CN113656852B - 一种精细化河道地形快速生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种精细化河道地形快速生成方法，通过设置横向断面间距及纵向断面数，按从上游至下游、左岸至右岸的顺序插值增补断面；按相同的顺序，插值计算相邻实测断面间交叉节点河底高程，对节点坐标与河底高程进行编码匹配，实现河道地形精细化内插计算，最后编写程序，批量输出精细化河道地形数据。本发明能利用少量实测断面，通过沿河道走向增补插值，达到快速精细化河道地形的目的，解决因实测地形数据有限导致构建的河道地形与实际河道地形偏差较大的问题。本发明简洁易实现，避免繁琐的计算工作量，能快速批量输出精细化河道地形数据，可为高效开展精细化水环境数值模拟提供切实的技术支持。

Description

一种精细化河道地形快速生成方法

技术领域

本发明涉及水环境数值模拟领域，具体是一种精细化河道地形快速生成方法。

背景技术

河道地形是水环境数值模拟的基础，地形的精细化程度是决定水环境数值模拟准确性的核心要素。随着水环境数值模拟技术的不断提高，对河道地形的精度要求也越来越高，建立河道地形的数据量不断增加。高精度的水环境数值模拟对河道地形的精细化程度和构建效率等方面提出越来越高的要求。受人力、物力、财力及技术等条件的限制，很难实现河道地形全覆盖测量，通常只能选择少数地形地貌上比较有特点的断面开展测量，这时就需要利用有限河道断面地形实测数据通过加密断面和插值来构建精细化河道地形。因此，利用有限河道断面地形实测数据构建精细化河道地形，解决无法沿河道走向插值、误差大、计算量大、生成速度慢的问题，是实现高精度水环境数值模拟的技术关键。

近年来，国内外公开了一些利用有限河道断面地形实测数据构建精细化河道地形的方法。公开号为CN109960838A的专利公布了一种体现河流基本特征的河道地形自动生成方法，通过提取反映河流基本特征的左、右岸边界线和河道深泓线，加密河道的左、右岸边界线和深泓线之间的中间线，并与河道实测断面线相交，形成河道定向插值线段，定向插值生成反映河流三线基本特征的河道高程点，实现河道地形自动生成。公开号为CN108010103A的专利公布了一种复杂地形快速精细生成方法，将边界点重新分块定义并进行边界拟合生成特征地形界线，在此基础上通过区域高程采样点加密以及增补监测断面，利用待增补断面与河道已知采样高程断面的距离和比降变化，实现河道断面的精确增补，实现复杂河道地形快速精细生成。公开号为CN108986222A的专利公布了一种基于特征纵向控制线与较少实测横断面地形数据的无汊河道数字地形生成方法，通过将特征地形界线纳入河道网格剖分过程，基于距离加权法对插补横断面节点进行高程插值，完成实测横断面地形的合理概化，通过概化的横断面数据基于距离加权法沿纵向网格线进行高程内插以获得所有网格节点的高程数据。公开号为CN103425856A的专利公布了一种依据河道测量断面数据自动生成河道地形的方法，该方法在固定断面间利用样条插值方法添加逻辑断面，并沿河道方向添加纵向线形成格网，根据河道固定断面测量数据，采用克里金插值算法插值出固定断面中格网点的高程。

现有的河道地形生成方法，还有完善的空间，这些方法对数据要求较为严格、数据获取难度大、步骤较为繁琐、需要反复试错、自动化程度低、计算速度较慢且难以实现，个别方法仅对简单河道行之有效，对于复杂河道的地形生成则会出错，不能满足高精度水环境数值模拟对河道地形的精细化程度和构建效率等方面的需求，因此有必要研发一种精细化河道地形快速生成方法。

发明内容

本发明提供一种精细化河道地形快速生成方法，以达到兼顾生成河道地形数据精度与效率的目的，解决利用有限河道断面地形实测数据构建精细化河道地形过程中无法沿河道走向插值、误差大、计算量大、生成速度慢的问题。

