等值線在線修改系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

徐映雪，牛鑫艷，翟彩霞，薛　偉

(1．北京清流技術(shù)股份有限公司，北京 100073；2．北京清流地下水資源研究所，北京 100073)

等值線在線修改系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

徐映雪1，2，牛鑫艷1，翟彩霞1，2，薛偉1

(1．北京清流技術(shù)股份有限公司，北京 100073；2．北京清流地下水資源研究所，北京 100073)

摘要：等值線面是水利信息化數(shù)據(jù)處理、成果展示及預(yù)測預(yù)警的重要方法。本文介紹了自主開發(fā)的等值線在線修改系統(tǒng)Conmas，利用數(shù)據(jù)流技術(shù)通過對原始樣本數(shù)據(jù)的編輯實現(xiàn)了可視化的等值線自動修改，極大提高了等值線繪制工作的便捷性；并結(jié)合水利信息化業(yè)務(wù)需要，改進了裁剪功能，拓展了統(tǒng)計分析、剖面圖繪制、特殊區(qū)域識別等功能。等值線算法庫經(jīng)二次開發(fā)后已成功應(yīng)用于水利部水情信息中心的地下水業(yè)務(wù)與分析系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺等項目中。

關(guān)鍵詞：插值；等值線；在線修改；數(shù)據(jù)流；Conmas

等值線面作為數(shù)據(jù)處理及成果展示的重要方法，在水文、氣象、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等許多方面有著深入的研究應(yīng)用，尤其是在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用[1]。它可以有效地表示雨量、地下水位、墑情、溫度等幾何場變量的大小、分布信息，等值線之間的距離反映了場變量的變化大小。傳統(tǒng)的手工繪圖方法計算量大、工作繁重。隨著20世紀中期電子計算機的出現(xiàn)，等值線的繪制也開始進入程序化和計算機化的新階段[2-4]，目前國內(nèi)外的商業(yè)繪圖軟件基本都有繪制等值線的功能。最常見的等值線繪圖軟件為美國Golden Software 公司編制的Surfer8.0[5]，其處理二維數(shù)據(jù)，主要面向等高線、三維表面圖的繪制，最大的不足為圖形與常用GIS軟件接口較差；另外美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件Matlab[6]，是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級計算語言和交互式環(huán)境，Matlab對數(shù)據(jù)的處理功能強大，但對于繪制等值線來說，需要編程實現(xiàn)，且對等值線的編輯功能較弱，對于初學(xué)者上手較難，該軟件主要面向氣象數(shù)據(jù)的處理和展示；此外還有美國Tecplot公司推出的數(shù)據(jù)處理軟件Tecplot系列軟件[7]、美國馬里蘭大學(xué)開發(fā)的氣象數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)實軟件GrADS、Esri開發(fā)的ArcGIS[8]，國產(chǎn)軟件GeoStar 的GeoTIN 模塊、MapGIS[9]的DTM分析模塊等均能生成等值線，但它們在等值線自動生成、編輯、數(shù)據(jù)接口以及信息系統(tǒng)二次開發(fā)集成等方面均有一定的不足之處。

本文主要介紹了基于GIS平臺開發(fā)的一套等值線在線修改系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)流技術(shù)通過對原始樣本數(shù)據(jù)的編輯實現(xiàn)了可視化的等值線自動修改，極大提高了等值線繪制工作的便捷性；結(jié)合水利信息化業(yè)務(wù)需要，改進了裁剪功能，拓展了統(tǒng)計分析、剖面圖繪制、特殊區(qū)域識別等功能。等值線算法庫經(jīng)二次開發(fā)后已成功應(yīng)用于水利部水情信息中心的地下水業(yè)務(wù)與分析系統(tǒng)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺等項目中。

1等值線在線修改流程

1.1等值線生成基本步驟

等值線生成的步驟一般是遵循一定規(guī)律的、模式化的，這為實現(xiàn)等值線繪制過程的程序化提供了前提。首先利用原始的樣本散點數(shù)據(jù)創(chuàng)建矩形網(wǎng)格類型的數(shù)字模型(GRD模型)，進而進行等值點查找、等值線追蹤、等值面構(gòu)建等，等值線生成，基本步驟如下：

步驟一：獲取樣本散點數(shù)據(jù)文件，必須包括觀測點或取樣點的坐標(biāo)和觀測數(shù)據(jù)。

步驟二：生成矩形網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件，即計算網(wǎng)格節(jié)點值，由散點數(shù)據(jù)經(jīng)插值(克里格、反距離加權(quán)等)計算而得。

步驟三：等值點計算，根據(jù)矩形網(wǎng)格數(shù)據(jù)線性內(nèi)插得到穿過網(wǎng)格線的等值點。

步驟四：等值線追蹤，即等值點相連，構(gòu)成閉合或與插值區(qū)域邊界線相交的曲線。

1.2等值線在線修改流程

樣本數(shù)據(jù)的多寡、空間分布、數(shù)據(jù)正確性、人工經(jīng)驗等因素決定了等值線的形狀。因此實際工作中，往往是通過人工判斷等值線是否符合區(qū)域?qū)嶋H，符合區(qū)域?qū)嶋H則完成等值線繪制工作，否則需要編輯樣本散點數(shù)據(jù)，通過對樣本散點數(shù)據(jù)的反復(fù)編輯，最終生成符合區(qū)域?qū)嶋H情況的等值線圖。完成等值線的繪制工作后，往往還要根據(jù)實際的業(yè)務(wù)工作需要，進行等值線的裁減、標(biāo)注、面積量算等。

