基于GIS的河道可視化及斷面提取方法研究

耿　敬，鄭天駒，李明偉，張清明

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.黑龍江省松花江航運(yùn)建設(shè)管理中心，哈爾濱 150001)

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科技成果

基于GIS的河道可視化及斷面提取方法研究

耿敬1，鄭天駒1，李明偉1，張清明2

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.黑龍江省松花江航運(yùn)建設(shè)管理中心，哈爾濱 150001)

摘要：地理信息系統(tǒng)(GIS)是地理學(xué)與計(jì)算機(jī)信息科學(xué)的有機(jī)結(jié)合，具有強(qiáng)大的可視化功能，在空間分析方面優(yōu)勢(shì)尤為顯著。文章在對(duì)以往研究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，對(duì)利用GIS和CAD軟件進(jìn)行河道三維可視化及斷面提取的技術(shù)流程進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并深入研究了流程的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)，對(duì)流程在操作過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題及解決辦法進(jìn)行了討論。以松花江依蘭段河道地形測(cè)量數(shù)據(jù)為例，利用GIS和CAD軟件建立了河道三維可視化數(shù)字模型，并提取河道斷面信息，驗(yàn)證了技術(shù)流程的可行性。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；河道可視化；斷面提?。籇EM數(shù)據(jù)

0引言

河道斷面數(shù)據(jù)是研究河道演變、洪水淹沒(méi)及沖淤變化的基礎(chǔ)，是航道整治以及沿河流域規(guī)劃等工程設(shè)計(jì)必不可少的底層數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)方法利用CAD格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行河道斷面信息提取存在精度低、連續(xù)性差且工作量大的不足。地理信息系統(tǒng)(GIS)是在地理學(xué)、地圖學(xué)、測(cè)量學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展建立起來(lái)的一門學(xué)科，具有空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、顯示、編輯、處理、分析、輸出和應(yīng)用等功能，自身具有一定結(jié)構(gòu)，是一個(gè)完整的系統(tǒng)[1]。GIS擁有強(qiáng)大的空間分析能力，能夠?qū)⒑拥赖膸缀涡螒B(tài)數(shù)據(jù)(包括CAD數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等)處理整合，建立三維可視化數(shù)字模型，由一系列地面點(diǎn)(x，y)位置及其相聯(lián)系的高程Z組成[2]，利用可視化數(shù)字河道模型可以直觀、便捷的提取河道指定位置的斷面數(shù)據(jù)信息，同時(shí)為跨河大橋選址、航電樞紐建設(shè)、河道的綜合治理、規(guī)劃和開(kāi)發(fā)提供決策依據(jù)。

目前，地理信息化系統(tǒng)在河道可視化及斷面提取方面應(yīng)用的研究已取得一定成績(jī)。劉暢等人提出一種在ArcGIS平臺(tái)上將二維散點(diǎn)地形圖轉(zhuǎn)換成DEM(數(shù)字高程模型)并提取河道斷面地形數(shù)據(jù)的方法[3]。王偉等人利用GIS建立河道可視化模型，對(duì)河道槽蓄量、沖淤量、沖淤厚度進(jìn)行計(jì)算，使河道演變分析由傳統(tǒng)手工或簡(jiǎn)單的計(jì)算統(tǒng)計(jì)發(fā)展到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性處理與智能分析，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[4]。張獻(xiàn)志等人基于GIS組件的內(nèi)置工具和模塊，采用將二維斷面線進(jìn)行TIN的三維表面內(nèi)插法實(shí)現(xiàn)河道任意斷面數(shù)據(jù)的半自動(dòng)提取，并探討了轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在的問(wèn)題及相應(yīng)的解決措施[5]。王鐵軍等人分析了CAD到GIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，并總結(jié)了為克服這些問(wèn)題而在數(shù)據(jù)生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換的各個(gè)步驟上應(yīng)采取的措施，提出CAD與GIS生產(chǎn)建設(shè)中目前存在的問(wèn)題及解決的思路[6]。賀巧寧基于ArcGIS Engine通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了河道斷面生成與數(shù)據(jù)獲取，并對(duì)DEM、TIN與等高線提取的河道斷面高程數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行了討論，解決了傳統(tǒng)河床演變斷面分析必須立足固定斷面的局限[7]。楊婷利用AutoCAD.NET API二次開(kāi)發(fā)，提出一套快速提取高程信息的技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)流程[8]。

