值；
步骤5.3确定二维网格的节点代码及高程，按实测断面的节点代码及高程，进行横向基于网格节点的光滑平均插值，加密横断面；
步骤5.4确定二维网格的节点代码及高程，按加密后横断面的节点代码及高程，进行纵剖面分片光滑插值，最终生成加密后的二维地形网格。
更进一步，所述步骤5.3中，对实测固定断面进行插值，加密横断面，对河段内地形复杂点、地形拐点补充高程数据。
更进一步，在步骤5.2及5.3中，纵剖面插值采用的是分片光滑插值，横断面插值采用的是基于网格节点的光滑平均插值。
进一步，所述步骤5中，插值程序为Fortran程序。
进一步，在整个过程中使用的软件情况如下：ArcMap用于遥感影像的处理、水体指数的计算、左右水边线的提取。Delft 3D用于二维曲线网格绘制。Visual Studio及Parallel Studio Cluster Edition用于地形插值程序代码的撰写。
本发明的有益效果：
本发明首先利用遥感技术及地理信息系统技术，获取河段左右两岸水边线及江心洲滩边界位置；接着基于固定断面地形资料，以及估算的可能最大淹没范围，采用Delft 3D生成研究区域的二维曲线网格；最后利用有限固定断面地形资料，进行地形插值，获得与实际相符的二维地形网格。这种基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形的方法有效解决了固定断面地形资料、河道水下地形、河道平面布局图匮乏的问题，突破了概化二维地形与实际不相符的技术瓶颈。本发明具备较强的理论与专业基础，且可操作性和工程应用性较强，可为二维河道水沙数学模拟提供有效地形资料，从而为河道二维水沙输移模拟的准确性提供强有力的保证。
本发明可以突破由于水下地形测量数据匮乏造成的河道二维数值模拟精度不足的技术瓶颈，具有重要的参考价值和工程实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形的方法的流程图；
图2为本发明实施例中涉及的2004年4月1日的Landsat 7遥感影像；
图3为本发明实施例中涉及的Delft 3D生成的二维曲线网格；
图4为本发明实施例中设计的最终生成的符合实际的二维地形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形方法的具体实施方案进行详细地说明。本发明的内容不限于此。
实施例
如图1所示，本实例所提供的基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形方法，包括以下步骤：
步骤1.获取遥感影像资料，确定对应时间该河段左右两岸水边线及江心洲滩边界的位置；包括以下子步骤：
步骤1.1下载对应时间的遥感影像，合成遥感影像中的多个不同波段；
步骤1.2利用水体指数计算公式计算陆域与水体边界及江心洲滩边界：
MNDWI＝(Green－MIR)/(Green+MIR)
式中，Green与MIR分别代表绿光波段和近红外波段；在Landsat 5、7、8卫星中，Green波段分别对应B2、B2、B3，MIR波段分别对应B5、B6、B6；
步骤1.3利用计算出的水体指数可得到相对应的河道图，再利用相应软件提取出左右水边线以及江心洲滩边界线。
本实施例中，进行2004年黄河下游花园口—高村河段二维水下地形生成，采用2004.04的Landsat 7遥感影像，进行7波段合成，其中包括绿色波段及近红外波段，图2给出了2004年4月1日黄河下游花园口—高村段的遥感影像。随后利用ArcMap软件，搜索栅格计算器，在栅格计算器内按照水体指数公式输入相应的波段，输出文件即为水体分布结果；打开工具箱，选择转换工具-由栅格转出-栅格转面，在输入要素中选择相应的栅格文件。在输入要素中选中洲滩所在的面，即可提取出面积和周长；打开编辑，打开属性表，将小面积区域删除，即可得到河道图；打开工具箱，数据管理工具-要素-面转线，将编辑后的河道图转化为线要素，将多余的线删除，打断进出口线条，即可得到左右水边线及江心洲滩边界线，如图2黑色水体边界及注释所示。
步骤2.获取河段沿程各固定断面地形资料与大地坐标，划分滩槽，根据洪水量级，估算可能的最大淹没范围，确定计算河段内各固定断面的左右侧边界位置。
本实施例中，共收集2004年花园口—高村段93个固定断面地形资料与大地坐标，最大洪水流量在3500m3/s，小于十年一遇洪水流量。
步骤3.在遥感影像中添加实测各固定断面位置、各断面的主槽区域及最大淹没范围的左右侧边界位置。
本实施例中，根据93个固定断面的经纬度，每个断面有两个端点用于确定断面位置，采用ArcMap中文件-添加数据-添加XY数据功能，将固定断面两端点的经纬度坐标导入遥感影像区域，随后利用新建线将每个断面两个端点连接起来，即可将固定断面位置添加到遥感影像中；根据最大洪水流量，确定出最大淹没范围，在ArcMap中添加线画出左右侧边界的位置。
步骤4.基于研究区域边界及左右岸边界线，采用Delft 3D生成主槽区域加密的二维曲线网格。
本实施例中，将ArcMap中生成的左右水边线、江心洲滩边界线、固定断面线及左右侧边界位置线转换为平面坐标，经过在Excel中整理后保存为.txt文本文件，然后在.txt文件中编辑并保存为.ldb文件。打开Delft 3D软件，进入主单元，然后进入Grid菜单，点击RGFGRID命令开始进行网格的绘制。将.ldb文件导入到工作框中，沿着岸线的轮廓平滑地勾画出引导线。本实施例中，沿河纵向勾画4条引导线，横向93条引导线。设置M＝400，N＝400，然后采用Change Splines into Grid命令生成网格，然后利用Refine Grid功能将主槽区域进行局部加密。网格生成后，采用Orthogonalise Grid命令对已画网格进行正交处理，经多次操作后，整个计算区域网格正交性基本处于0～0.01之间，故认为网格合理，得到最终的二维曲线网格，图3给出了Delft 3D生成的二维曲线网格。
步骤5.基于Delft 3D生成的二维曲线网格进行地形插值，包括以下子步骤：
步骤5.1基于固定断面上的网格节点的分布，采用实测地形高程，对二维网格上固定断面地形进行概化，并对网格节点标注滩槽；