本发明采取以下技术方案：

一种精细化河道地形快速生成方法，包括如下步骤：

第一步，河道边界处理：沿河道走向数字矢量化左、右岸边界，对矢量化边界线进行光滑处理，并将边界文件转换成ArcGIS格式；

第二步，河道边界取点及编码：对边界文件进行坐标系转换，利用构造节点功能进行河道边界等间距取点，对照原始河道形状，剔除多余边界点数据，使左、右岸边界点数相同，最后对边界点进行编码；

第三步，河道断面插补及断面交叉节点编码：设定横向断面间距，沿河道横向等间距插补，确定横向插补断面与河道边界交叉节点的坐标；设定纵向断面数，依据实测断面、横向插补断面与河道边界交叉节点的坐标进行纵向插补，确定横向与纵向断面交叉节点坐标及编码；

第四步，插补断面交叉节点高程插值及坐标匹配：根据相邻实测断面的河底高程，按上游至下游、左岸至右岸的顺序进行线性插值，从而确定所有节点的高程值，通过节点编码，可实现节点坐标与高程值数据的匹配；

进一步的，所述的第一步包括以下步骤：

步骤1.1，河道边界矢量化：在谷歌地球或奥维地图上矢量化河道边界，获取河道左、右岸矢量化边界文件(或其他矢量河道边界数据)；

步骤1.2，边界数据处理：将矢量化边界数据导入ArcGIS，通过ArcGIS转换成CAD格式，再将CAD格式数据导入MapGIS，生成MapGIS线文件，利用MapGIS的样条曲线光滑功能对线文件数据进行光滑处理，处理后的线文件以CAD格式导出，并再通过ArcGIS转换成可识别的shp文件；

步骤1.3，边界对比：对比原始河道边界，若矢量化河道边界能够准确反映原始河道边界特征，则进行下一步操作。

进一步的，所述的第二步包括以下步骤：

步骤2.1，边界文件坐标系转换：利用ArcGIS的坐标转换功能，将左、右岸shp文件坐标系由WGS 1984坐标系转换到WGS 1984UTM坐标系；

步骤2.2，河道边界等间距取点、边界点坐标数据处理、边界点导出及编码：利用ArcGIS对左、右岸shp文件进行等间距取点(可根据精度要求设定间距)，此时线文件转成点文件，通过ArcGIS添加点文件XY坐标，并将点文件属性数据导出，保存成EXCEL格式，按上游至下游的顺序分别进行编码，生成左、右岸边界编码及坐标文件。

进一步的，所述的第三步包括以下步骤：

步骤3.1，实测断面与河道边界交叉节点编码识别：遍历计算实测断面最外端测点(即与河道边界相距最近的测点)与河道左岸边界点的点间距，将点间距最小的边界点编码赋予左岸实测断面最外端测点，依次确定所有实测断面左岸节点编码；同理，可确定实测断面右岸节点编码；

步骤3.2，河道横向断面等间距插补：对实测断面分组，相邻实测断面作为一组，通过实测断面节点编码和取点间距计算各组断面河道边界长度，通过设定的横向断面计算间距，可以确定各组断面间插补断面数量；

步骤3.3，确定河道横向插补断面与边界交叉节点坐标：根据设定的横向断面间距及步骤3.2中的各组断面边界长度，确定插补断面左、右岸节点编码，由节点编码确定对应的节点坐标；

步骤3.4，计算河道内纵向插补断面与横向插补断面交叉节点坐标：根据设定的纵向断面数量，依据步骤3.3中确定的左、右岸节点坐标，计算河道内纵向插补断面与横向插补断面的交叉节点坐标；

步聚3.5，生成节点坐标集：将各组插补断面节点坐标与实测断面节点坐标合并，生成新的断面节点坐标集，形成整个河道的断面节点坐标集。

进一步的，所述的第四步包括以下步骤：

步骤4.1，河道边界断面节点高程插值：根据各组相邻实测断面与左、右岸边界交叉节点高程，通过线性插值计算插补断面与左、右岸边界交叉节点的高程；

步骤4.2，河道内断面节点高程插值：根据第一条插补的纵向断面与各组实测断面的交叉节点高程，从上游至下游，左岸至右岸的顺序，通过线性插值计算第一条插补纵向断面与插补横断面交叉节点的高程，依次类推，计算剩下插补的纵向断面与插补横断面交叉节点的高程，并按顺序编码；

