CN113091705B - 一种适应河道断面模型建立方法 - Google Patents

Abstract

一种适应河道断面模型建立方法，包括生成内插点，根据节点坐标进行线性内插，用内插点近似替代曲线；断面线选择，在左水边线上均匀取点X1至XN,在右水边线上均匀取点Y1至YN,从X2向中心线做垂线相交右水边线为X2参考断面线，从Y2向中心线做垂线相交左水边线为Y2参考断面线，从X2参考断面线、Y2参考断面线中选择二端都不超过河道断面的为第一测断面线；断面线优选，测量相邻测断面线之间的距离LN,LN小于设定值则为密集区，优选时将密集区二端扩展为优选区。本发明根据给定的水边和河道中心线独立生成每根断面线，使断面线不仅能适配水边，保证断面线在河道内均匀分布。

Description

一种适应河道断面模型建立方法

技术领域

本发明涉及一种断面模型建立方法，特别涉及一种适应河道断面模型建立方法。

背景技术

河道断面线是水道地形测量的必备资料。现阶段的断面布设算法主要包括内插法、中心线法、平行线法，对于顺直河道，这几种算法差异不大，都能达到较好的断面布设效果，但对于弯曲河道，效果则不尽人意。内插法需要大量的人工干预才能达到较好的效果，中心线算法不能严格控制断面边缘间距，平行线算法则完全不适用。

河道断面线的布设一直是河道研究的基础性课题。现阶段的水道地形测量，也基本上采用预设断面线的走航法，所以对断面线的布设算法研究尤为重要。目前HPACK的断面布设算法应用最为广泛，主要有内插法、中心线法和平行线法。内插法和平行线法的基本原理是根据已知断面等距内插或延伸，中心线法的原理是根据河道中心线等距垂直分布，这些算法在顺直河道都有较好的效果，但是在连续弯曲河道则各有不足之处。内插法在连续弯曲河道需要大量的人工控制断面才能保证断面与流向的垂直度，需要较多的人工干预。中心线法能保证与流向较高的垂直度，但无法精准控制断面线的边缘间距，往往会出现外弯超距和内弯相交的现象，也不能很好的适配水边。平行线算法则完全不适用于弯曲河道。

传统的内插法原理如图1所示，短边和长边为控制断面，1、2、3、4为内插断面，内插断面的端点即为MN端点连线的等分点。使用内插法布设断面时，控制断面的分布位置和数量决定最终的断面布设效果。此算法一般适用于顺直河道，在弯曲河道要达到较好的断面布设效果，需人工布设大量控制断面，对人工干预依赖程度较高，不利于断面布设的自动化。

传统的中心线法的原理是根据河道中心线的走向，在中心线上等距垂直分布断面线。在顺直河道有较好的效果，但在连续弯曲河道效果不佳。该算法在河道外弯可能会出现断面超距现象，在河道内弯可能会出现断面相交现象，而这些现象都是断面布设中应该避免的。该算法原理示意图如2。

发明内容

针对上述算法在弯曲河道断面布设中的不足，提出一种适应河道断面模型建立方法，该模型建立方法根据给定的水边和河道中心线独立生成每根断面线，使得断面线不仅能适配水边，还能与河道中心线保持较高的垂直度，并对断面线在弯曲河道的集束问题和相交问题进行优化处理，保证断面线在河道内均匀分布。

实现本发明目地的技术方案是，一种适应河道断面模型建立方法，包括生成内插点，断面线选择、断面线优选；

所述生成内插点，分别读取标绘图交换文件的左水边、右水边、中心的节点坐标，根据节点坐标进行线性内插，内插间距小于0.4米，用内插点近似替代曲线，在左水边形成左水边线，在右水边形成右水边线，中心形成中心线；

