基于ERDAS的淹沒(méi)區(qū)面積分析方法

陸 光 燦

(紹興市柯橋區(qū)測(cè)繪院，浙江 紹興 312030)

·測(cè)量·

基于ERDAS的淹沒(méi)區(qū)面積分析方法

陸 光 燦

(紹興市柯橋區(qū)測(cè)繪院，浙江 紹興 312030)

結(jié)合某大壩工程，對(duì)數(shù)字高程模型和流體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了分析，運(yùn)用ERDAS軟件計(jì)算出淹沒(méi)區(qū)的面積，并將該面積與不考慮流體因素所計(jì)算出的淹沒(méi)區(qū)面積相比較，從而分析這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

ERDAS，數(shù)字高程模型，流體動(dòng)力學(xué)模型，淹沒(méi)區(qū)面積

0 引言

測(cè)量淹沒(méi)區(qū)面積的方法有多種，傳統(tǒng)的方法是定出淹沒(méi)區(qū)的邊界，然后進(jìn)行面積的計(jì)算。這種方法雖然精度較高，但耗時(shí)費(fèi)力。隨著遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，遙感和地理信息系統(tǒng)在水力部門得到了廣泛應(yīng)用。因此，我們可以運(yùn)用遙感技術(shù)來(lái)計(jì)算水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)的面積。

目前運(yùn)用遙感技術(shù)計(jì)算淹沒(méi)區(qū)面積時(shí)，先假定淹沒(méi)區(qū)為“靜態(tài)水平面”，然后把遙感圖像和數(shù)字高程模型迭加生成三維模型，運(yùn)用相關(guān)的軟件進(jìn)行計(jì)算，此方法是一個(gè)求取淹沒(méi)區(qū)面積的近似方法，雖然簡(jiǎn)便，但精度不高。這樣會(huì)使得很多土地得不到利用或者使土地賠償?shù)馁M(fèi)用更高。因此我們要尋找一種更精確的方法。由于水面每點(diǎn)的高程并不都是完全相同的，它們受地形、流速等因素的影響，因此更精確淹沒(méi)區(qū)計(jì)算還需考慮淹沒(méi)過(guò)程的水動(dòng)力模型和水面狀況變化問(wèn)題。我們利用精確的計(jì)算方法算出淹沒(méi)區(qū)的面積，再與已有成果進(jìn)行比較分析。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 基于DEM的淹沒(méi)區(qū)面積計(jì)算[3，5]

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)，簡(jiǎn)稱DEM，用一組有序數(shù)值以陣列形式表示地面高程，現(xiàn)已在鐵路建設(shè)、公路選線、城市規(guī)劃、地學(xué)分析和地貌分析等領(lǐng)域大面積應(yīng)用。DEM的表示方法現(xiàn)在比較多，常見(jiàn)的有不規(guī)則三角網(wǎng)模型、規(guī)則網(wǎng)格模型、數(shù)學(xué)分塊模型、等高線模型等，本文案例所用的DEM為規(guī)則網(wǎng)格模型。

基于DEM的規(guī)則格網(wǎng)模型來(lái)求得某水位條件下的淹沒(méi)區(qū)面積，應(yīng)該考慮兩種情況，第一種情況較為簡(jiǎn)單，地面高程低于所給水位線的格網(wǎng)像素，全部進(jìn)行淹沒(méi)區(qū)面積統(tǒng)計(jì)；第二種情況較為復(fù)雜，認(rèn)為水流只將流到的地方覆蓋。第一種情形相當(dāng)于所考慮的區(qū)域大面積均勻降水，地勢(shì)較低的區(qū)域均會(huì)積水；第二種情況類似于山洪爆發(fā)，由高處向低處擴(kuò)散。

從程序計(jì)算的角度來(lái)考慮，第一種情形相對(duì)容易處理；第二種狀況因?yàn)樾枰鉀Q迂回互通的問(wèn)題，其算法設(shè)計(jì)時(shí)也就要困難一些。目前比較適用于第二種狀況的處理方法稱之為“源點(diǎn)格網(wǎng)蔓延算法”。該方法是一種擴(kuò)散和探測(cè)相結(jié)合的算法，建立在特征點(diǎn)空間屬性的基礎(chǔ)上。其中心思想在于確定一個(gè)“源點(diǎn)”，該“源點(diǎn)”具有一定的屬性，例如壓強(qiáng)、濕度、流速、高程等。讓這個(gè)“源點(diǎn)”在一個(gè)給定的平面區(qū)域上沿著各個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中獲取滿足預(yù)先設(shè)定條件的集合。本文采用“源點(diǎn)格網(wǎng)蔓延算法”來(lái)計(jì)算淹沒(méi)區(qū)面積，賦予源點(diǎn)的屬性就是水面高程，所給的條件即是具有連通性的連續(xù)平面，最終確定的集合就是我們想解算的淹沒(méi)區(qū)區(qū)域。在該方法下，計(jì)算能夠滿足水面高程的條件，如果與所確定的“源點(diǎn)”無(wú)連通關(guān)聯(lián)性，也不能進(jìn)入集合區(qū)域內(nèi)。