步骤4.3，节点坐标及高程匹配：针对计算的全局节点坐标编码及全局节点高程编码，进行一一对应匹配，组合成新的节点坐标及高程数据集，数据集的第一列为节点编码，第二列为节点X轴坐标，第三列为节点Y轴坐标，第四列为节点高程。

进一步的，还包括：第五步，程序编写及数据输出：将第一至第四步通过编写程序实现河道地形精细化插值及批量数据输出。

进一步的，所述的第五步包括以下步骤：

步骤5.1，根据上述第一至第四步计算思路，利用Python编写计算程序，主要包括：数据导入模块、数据计算模块和数据导出模块；

步骤5.2，程序基础数据预处理：①左、右岸边界点数据：左、右岸各一个文本文件(格式为TXT格式)，每个文本文件N行3列，第一列为边界点编码，第二列为边界点X坐标，第三列为边界点Y坐标；②实测断面节点数据：从左岸至右岸，上游至下游，依次将实测断面节点信息录入一个文本文件(格式为TXT格式)，第一列为节点X坐标，第二列为节点Y坐标，第三列为河底高程；

步骤5.3，程序操作步骤：①打开主程序界面，依次点击“MIKE21地形处理”—“打开数据”，弹出实测数据导入界面，点击“打开边界数据”按纽，出现打开对话框，选择左岸数据文本文件，点击打开，读取左岸边界点数据，同理，读取右岸边界点数据；点击“打开断面数据”按钮，在出现的打开对话框中选择实测断面数据文本文件，读取实测断面数据；②在主界面界点击“计算数据”，打开参数设置及计算界面，依次设定纵向断面数及横向断面距离，点击“精细化插值计算”，得出计算结果，通过点击“数据另存为”按钮，可将精细化地形数据存储为文本文件。

由于采用了上述方案，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供了一种河道地形数据精细化插值方法，主要目的是解决因河道地形实测数据有限，导致构建的河道地形误差较大的问题，本发明所述方法适用于几乎所有复杂河道地形，也可适用于湖泊、水库、海洋等水下地形计算。

(2)本发明提供的方法利用河道边界线构造边界点并编码，通过编码匹配确定实测断面、增补断面节点坐标及高程，此方法所需数据较易获取、适合所有复杂河道地形计算，且提高了地形增补数据的精度。

(3)本发明提供的方法充分利用实测地形数据，沿河道弯曲方向进行断面插值，通过设定横向及纵向断面参数，可实现任意横向断面间距及纵向断面数河道地形精细化内插。

(4)本发明提供的方法仅需要河道边界数据及河道断面实测数据，对数据要求相对较低、所需数据较容易获取、无需反复试错、精度高、自动化程度高、计算速度快且容易实现。

(5)本发明中的精细化河道地形数据批量输出方法，已利用Python编写成程序，无需反复试错，即能自动、快速实现河道地形的精细化插值计算，可为高精度水环境数值模拟提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明精细化河道地形快速生成方法其中一个实施例的流程图；

图2是本发明河道地形精细化生成方法示意图；

图3是本发明实测断面节点分布图；

图4是本发明河地形精细化后断面节点分布图；

图5是河道地形未精细化处理效果图；

图6是本发明河道地形精细化处理后效果图；

图7是河道地形精细化处理前后数据效果对比图，其中图7(a)是检验断面1的处理前后数据效果对比图，图7(b)是检验断面2的处理前后数据效果对比图；

图8是本发明程序计算主界面图；

图9是本发明程序数据导入界面图；

图10是本发明程序参数输入与计算界面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的实施例只是对本发明的详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种精细化河道地形快速生成方法，包括如下步骤：