步骤5.2确定二维网格的节点代码及高程，按实测断面的节点代码及高程，进行纵向分片光滑插值；
步骤5.3确定二维网格的节点代码及高程，按实测断面的节点代码及高程，进行横向基于网格节点的光滑平均插值，加密横断面；
步骤5.4确定二维网格的节点代码及高程，按加密后横断面的节点代码及高程，进行纵剖面分片光滑插值，最终生成加密后的二维地形。
本实施例中，将Delft 3D生成的二维网格坐标作为初始计算条件，采用Fortran程序进行地形插值计算。基于左右边界的范围，对实测固定断面地形进行截取，仅保留计算区域内的地形数据；基于固定断面上的网格节点分布，采用实测地形高程，对二维网格上固定断面地形进行概化，将实测地形高程点个数概化为网格点个数，并按实际地形滩槽标注对网格节点标注滩槽；按照实测断面的网格节点代码及高程，进行纵向分片光滑插值，求解出计算网格上各纵剖面上的高程及滩槽特征值；由于实测固定断面数量有限，很难描绘出地形整体形态，因此需要加密断面，利用实测固定断面的网格节点及高程，分滩槽进行基于网格节点的光滑平均插值，加密横断面；最后利用加密后的横断面网格节点及高程，进行纵剖面分片光滑插值，最终生成一个符合实际的二维地形网格，图4给出了最终生成的符合实际的二维地形。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于有限固定断面地形与遥感影像资料生成二维地形的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1. 获取遥感影像资料，确定对应时间河段左右两岸水边线及江心洲滩边界位置；
步骤2. 获取河段沿程各固定断面地形资料与端点的大地坐标，根据洪水量级，估算可能的最大淹没范围，确定计算河段内各固定断面的左右侧边界位置；
步骤3. 在遥感影像中添加实测各固定断面位置、各断面的主槽区域及最大淹没范围的左右侧边界位置；
步骤4. 基于研究区域边界、左右岸边界线，采用Delft 3D生成主槽区域加密的二维曲线网格；
步骤5. 基于Delft 3D生成的二维曲线网格进行地形插值，最终生成加密后的二维地形网格；
所述步骤5包括以下子步骤：
步骤5.1 基于固定断面上的网格节点的分布，采用实测地形高程，对二维网格上固定断面地形进行概化，并对网格节点标注滩槽；
步骤5.2 确定二维网格的节点代码及高程，按实测断面的节点代码及高程，进行纵向分片光滑插值；
步骤5.3 确定二维网格的节点代码及高程，按实测断面的节点代码及高程，进行横向基于网格节点的光滑平均插值，加密横断面；
步骤5.4 确定二维网格的节点代码及高程，按加密后横断面的节点代码及高程，进行纵剖面分片光滑插值，最终生成加密后的二维地形网格。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括以下子步骤：
步骤1.1 下载对应时间的遥感影像，合成遥感影像中的多个不同波段；
步骤1.2 利用水体指数计算公式计算陆域与水体边界及江心洲滩边界；
步骤1.3 将计算出的水体指数通过ArcMap软件输出水体分布结果，得到相对应的河道图，并提取面积和周长，再经转化提取出左右水边线以及江心洲滩边界线。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1.2中水体指数计算公式如下：
MNDWI＝（Green－MIR）/（Green＋MIR）
式中，Green与MIR分别代表绿光波段和近红外波段；在Landsat 5、7、8卫星中，Green波段分别对应B2、B2、B3，MIR波段分别对应B5、B6、B6。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2中固定断面资料包括固定断面各测点序号、起点距和高程。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中添加各固定断面位置、各断面的主槽区域及最大淹没范围的左右边界的方法为：根据步骤2中固定断面的经纬度，每个断面使用两个端点用于确定断面位置；采用ArcMap软件将固定断面两端点的经纬度导入遥感影像区域，随后将两个端点连接起来，即可将固定断面位置添加到遥感影像中；根据最大洪水量，确定出最大淹没范围，添加左右侧边界的位置到遥感影像中。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，采用Delft 3D生成主槽区域加密的二维曲线网格的方法如下：
将步骤3中得到的左右水边线、江心洲滩边界线、固定断面线及左右侧边界位置线转换为平面坐标，导入到Delft 3D软件中，沿着岸线的轮廓平滑地勾画出引导线，然后采用Change Splines into Grid命令生成网格，然后利用Refine Grid功能将主槽区域进行局部加密；网格生成后，采用Orthogonalise Grid命令对已画网格进行正交处理，重复操作后，使得整个计算区域网格正交性处于0-0.01之间，得到最终的二维曲线。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤5.3中，对实测固定断面进行插值，加密横断面，对河段内地形复杂点、地形拐点补充高程数据。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤5.2及5.3中，纵剖面插值采用的是分片光滑插值，横断面插值采用的是基于网格节点的光滑平均插值。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，插值程序为Fortran程序。
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| 断面间距对黄河下游高含沙洪水模拟结果影响;张晓雷等;《浙江大学学报(工学版)》;20160415(第04期);全文 * |
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| CN112967354A (zh) | 2021-06-15 |
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