所述断面线选择，将左水边与右水边同一方向端点连接形成初始断面线，在左水边线上均匀的取点X1、X2、X3.....XN,在右水边线上均匀的取点Y1、Y2、Y3....YN,设X1为左水边端点，从X2向中心线做垂线、并延长垂线相交于右水边线形成X2参考断面线，设Y1为右水边端点，从Y2向中心线做垂线、并延长垂线相交于左水边线形成Y2参考断面线，从X2参考断面线、Y2参考断面线中选择二端都不超过河道断面的参考断面线为第一测断面线，如果X2参考断面线、Y2参考断面线二端都不超过河道断面以，则以初始断面线为基准分别比较X2参考断面线、Y2参考断面线距离，选择距离第一初始断面线远的参考断面线为第一断面线，然后以第一断面线为初始断面线，分别从X3、Y3重复上述方法做X3参考断面线、Y3参考断面线，并重复上述方成第二测断面线，复重上述方法生成第三测断面线.....第N测断面线；

所述断面线优选，定义相邻优选距离值为D，测量第一测断面线与第二测断面线相邻之间的距离L1,测量第二测断面线与第三测断面线相邻之间的距离L2.....测量第N-1测断面线与第N测断面线相邻之间的距离LN,比较L1、L2....LN与D的大小，如果小于D则为密集区，大于等于D为合格区，如果密集区开始于为第M测断面线、结束于第G测断面线，则密集区表示为（M,G）,优选时则将密集区二端扩展至合格区域形成优选区，则优选区表示为（M-A,G+A）,M-A为第M-A测断面线，G+A为第G+A测断面线，放弃原有第M-A测断面线至第G+A测断面线之间所有测断面线并在优选区内重新均匀分布测断面线，对优选区进行重新分割；

通过以上步骤形成河道断面模型。

进一步讲，在所述断面线选择步骤过程中，X2参考断面线、Y2参考断面线中二端或一端都超过河道断面时，则X2沿左水边线向左或右偏移0.003M-0.006M,Y2沿右水边线向左或右偏移0.003M-0.006M,重新做X2参考断面线、Y2参考断面线。

进一步讲，所述断面线优选过程中，相邻密集区经过扩展形成优选区有部分重叠时，则将重叠的优选区合并为一个大的优选区，并将大的优选区内的原有测断面线全部放弃，重新均匀分布测断面线。

进一步讲，在所述断面线优选过程中，A大于等于G-M。

进一步讲，在所述断面线选择步骤过程中，L1为第一测断面线中心点与第二测断面线中心点之间距离，L2...LN类推求得。

本发明的优点是，1）可以精准控制断面间距，控制精度达到0.01米。内插法为了保证断面不出现超距现象，往往只能减小断面距离控制参数，不仅无法精准控制断面间距，还导致断面数量的非必要增多。中心线法则只能精确控制中心线上的断面间距，边缘间距则往往会出现超距或相交现象。

2）可以根据水边线的走向自动适配，契合水边，无论是美观层面还是应用层面，较传统算法，都有较大改进。

3）可以较好的解决弯曲河道断面布设的集束问题、相交问题和均匀分布问题，上述问题在传统算法中普遍存在，一般只能通过人工干预的方式解决。

附图说明

图1为传统的内插法原理图。

图2为中心线法的原理图。

图3为生成内插点示意图。

图4为参考断面线形成示意图。

图5为连续多条测断面线组成的示意图。

图6为密集区及优选区选择示意图。

图7为重新分布测断面线不重直的示意图。

图8为重新分布并调整后测断面线示意图。

图9为本发明的示意图。

如图中，左水边线F1、右水边线F2、中心线F3、初始断面线F4。

具体实施方式

如图9所示，一种适应河道断面模型建立方法包括生成内插点，断面线选择、断面线优选；

所述生成内插点，分别读取标绘图交换文件(DXF文件)的左水边、右水边、中心的节点坐标，根据节点坐标进行线性内插，内插间距小于0.5米，也可优选为0.01米，用内插点近似替代曲线，在左水边形成左水边线F1，在右水边形成右水边线F2，中心形成中心线F3，如图3所示；