文章研究了基于GIS和CAD軟件對(duì)河道可視化模型建立與斷面提取的方法與技術(shù)流程，并以松花江依蘭河段為研究區(qū)，對(duì)該地區(qū)數(shù)字地形生成過(guò)程中參數(shù)的選取及可能出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論，實(shí)現(xiàn)了河道的可視化以及任意斷面信息快速提取，為河道水動(dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算及工程可視化管理平臺(tái)建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1研究區(qū)概況

松花江流域位于我國(guó)東北地區(qū)，地理位置為E119°52′～132°31′、N41°42′～51°38′。松花江為黑龍江右岸的一大支流，流域東西長(zhǎng)920 km，南北寬1070 km，流域面積56.59×104km2，占整個(gè)黑龍江流域面積的30%，占我國(guó)境內(nèi)黑龍江流域面積的63%。行政區(qū)劃屬黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧省，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)占27.4%，吉林省占24.1%，遼寧省占0.1%，其余均屬黑龍江省，占全流域面積的48.4%，主要為嫩江左岸及松花江干流部分[9]。

松花江干流哈爾濱以上為平原區(qū)，坡度較緩，河道比降為0.05‰，灘地較寬闊，有濕地和牛軛湖，河道主槽寬一般為400m～600m，平槽時(shí)平均水深4m～7m；哈爾濱至佳木斯段為高平原和丘陵山區(qū)，河谷狹窄；在牡丹江口上游為三姓淺灘，長(zhǎng)約41 km，該處河寬2000m左右，島嶼眾多、水流分散、河床比降較陡，河床底質(zhì)為堅(jiān)硬的板巖、砂巖和花崗巖，水深較其它河段為淺，一般只有1.2m～1.3m，枯水期僅有0.8m左右；佳木斯以下為低平原區(qū)，屬三江平原一部分，河道寬闊，主槽寬達(dá)1500m～2000m，平槽平均水深2m～3m，河道中有沙洲，河槽滯蓄能力較大[10]。

研究區(qū)域位于依蘭縣境內(nèi)，松花江干流牡丹江匯合口上游1000m處，下距依蘭縣城2.5 km，上距哈爾濱市330 km(航道距離)。上游約81.5 km處為通河水文站，通河水文站至依蘭壩址之間無(wú)大支流匯入，下游2.8 km處為依蘭水文站。地理位置見(jiàn)圖1。

圖1　松花江依蘭段遙感影像圖

2數(shù)據(jù)預(yù)處理與研究方法

2.1數(shù)據(jù)的預(yù)處理

河道的數(shù)據(jù)通常以紙質(zhì)地形圖或CAD地形圖保存。紙質(zhì)地形圖需要進(jìn)行空間校正、矢量化處理，ArcGIS自帶的ArcScan可直接對(duì)紙質(zhì)地圖的掃描文件進(jìn)行矢量化處理，但對(duì)地形圖本身的標(biāo)注規(guī)范及圖片質(zhì)量要求較高，很多地形圖無(wú)法處理或處理后出現(xiàn)大量錯(cuò)誤，因此現(xiàn)在仍多采用人工矢量化?？紤]到目前大多數(shù)河道實(shí)測(cè)信息多以CAD電子文件格式存儲(chǔ)，本文僅以松花江依蘭段河道CAD數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)河道可視化過(guò)程為例，對(duì)紙質(zhì)地形圖的矢量化不再進(jìn)行討論。該段河道10年內(nèi)未出現(xiàn)顯著變化，故使用該段河道2006年1:2000地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