1.2 流體動(dòng)力模型[10]

考慮降雨、擴(kuò)散等因素的流體動(dòng)力模型可采用如下形式表示：

(1)

其中，t為時(shí)間，s；x為直角坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)，m；y為直角坐標(biāo)系縱坐標(biāo)，m；U為變量;F(U)，G(U)均為通向的向量;S(U)為源項(xiàng)的向量，U，F(xiàn)，G，S的定義如下：

(2)

其中，u為x方向的流速分量，m/s；v為y方向的流速分量，m/s；g為重力加速度；r為流體的強(qiáng)度；f為出流或者滲流的強(qiáng)度；Sbx為x方向的坡面比降；Sby為y方向的坡面比降；Sfx和Sfy分別為x方向和y方向的阻力坡度。Sfx,Sfy由下面的公式計(jì)算得出：

(3)

式(2)中的f可由下面的公式得出：

(4)

其中,H為入滲的累積滲入度；Ms為飽和入滲率；Tc為土壤的吸水能力；φs為土壤初始含水量；φi為土壤飽和含水量。

2 基于規(guī)則網(wǎng)格的DEM計(jì)算淹沒(méi)區(qū)面積[1]

2.1 生成數(shù)字高程模型(DEM)

利用工程范圍內(nèi)地形圖，在Arcview GIS3.2中應(yīng)用“Creat TIN from Features”命令生成數(shù)字高程模型，在Theme中點(diǎn)擊Convert to Grid，就生成了GRID格式的DEM。

2.2 用Virtual GIS打開(kāi)淹沒(méi)區(qū)GRID格式的DEM

ERDAS IMAGE虛擬地理信息系統(tǒng)(Virtual GIS)是一個(gè)展示模塊工具，具有三維可視化效果，可以向用戶提供數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)漫游的功能。

點(diǎn)擊Virtual GIS，再點(diǎn)擊Virtual GIS Viewer，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊File→Raster Layer選擇已生成的淹沒(méi)區(qū)柵格數(shù)據(jù)文件，在File of type中選擇GRID，然后點(diǎn)擊OK。

2.3 水流淹沒(méi)區(qū)域計(jì)算

Virtual GIS窗口提供了疊加功能，通過(guò)疊加水流層，進(jìn)行水流淹沒(méi)情況的展示與計(jì)算。該平臺(tái)有兩種模式能夠進(jìn)行分析操作，分別是Fill Entire Scene和Create Fill Area。在第一種操作方式下，在操作可見(jiàn)范圍內(nèi)增加水域平面，該水域的水面高可以調(diào)整，這樣就可以模擬水流的影響區(qū)域；在第二種操作方式下，需要選擇“源點(diǎn)”，Virtual GIS平臺(tái)能夠模擬處比“源點(diǎn)”低的區(qū)域作為“島”，并計(jì)算“島”的表面積和體積。

其操作流程為：首先在Create Water Layer對(duì)話框中建立水流層，自動(dòng)疊加在Virtual GIS視景之上。由于水流層中還沒(méi)有屬性數(shù)據(jù)，所以現(xiàn)在Virtual GIS視景還沒(méi)有變化。不過(guò)，在Virtual GIS菜單條中一項(xiàng)Water菜單，其中包含了關(guān)于流水層的各種操作命令和參數(shù)設(shè)置，具體功能如表1所示。

表1 Virtual GIS Water菜單命令與功能

應(yīng)用表1所列的水流層操作命令，可以對(duì)上一步驟所創(chuàng)建的水流層進(jìn)行各種屬性編輯。本例按照Creat Fill Area模式進(jìn)行。

在Virtual GIS菜單條，單擊Water→Create Fill Areas命令，通過(guò)Water Properties，選中水流層填充的范圍。在Fill Area Options對(duì)話框中設(shè)置產(chǎn)生島選擇項(xiàng)，在“調(diào)整流水層填充區(qū)域高度”中輸入水面高程(例如200，單位為m)，再單擊Apply按鈕，即可應(yīng)用流水層設(shè)置參數(shù)，產(chǎn)生水流淹沒(méi)區(qū)域，并計(jì)算面積與體積。

對(duì)于上述過(guò)程中所產(chǎn)生的水流淹沒(méi)區(qū)域，可以通過(guò)水流填充屬性表進(jìn)行編輯。在Virtual GIS菜單條，選擇Water中的Fill Attributes功能，點(diǎn)擊Area Fill Attributes，進(jìn)入窗口，有菜單條和水流屬性列表(Attributes Cellarray)，該列表中，一個(gè)記錄即表示一個(gè)水流覆蓋范圍，每一個(gè)記錄包含流體頂層的面積、流體的體積、淹沒(méi)區(qū)域的面積、水流覆蓋范圍的填充方式、覆蓋區(qū)域的顏色等信息。其中，可以調(diào)整水流的體積、水流面積的計(jì)量單位、水流的填充方式與顏色等。