步骤一、河道边界处理

(1)在奥维地图上沿着研究区河道边界，分左、右岸描线矢量化，针对弯曲较大的局部边界，需多加节点以便走向贴合河道弯曲方向。

(2)将矢量化的左、右岸KML格式的边界文件通过Conversion Tools-KML ToLayer导入ArcGIS，在ArcGIS的Table Of Contents窗口中右击Polylines，选择Data-Export to CAD，将边界文件转成CAD格式。将CAD的DXF格式的文件通过MapGIS的图形处理-文件转换-输入-读取DXF文件-文件-存储线文件，随后在图形处理-输入编辑中对存储的线文件进行三次样条曲线光滑处理。

(3)若处理后河道边界符合研究区实际河道地形，则通过图形处理-文件转换-文件-打开文件-输出-全图形方式输出DXF。通过ArcGIS的Add Data将DXF格式的文件转成shp线文件。

步骤二、河道边界取点及编码

(1)在“Layers”上右击，选择“Properties-Coordinate system-ProjectedCoordinate Systems-UTM-WGS 1984-Northern Hemisphere-WGS 1984UTM Zone49N”；选择Add Data添加河道边界文件，在边界文件上右击，选择Data-Export Data-the dataframe，导出文件，完成WGS1984坐标系到WGS 1984UTM Zone49N坐标系的坐标转换。

(2)在ArcGIS工具箱中选择Data Management Tools-Feature Class-CreateFeature Class中设置文件名、文件位置等信息，生成点文件，并与边界线文件同时添加到ArcGIS中，利用Editor-Construct Points-Distance构造间距为1m的边界点。利用DataManagement Tools-Feature-Add XY Coordinates工具，为生成的左、右岸边界点文件添加XY坐标；右击左岸点文件，选择Open Attribute Table-Export工具，导出边界点文本格式的属性信息，复制文本文件中的坐标信息至EXCEL中，按从上游至下游，依次为边界点编码，导出TXT格式的文本文件；按同样的操作方法，导出右岸边界点编码及坐标数据，截取左、右岸边界点，使点数量相同，再次进行编码。

步骤三、河道断面插补及交叉节点编码

(1)遍历计算河道边界实测断面节点(如图2中节点A、B、C及图3)与左岸边界点间距，通过对比点间距，获得点距离最小的边界点编码，将此边界点编码确定为实测断面左岸节点编码；同理，实测断面右岸节点编码由右岸边界文件确定，由实测断面左、右岸节点编码乘以边界取点间距1m，可得相邻实测断面边界长度。

(2)横向断面计算间距设定为30m，结合左岸相邻实测断面边界长度，计算相邻实测断面增补横向断面与河道左边界交叉节点，如图2中(A₁、A₂、A_m……、B₁、B₂、B_m……)的编码及对应的坐标(X_m，Y_m)。

(3)应用同样的方法确定横向增补断面与河道右边界交叉节点，如图2中a₁、a₂、a_n……、b₁、b₂、b_n……)的编码及对应的坐标(X_n，Y_n)。

(4)纵向断面数设定为21个(含边界)，以增补横向断面与河道边界交叉节点编码及坐标为基础数据，按从上游至下游，左岸至右岸的顺序，根据比例依次计算河道内交叉节点(如图4所示)的坐标，坐标计算公式如下：

(5)按从上游至下游，左岸至右岸的顺序，将实测断面节点及插值断面节点合并成坐标数据集，并按序编码。

步骤四、插补断面交叉节点高程插值及坐标匹配

(1)按从河道上游至下游的顺序，根据相邻实测断面节点(如图2中AI、BI)高程，对河道边界交叉节点(如图2中A₁、A₂、A_m……、B₁、B₂、B_m……)进行高程线性插值，并按顺序编码。