數(shù)據(jù)處理的目的是從原始數(shù)據(jù)中提取出可用于在ArcGIS中建立河道數(shù)字高程模型及可視化所需的數(shù)據(jù)信息。處理過(guò)程中，若一個(gè)河道的信息保存在多份圖紙中，需首先在CAD中對(duì)地圖形進(jìn)行拼接處理，隨后刪除無(wú)關(guān)圖層、填充符號(hào)等冗余數(shù)據(jù)。完成后使用ArcGIS、南方CASS9.0提取等高線與高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。保存數(shù)據(jù)時(shí)選用高斯克呂格投影坐標(biāo)系中的Beijing 54坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換后的高程點(diǎn)和等高線的屬性表中必須得包含高程信息字段且有具體值，否則需結(jié)合注記，對(duì)高程信息進(jìn)行補(bǔ)充。下面對(duì)等高線與高程點(diǎn)的提取進(jìn)行介紹。

2.1.1等高線的處理

經(jīng)過(guò)初步處理的CAD數(shù)據(jù)仍可能存在問(wèn)題，對(duì)于容易混淆的各種線狀符號(hào)，如航標(biāo)符號(hào)、與等高線相交的線等應(yīng)將之刪除。等高線指的是地形圖上高程相等的相鄰各點(diǎn)所連成的線，應(yīng)該為閉合曲線[11]。在本研究中，等高線可能由于標(biāo)注信息、丁壩存在的原因而間斷。對(duì)于因標(biāo)注信息而間斷的等高線，參照臨近的等高線形狀將其重新連接；對(duì)于因研究區(qū)丁壩間斷的等高線，因?yàn)樵?∶2 000比例尺的地形圖中丁壩的外形特征已經(jīng)可以較為明顯的表達(dá)，同時(shí)丁壩的位置與高程對(duì)航電樞紐工程有著重要的影響，故予以保留，將間斷的等高線與丁壩相連。完成以上處理后，參照地形圖對(duì)ArcMap中的等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行推算并賦予高程值。

當(dāng)遇到地形圖的部分等高線高程值無(wú)法確定時(shí)，可依據(jù)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參考。隨后將等高線屬性表中多余字段刪除，只保留高程字段，將長(zhǎng)度過(guò)小與無(wú)意義的線條刪除。最后檢查每個(gè)線要素，將同一條等高線連接起來(lái)，確保每條等高線都是一條連續(xù)的一條閉合線。至此，獲得帶有高程信息的等高線數(shù)據(jù)。

2.1.2高程點(diǎn)的處理

為了獲得高精度的數(shù)字地形，在生成數(shù)字地形時(shí)添加高程點(diǎn)作為對(duì)等高線的補(bǔ)充。大多數(shù)CAD地形圖并未給高程點(diǎn)賦值，而是采用在點(diǎn)的旁邊設(shè)置文本標(biāo)注的方式，為了能夠在ArcGIS中建立三維地形，需進(jìn)行賦值操作。將注記的內(nèi)容賦給高程點(diǎn)的方法有很多，本文選擇使用地形圖專業(yè)處理軟件南方CASS9.0生成的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，將高程值保存在Z字段中，而非通過(guò)ArcToolBox中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能得到高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，主要原因是實(shí)踐發(fā)現(xiàn)在CASS下可以更好、更快、更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)將注記文字的高程信息賦給高程點(diǎn)。將賦值后的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)添加到ArcMap中，對(duì)高程信息的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢查，并將生成的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.shp格式，從而獲得帶有高程信息的點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

文章以河道CAD地形圖為原始數(shù)據(jù)，提出的河道可視化及斷面提取方法主要研究了河道數(shù)字高程模型生成及斷面提取實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵問(wèn)題，給出了包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、河道地形圖等高線與高程點(diǎn)的提取、TIN數(shù)據(jù)的生成、DEM數(shù)據(jù)的生成、河道可視化及斷面提取的方法與技術(shù)流程。技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