所述断面线选择，将左水边与右水边同一方向端点连接形成初始断面线F4，如图4所示，在左水边线上均匀的取点X1、X2、X3.....XN,在右水边线上均匀的取点Y1、Y2、Y3....YN,设X1为左水边端点，从X2向中心线做垂线、并延长垂线相交于右水边线形成X2参考断面线，设Y1为右水边端点，从Y2向中心线做垂线、并延长垂线相交于左水边线形成Y2参考断面线，从X2参考断面线、Y2参考断面线中选择二端都不超过河道断面的参考断面线为第一测断面线，如果X2参考断面线、Y2参考断面线二端都不超过河道断面以，则以初始断面线为基准分别比较X2参考断面线、Y2参考断面线距离，选择距离第一初始断面线远的参考断面线为第一断面线，然后以第一断面线为初始断面线，分别从X3、Y3重复上述方法做X3参考断面线、Y3参考断面线，并重复上述方成第二测断面线，反复重上述方法生成第三测断面线.....第N测断面线，优选的，在所述断面线选择步骤过程中，X2参考断面线、Y2参考断面线中二端或一端都超过河道断面时，则X2沿左水边线向左或右偏移0.005M,Y2沿右水边线向左或右偏移0.005M,重新做X2参考断面线、Y2参考断面线。上述循环推进的过程能保证测断面线与水边契合，既不会超距，也不会相交，但不能保证测断面线在河道内均匀分布。实际上，上述过程生成的测断面线会出现聚集现象，尤其是在河道内弯部分，断面分布并不均匀，形成如图5所示的现象；

所述断面线优选，为了解决断面在河道内弯的不均匀分布现象，定义相邻优选距离值为D，D值一般与内插间距正相关，测量第一测断面线与第二测断面线相邻之间的距离L1,测量第二测断面线与第三测断面线相邻之间的距离L2.....测量第N-1测断面线与第N测断面线相邻之间的距离LN,比较L1、L2.... LN与D的大小（优选的，在所述断面线选择步骤过程中，L1为第一测断面线中心点与第二测断面线中心点之间距离，L2...LN类推求得），如果小于D则为密集区，大于等于D为合格区，如图6所示，其中第一密集区开始于为第M测断面线、结束于第G测断面线，第二个密集区开始于G+2测断面线、结束于G+3测断面线,第三个密集区开始于G+11测断面线、结束于G+12测断面线，则第一个密集区表示为（M,G），第二个密集区表示为（G+2，G+3）,第三个密集区表示为（G+11，G+12），优选时则将三个密集区二端分别扩展至合格区域形成优选区，则第一优选区表示为（M-A,G+A）,优选的，A大于等于G-M，图6为G-M为5，则A可以表示为5,M-A为第M-A测断面线，G+A为第G+A测断面线，第二个优区表示为（G+1，G+4）,第三优选区表示为（G+10，G+13），第一个优区与第二个优区重叠，第一优选区吸收第二优选区，对第一优选区、第三优选区内所有线重新排布，则第一个优选区放弃原有第M-A测断面线至第G+A测断面线之间所有测断面线并在优选区内重新均匀分布测断面线,优选的，所述断面线优选过程中，相邻密集区经过扩展形成优选区有部分重叠时，则将重叠的优选区合并为一个大的优选区，并将大的优选区内的原有测断面线全部放弃，根据均匀分布测断面线间距参数重新均匀分布测断面线，对优化区进行重新分割，优化区间一般为密集区间的三倍及其以上，直接将优化区间内的断面线直接重新均匀分布，往往会因为牵涉的断面过多，导致分布后的断面与河道中心线垂直度不够，如下图7所示。因而需要结合用户输入修改均匀分布测断面线间距参数对优化区重新进行切割，得到最终的均分区间，对均分区间内的断面端点重新等距分布即可得到最终的测断面线，通过以上步骤形成河道断面模型如图8所示。