(2)依照步骤(1)的方法，进行河道内相邻断面节点插值，待插值完成，合并各组相邻断面高程插值数据，形成交点节点高程数据集。

(3)根据节点坐标编码及节点高程编码，进行一一匹配，形成节点坐标及高程数据集，数据集的第一列为节点编码，第二列为节点X轴坐标，第三列为节点Y轴坐标，第四列为节点高程。经过插值计算，共插值新增断面数156个，新增断面节点数3276个，未精细化河道地形数据如图5所示，精细化河道地形数据如图6所示。通过图7河道地形精细化处理前、后数据效果对比，可以看出精细化后的河道地形数据精度较高。

步骤五、程序编写及数据输出

(1)根据上述第一至第四步，计算量较大，通过编写程序实现(程序界面如图8-图10)。依据第一至第四步计算思路，利用Python编写计算程序，主要包括：数据导入模块、数据计算模块和数据导出模块。

(2)对导入数据进行预处理，左、右岸边界点数据：左、右岸各一个文本文件(格式为TXT)，每个文本文件N行3列，第一列为边界点编码，第二列为边界点X坐标，第三列为边界点Y坐标。实测断面节点数据：从左岸至右岸，上游至下游，依次将实测断面节点信息录入一个文本文件(格式为TXT)，第一列为节点X坐标，第二列为节点Y坐标，第三列为河底高程。

(3)打开主程序界面，依次点击“MIKE21地形处理”—“打开数据”，弹出实测数据导入界面，点击“打开边界数据”按纽，出现打开对话框，选择左岸数据文本文件，点击打开，读取左岸边界点数据，同理，读取右岸边界点数据；点击“打开断面数据”按钮，在出现的打开对话框中选择实测断面数据文本文件，读取实测断面数据；在主界面界点击“计算数据”，打开参数设置及计算界面，依次设定纵向断面数及横向断面距离，点击“精细化插值计算”，得出计算结果，通过点击“数据另存为”按钮，可将精细化地形数据存储为文本文件。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种精细化河道地形快速生成方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，河道边界处理：沿河道走向数字矢量化左、右岸边界，对矢量化边界线进行光滑处理，并将边界文件转换成ArcGIS格式；

第二步，河道边界取点及编码：对边界文件进行坐标系转换，利用构造节点功能进行河道边界等间距取点，对照原始河道形状，剔除多余边界点数据，使左、右岸边界点数相同，最后对边界点进行编码；

第三步，河道断面插补及断面交叉节点编码：设定横向断面间距，沿河道横向等间距插补，确定横向插补断面与河道边界交叉节点的坐标；设定纵向断面数，依据实测断面、横向插补断面与河道边界交叉节点的坐标进行纵向插补，确定横向与纵向断面交叉节点坐标及编码；

第四步，插补断面交叉节点高程插值及坐标匹配：根据相邻实测断面的河底高程，按上游至下游、左岸至右岸的顺序进行线性插值，从而确定所有节点的高程值，通过节点编码实现节点坐标与高程值数据的匹配；

所述的第一步包括以下步骤：

步骤1.1，河道边界矢量化：在谷歌地球或奥维地图上矢量化河道边界，获取河道左、右岸矢量化边界文件；

步骤1.2，边界数据处理：将矢量化边界数据导入ArcGIS，通过ArcGIS转换成CAD格式，再将CAD格式数据导入MapGIS，生成MapGIS线文件，利用MapGIS的样条曲线光滑功能对线文件数据进行光滑处理，处理后的线文件以CAD格式导出，并再通过ArcGIS转换成可识别的shp文件；

步骤1.3，边界对比：对比原始河道边界，若矢量化河道边界能够准确反映原始河道边界特征，则进行下一步操作。

2.如权利要求1所述的精细化河道地形快速生成方法，其特征在于：所述的第二步包括以下步骤：

步骤2.1，边界文件坐标系转换：利用ArcGIS的坐标转换功能，将左、右岸shp文件坐标系由WGS 1984坐标系转换到WGS 1984 UTM 坐标系；

步骤2.2，河道边界等间距取点、边界点坐标数据处理、边界点导出及编码：利用ArcGIS对左、右岸shp文件进行等间距取点，此时线文件转成点文件，通过ArcGIS添加点文件XY坐标，并将点文件属性数据导出，保存成EXCEL格式，按上游至下游的顺序分别进行编码，生成左、右岸边界编码及坐标文件。