3 基于流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算淹沒(méi)區(qū)面積

1)空間建模工具介紹。前面所講的方法是水位高度都為200 m時(shí)如何計(jì)算淹沒(méi)區(qū)面積，然而淹沒(méi)區(qū)每一點(diǎn)的水位都不盡相同，因此我們要考慮流體動(dòng)力學(xué)模型。生成帶有流體動(dòng)力學(xué)的淹沒(méi)區(qū)模型，需要利用空間建模工具，該工具在ERDAS軟件已經(jīng)提供，主要包含三部分：

a.空間建模語(yǔ)言?？臻g建模語(yǔ)言模塊搭建了GIS分析、圖像處理的基礎(chǔ)，用途非常廣泛，能夠?yàn)槎喾N模塊編寫(xiě)程序模型，并產(chǎn)生針對(duì)應(yīng)用目的的最優(yōu)算法。

b.模型創(chuàng)建工具。作為空間建模語(yǔ)言的核心圖形界面，模型創(chuàng)建工具可以通過(guò)可視面板組成空間圖形的模型，由此產(chǎn)生的模型能夠編輯、調(diào)試，并可以保存在庫(kù)中，或轉(zhuǎn)換成SML模型，在需要的時(shí)候可以采用SML進(jìn)一步編輯。

c.空間模型庫(kù)。該庫(kù)包括mdl文件和gmd文件(即程序模型和圖形模型)兩個(gè)類型，mdl文件采用空間建模語(yǔ)言編寫(xiě)，gmd文件是由模型創(chuàng)建工具創(chuàng)建，在ERDAS平臺(tái)中，圖像解譯模塊絕大部分圖像處理功能都與Model Library中圖形模型相對(duì)應(yīng)。

2)利用空間建模工具導(dǎo)入流體動(dòng)力學(xué)模型。

a.在ERDAS菜單條，選擇Main→Spatial Modeler命令，打開(kāi)Spatial Modeler對(duì)話框。單擊Model Maker按鈕，打開(kāi)該命令窗口。

b.選擇Raster并單擊，放置一個(gè)柵格圖形在該窗口中；然后選擇Function，將函數(shù)圖形放在窗口；然后再選擇Raster命令放置一個(gè)柵格圖形；選擇Select命令，在窗口選擇并移動(dòng)對(duì)象圖形，按操作順序排列。在工具面板，單擊Connect，Lock圖標(biāo)；在圖形窗口，繪制連接線，將柵格圖形與函數(shù)圖形相連。

c.定義輸入圖像：雙擊上方的柵格圖形，打開(kāi)Raster對(duì)話框，確定輸入圖像為淹沒(méi)區(qū)圖像。單擊OK關(guān)閉對(duì)話框。

d.定義函數(shù)：雙擊中部的函數(shù)圖形，打開(kāi)Function Definition窗口。在函數(shù)定義框中輸入所需要的函數(shù)。

e.定義輸出圖像：雙擊下方的柵格圖形，打開(kāi)Raster對(duì)話框，確定輸出圖像為淹沒(méi)區(qū)圖像。單擊OK關(guān)閉對(duì)話框。

f.保存圖形模型：在模型創(chuàng)建工具(Model Maker)下，選擇File→Save As命令，用Save Model保存圖形模型。

g.運(yùn)行圖形模型：在Model Maker菜單條，選擇Process→Run運(yùn)行圖形模型。

3)流體動(dòng)力學(xué)模型建立之后淹沒(méi)區(qū)的面積。打開(kāi)生成的模型，參照本文第3章所列步驟計(jì)算面積。

4 結(jié)語(yǔ)

基于流體動(dòng)力學(xué)模型建立的淹沒(méi)面積計(jì)算比直接計(jì)算淹沒(méi)區(qū)面積過(guò)程較復(fù)雜，但精度較高。由于我國(guó)人口眾多，人均土地面積偏低，因此非淹沒(méi)區(qū)面積應(yīng)當(dāng)?shù)玫胶芎玫睦?。如果不考慮其他因素而直接計(jì)算，勢(shì)必會(huì)造成土地的浪費(fèi)，給國(guó)家造成損失。當(dāng)然，淹沒(méi)區(qū)面積計(jì)算要考慮的因素還很多，如DEM高程精度、格網(wǎng)間隔大小、像素探測(cè)分辨率等。因此，要得到更加精確的結(jié)果不僅僅要選擇好的計(jì)算方法和計(jì)算工具，必須考慮更多因素的配合。

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The analysis of submerged area based on ERDAS

Lu Guangcan

(ShaoxingKeqiaoDistrictSurveyInstitute,Shaoxing312030,China)

Combining with a dam project, this paper analyses the DEM and hydrodynamics model, using ERDAS IMAGE calculate the submerged area proportion of a certain project, then compare it with the result of proportion of submerged area which not consider the hydro factor. After that, we will know which method is the better.

ERDAS, DEM, hydrodynamics model, submerged area

2015-02-02

陸光燦(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)11-0208-03

TU198

A