3數(shù)字地形數(shù)據(jù)生成

3.1河道TIN數(shù)據(jù)生成

TIN是由不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)成的一種矢量數(shù)據(jù)，是三維空間中的分塊線性模型，在整個(gè)區(qū)域中是連續(xù)的，但不可導(dǎo)[12]。我們可以根據(jù)這些三角網(wǎng)來(lái)顯示三維立體地形。TIN相當(dāng)于是對(duì)采樣點(diǎn)的一個(gè)平面三角剖分，因而它是一個(gè)連通平面圖。TIN模型的優(yōu)點(diǎn)是能以不同層次的分辨率來(lái)描述地形表面，可有效避免平坦處的數(shù)據(jù)冗余。利用提取獲得的等高線數(shù)據(jù)和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成河道TIN數(shù)據(jù)，等高線的高程使用高程字段值，高程點(diǎn)的高程使用Z字段值。有時(shí)候可能由于等高線或高程點(diǎn)賦值錯(cuò)誤導(dǎo)致生成的TIN面異常，這時(shí)候可以在ArcScene中加載生成TIN面，調(diào)整夸張系數(shù)為20或更大，以方便觀察，加載等高線數(shù)據(jù)，并在Base Height中選擇use a constant value or expression，將高程顯示設(shè)置為elevation，使兩者擬合，通過(guò)疊加觀察找出影響精度的等高線或高程點(diǎn)并刪除。獲得的TIN數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

圖2技術(shù)路線圖

圖3河道TIN地形數(shù)據(jù)

3.2河道DEM數(shù)據(jù)生成

TIN數(shù)據(jù)能夠較好地表示復(fù)雜地形，以該格式存儲(chǔ)的三維地形信息具有較好的顯示效果。但由于其存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于規(guī)范化管理，難以與矢量和柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，在后續(xù)的應(yīng)用中存在諸多不便，需將TIN經(jīng)3D Analyst模塊，轉(zhuǎn)換生成河道DEM柵格數(shù)據(jù)，CELLSIZE是柵格像元的大小采樣距離，直接影響轉(zhuǎn)換得到DEM的分辨率及文件大小[13]，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，在本研究中大小設(shè)置為5，既滿足了地形數(shù)據(jù)的精度要求，又保證了加載速度。隨后對(duì)獲得的河道DEM柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直高程夸張、高程重新配色、渲染與光照調(diào)整等操作，完成可視化河道生成。

4河道斷面信息提取

4.1斷面信息提取

4.1.1提取指定位置斷面

3D Analyst工具可提取河道指定位置的斷面信息。斷面可沿在橫穿河道的任意線要素生成，在ArcMap中，使用3D Analyst模塊功能創(chuàng)建目標(biāo)位置斷面圖的表面并進(jìn)行線插值，在河道數(shù)據(jù)表面點(diǎn)擊創(chuàng)建斷面多段線，完成后創(chuàng)建斷面。在屬性欄中，可更改斷面圖的布局。

4.1.2特征點(diǎn)生成斷面

按照特定位置高程點(diǎn)生成斷面圖需要提取沿線特征點(diǎn)或沿某一走向特定位置點(diǎn)的高程。當(dāng)提取的特征點(diǎn)為線要素的折點(diǎn)時(shí)，直接調(diào)用Features-Feature Vertices to Points命令；當(dāng)提取的特征點(diǎn)需滿足某種特定距離要求時(shí)，如：沿水流動(dòng)力軸線，每隔5 m提取1個(gè)特征點(diǎn)，可先創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)圖層，在開(kāi)啟編輯的狀態(tài)下，選中生成點(diǎn)的參考線，然后選擇Construct Points設(shè)置相關(guān)參數(shù)，即可沿線提取滿足某種特定條件的點(diǎn)要素。將提取的特征點(diǎn)和DEM數(shù)據(jù)加載到ArcMap中，從DEM中提取高程值賦予特征點(diǎn)，提取出的高程存儲(chǔ)在Raster Value字段中。生成河道斷面圖使用ArcGIS創(chuàng)建圖表功能中的創(chuàng)建斷面線功能，使DEM斷面線的橫軸為距離第1個(gè)點(diǎn)之間的距離，縱軸為高程值。

以上2種斷面提取方式可基本滿足河道分析工作的所有斷面數(shù)據(jù)提取需要。將河道DEM數(shù)據(jù)與遙感影像進(jìn)行地理配準(zhǔn)后，即可根據(jù)需求提取任意坐標(biāo)處的河道斷面信息，斷面數(shù)據(jù)不再受到實(shí)測(cè)固定斷面資料的局限。在后續(xù)研究中亦可將多年的數(shù)據(jù)全部進(jìn)行數(shù)字化處理，獲得多組不同時(shí)間的河道斷面數(shù)據(jù)。