3.如权利要求2所述的精细化河道地形快速生成方法，其特征在于：所述的第三步包括以下步骤：

步骤3.1，实测断面与河道边界交叉节点编码识别：遍历计算实测断面最外端测点与河道左岸边界点的点间距，将点间距最小的边界点编码赋予左岸实测断面最外端测点，依次确定所有实测断面左岸节点编码；同理确定实测断面右岸节点编码；

步骤3.2，河道横向断面等间距插补：对实测断面分组，相邻实测断面作为一组，通过实测断面节点编码和取点间距计算各组断面河道边界长度，通过设定的横向断面计算间距确定各组断面间插补断面数量；

步骤3.3，确定河道横向插补断面与边界交叉节点坐标：根据设定的横向断面间距及步骤3.2中的各组断面边界长度，确定插补断面左、右岸节点编码，由节点编码确定对应的节点坐标；

步骤3.4，计算河道内纵向插补断面与横向插补断面交叉节点坐标：根据设定的纵向断面数量，依据步骤3.3中确定的左、右岸节点坐标，计算河道内纵向插补断面与横向插补断面的交叉节点坐标；

步聚3.5，生成节点坐标集：将各组插补断面节点坐标与实测断面节点坐标合并，生成新的断面节点坐标集，形成整个河道的断面节点坐标集。

4.如权利要求3所述的精细化河道地形快速生成方法，其特征在于：所述的第四步包括以下步骤：

步骤4.1，河道边界断面节点高程插值：根据各组相邻实测断面与左、右岸边界交叉节点高程，通过线性插值计算插补断面与左、右岸边界交叉节点的高程；

步骤4.2，河道内断面节点高程插值：根据第一条插补的纵向断面与各组实测断面的交叉节点高程，从上游至下游，左岸至右岸的顺序，通过线性插值计算第一条插补纵向断面与插补横断面交叉节点的高程，依次类推，计算剩下插补的纵向断面与插补横断面交叉节点的高程，并按顺序编码；

步骤4.3，节点坐标及高程匹配：针对计算的全局节点坐标编码及全局节点高程编码，进行一一对应匹配，组合成新的节点坐标及高程数据集，数据集的第一列为节点编码，第二列为节点X轴坐标，第三列为节点Y轴坐标，第四列为节点高程。

5.如权利要求1-4中任一项所述的精细化河道地形快速生成方法，其特征在于：还包括：

第五步，程序编写及数据输出：将第一至第四步通过编写程序实现河道地形精细化插值及批量数据输出。

6.如权利要求5所述的精细化河道地形快速生成方法，其特征在于：所述的第五步包括以下步骤：

步骤5.1，根据上述第一至第四步计算思路，利用Python编写计算程序，主要包括：数据导入模块、数据计算模块和数据导出模块；

步骤5.2，程序基础数据预处理：①左、右岸边界点数据：左、右岸各一个文本文件，每个文本文件N行3列，第一列为边界点编码，第二列为边界点X坐标，第三列为边界点Y坐标；②实测断面节点数据：从左岸至右岸，上游至下游，依次将实测断面节点信息录入一个文本文件，第一列为节点X坐标，第二列为节点Y坐标，第三列为河底高程；

步骤5.3，程序操作步骤：①打开主程序界面，依次点击“MIKE21地形处理”—“打开数据”，弹出实测数据导入界面，点击“打开边界数据”按纽，出现打开对话框，选择左岸数据文本文件，点击打开，读取左岸边界点数据，同理，读取右岸边界点数据；点击“打开断面数据”按钮，在出现的打开对话框中选择实测断面数据文本文件，读取实测断面数据；②在主界面界点击“计算数据”，打开参数设置及计算界面，依次设定纵向断面数及横向断面距离，点击“精细化插值计算”，得出计算结果，通过点击“数据另存为”按钮，可将精细化地形数据存储为文本文件。

Images