试验结果与分析如下：

为了检测各算法的对比效果，特选取长江某河段，该河段为典型的连续弯曲河段，河道长10.9km，分别运用三种算法独立生成断面，断面间距参数为50米。其中自适应法输入参数为50米，内插法人工控制断面为20根，中心线法分别输入参数为28、36和40，断面统计情况如下表1：

。

从上表中的各项指标参数可以分析出各算法的断面布设效果：

1）本发明方法的各项指标参数表现最为突出，综合性能最佳。

2）内插算法随着人工干预断面的增多，布设效果可以逐渐接近自适应算法，但是自动化程度会越来越低，不利于推广应用。

3）中心线算法自动化程度与自适应算法相当，但普遍存在断面超距现象。随着输入参数变小，逐渐降低超距占比的同时，断面总数又会明显多余另外两种算法。

Claims (5)

1.一种适应河道断面模型建立方法，其特征是：所述的方法包括生成内插点，断面线选择、断面线优选；

所述生成内插点，是分别读取标绘图交换文件的左水边、右水边、中心的节点坐标，根据节点坐标进行线性内插，内插间距小于0.4米，用内插点近似替代曲线，在左水边形成左水边线，在右水边形成右水边线，中心形成中心线；

所述断面线选择，是将左水边与右水边同一方向端点连接形成初始断面线，在左水边线上均匀的取点X1、X2、X3.....XN,在右水边线上均匀的取点Y1、Y2、Y3....YN,设X1为左水边端点，从X2向中心线做垂线、并延长垂线相交于右水边线形成X2参考断面线，设Y1为右水边端点，从Y2向中心线做垂线、并延长垂线相交于左水边线形成Y2参考断面线，从X2参考断面线、Y2参考断面线中选择二端都不超过河道断面的参考断面线为第一测断面线，如果X2参考断面线、Y2参考断面线二端都不超过河道断面以，则以初始断面线为基准分别比较X2参考断面线、Y2参考断面线距离，选择距离第一初始断面线远的参考断面线为第一断面线，然后以第一断面线为初始断面线，分别从X3、Y3重复上述方法做X3参考断面线、Y3参考断面线，并重复上述方成第二测断面线，反复重上述方法生成第三测断面线.....第N测断面线；

所述断面线优选，是定义相邻优选距离值为D，测量第一测断面线与第二测断面线相邻之间的距离L1,测量第二测断面线与第三测断面线相邻之间的距离L2.....测量第N-1测断面线与第N测断面线相邻之间的距离LN,比较L1、L2....LN与D的大小，如果小于D则为密集区，大于等于D为合格区，如果密集区开始于为第M测断面线、结束于第G测断面线，则密集区表示为（M,G）,优选时则将密集区二端扩展至合格区域形成优选区，则优选区表示为（M-A,G+A），M-A为第M-A测断面线，G+A为第G+A测断面线，放弃原有第M-A测断面线至第G+A测断面线之间所有测断面线并在优选区内重新均匀分布测断面线，对优选区进行重新分割；

通过以上步骤形成河道断面模型。

2.根据权利要求1所述的一种适应河道断面模型建立方法，其特征是：在所述断面线选择步骤过程中，X2参考断面线、Y2参考断面线中二端或一端都超过河道断面时，则X2沿左水边线向左或右偏移0.003M-0.006M,Y2沿右水边线向左或右偏移0.003M-0.006M,重新做X2参考断面线、Y2参考断面线。

3.根据权利要求1所述的一种适应河道断面模型建立方法，其特征是：所述断面线优选过程中，相邻密集区经过扩展形成优选区有部分重叠时，则将重叠的优选区合并为一个大的优选区，并将大的优选区内的原有测断面线全部放弃，重新均匀分布测断面线。

4.根据权利要求1或3所述的一种适应河道断面模型建立方法，其特征是：在所述断面线优选过程中，A大于等于G-M。

5.根据权利要求1所述的一种适应河道断面模型建立方法，其特征是：在所述断面线选择步骤过程中，L1为第一测断面线中心点与第二测断面线中心点之间距离，L2...LN类推求得。

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