4.2河道斷面拓?fù)潢P(guān)系圖

拓?fù)涫敲枋龅乩砜臻g關(guān)系的模型，一種維護(hù)地理空間實(shí)體間空間幾何關(guān)系的機(jī)制。河道斷面拓?fù)潢P(guān)系主要用來(lái)描述河道斷面的上下游關(guān)系，擬在通過(guò)河道斷面對(duì)象的空間位置，結(jié)合河道中心線或深槽線，將河道斷面對(duì)象之間的上下游關(guān)系建立起來(lái)(圖4)。并利用獲得的斷面及其拓補(bǔ)關(guān)系，建立河道數(shù)值模型。

5結(jié)論

河道斷面信息用途廣泛，傳統(tǒng)的獲取方法多存在耗時(shí)長(zhǎng)、不準(zhǔn)確、存在重復(fù)性工作等不足。本文深入研究了基于GIS的實(shí)現(xiàn)河道可視化及斷面地形數(shù)據(jù)提取的方法，通過(guò)數(shù)據(jù)處理手段，提取CAD地形圖中的等高線與高程點(diǎn)并賦值，將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS中的三維數(shù)據(jù)，并聯(lián)合兩者生成河道可視化數(shù)字高程模型，信息更為可靠。以松花江依蘭段河道的CAD地形圖原始數(shù)據(jù)為例，使用該方法完成了地形信息數(shù)字化與河道三維地形數(shù)據(jù)生成，利用生成的地形提取了河道斷面數(shù)據(jù)，將獲得的河道斷面數(shù)據(jù)以上下游為序建立聯(lián)系，為壩址料場(chǎng)位置的選擇及工程可視化管理平臺(tái)建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該方法通過(guò)可視化手段直觀地表達(dá)河道地形信息并對(duì)所需信息進(jìn)行提取，可作為洪水演進(jìn)模擬、河道演變預(yù)測(cè)分析、航道整治沖淤分析等提供技術(shù)支撐。

圖4　河道斷面拓?fù)潢P(guān)系圖

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Research of River Course Visualization and Section Extraction Method based on GIS

GENG Jing1;ZHENG Tian-ju1;LI Ming-wei1and ZHANG Qing-ming2

(1.Ship Engineering Institute Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Heilongjiang Provincial Songhua River Shipping Construction Management Center，Harbin 150001，China)

Abstract：Geographic information system is the organic combination of geography and computer information science，having a powerful visual function，particularly advantageous in spatial analysis.Based on the learning to previous studies，GIS and CAD software were used to analyze systematically the technical process and section extraction of three-dimensional visualization of river course，and the key technique of process was researched deeply，meanwhile，the problems that may be met possibly during the process of operation and solved method were discussed in the paper.Taking the topographic survey data of river course at Yilan river section along the Songhua River as the example，GIS and CAD software were used to set up the three-dimensional visualization digital model and extract the section information of river course，verifying the feasibility of technical process.

Key words：geographic information system；visualization of river course；section extraction；DEM data

中圖分類號(hào)：TV147

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

[作者簡(jiǎn)介]耿敬(1968-)，女，江蘇宜興人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹雍＜八こ淘O(shè)計(jì)理論與建造技術(shù)、智能航道技術(shù)；鄭天駒(1990-)，男，河南鄭州人，碩士研究生；李明偉(1984-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，博士后，研究方向?yàn)楹雍Ｅc水利工程；張清明(1965-)，男，黑龍江哈爾濱人，研究員級(jí)高工，主要從事航電樞紐建設(shè)管理工作。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金(51509056);交通運(yùn)輸部信息化技術(shù)研究項(xiàng)目(2014364554050);中國(guó)博士后基金面上資助項(xiàng)目(2015M571394);黑龍江省博士后資助經(jīng)費(fèi)(LBH-Z14059);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專向資金資助(HEUCF150108)。

[收稿日期]2016-01-16

文章編號(hào)：1007-7596(2016)03-0001-05