因此本文提出利用數(shù)據(jù)流技術(shù)，建立樣本散點數(shù)據(jù)、矩形網(wǎng)格數(shù)據(jù)、等值線等結(jié)果數(shù)據(jù)之間的單向連通性和傳遞性，通過對原始樣本數(shù)據(jù)的編輯后自動觸發(fā)該流程，最終實現(xiàn)等值線圖的自動繪制和修改。

2等值線在線修改系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

2.1設(shè)計目標(biāo)

等值線在線修改系統(tǒng)的主要設(shè)計目標(biāo)可歸結(jié)如下：借助GIS技術(shù)實現(xiàn)散點圖可視化及在線編輯；建立散點數(shù)據(jù)和等值線圖之間數(shù)據(jù)流的連通性和單向傳遞性，以及自動觸發(fā)機制，一旦樣本散點數(shù)據(jù)發(fā)生變化，則等值線圖以及基于此樣本數(shù)據(jù)生成的剖面圖、特殊區(qū)域等均實現(xiàn)同步更新計算功能。這樣便可直接在散點圖上對原始數(shù)據(jù)進行可視化編輯，等值線圖實現(xiàn)自動重繪和在線修改。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

等值線自動繪制系統(tǒng)Conmas主要部分采用CS結(jié)構(gòu)設(shè)計，其具有表現(xiàn)元素多元化，交互性能好，安全性能易保證、客戶端響應(yīng)速度快等優(yōu)勢。程序總體框架由三個模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖形輸出模塊。

數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫并儲存數(shù)據(jù)，例如散點數(shù)據(jù)、剖線數(shù)據(jù)、裁剪邊界數(shù)據(jù)、網(wǎng)格數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)按照點、線、面不同類型進行分類儲存。該模塊為繪圖的基礎(chǔ)，提供數(shù)據(jù)支持和調(diào)用。

數(shù)據(jù)處理模塊主要實現(xiàn)對圖形的輔助計算功能。例如散點的插值計算、數(shù)據(jù)篩選、剖面數(shù)據(jù)的計算、圖形裁剪、基于網(wǎng)格的體積面積計算、等值線光滑算法、圖形的長度面積計算等。該模塊是Conmas的核心技術(shù)部分，體現(xiàn)了等值線的高級應(yīng)用。

圖形輸出模塊主要實現(xiàn)圖形的繪制、編輯、保存及輸出功能。例如散點圖、等值線面圖、裁剪邊界圖、柵格底圖、剖面圖、Shp圖等圖形元件的繪制。該模塊輸出等值線圖，生成用戶所需要的最終效果圖。

2.3主要功能及應(yīng)用

除了等值線的在線修改基本功能之外，結(jié)合水利信息化業(yè)務(wù)要求開發(fā)了分區(qū)統(tǒng)計、特殊區(qū)域繪制、剖面圖等功能。

(1)等值線在線修改

在實際工作中，監(jiān)測站點分布及其監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量往往會影響等值線的繪制，具體包括：①區(qū)域控制性監(jiān)測站點不足；②常規(guī)監(jiān)測站點變更，造成數(shù)據(jù)的不連續(xù)；③由于自動監(jiān)測設(shè)備損壞等原因造成的漏測等，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不全；④監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確，比如地下水水位觀測井為生產(chǎn)結(jié)合井時，可能觀測的是動水位數(shù)據(jù)；⑤統(tǒng)測類站點存在的站點變更或統(tǒng)測數(shù)據(jù)由于人為原因造成的不精確等。因此需要根據(jù)區(qū)域的地形、水文地質(zhì)情況等，通過站點的管理來繪制符合區(qū)域?qū)嶋H的等值線。

借助GIS平臺設(shè)計了針對監(jiān)測站散點數(shù)據(jù)的人機交互式的可視化操作界面(圖1)，包括可不使用一個或多個明顯不合理的監(jiān)測數(shù)據(jù)；可虛擬控制性監(jiān)測站點數(shù)據(jù)，在目標(biāo)區(qū)域點擊后輸入虛擬監(jiān)測數(shù)據(jù)即可；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性可對時間序列不全的數(shù)據(jù)進行插補；可直接修改不合理的監(jiān)測數(shù)據(jù)等。通過編輯操作散點數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)等值線的自動繪制和修改功能。

圖1　等值線在線修改系統(tǒng)界面

(2)等值線裁剪的改進

目前大部分軟件對圖形的裁剪最常用的處理方法是基于矩形網(wǎng)格的裁剪方法，即以實際裁剪的邊界線所經(jīng)過的網(wǎng)格為邊界對圖形進行裁剪[10]。該方法思路簡單編程較易實現(xiàn)，但應(yīng)用此方法進行圖形裁剪存在很大的缺陷，裁剪后的圖形邊界不光滑，存在明顯的鋸齒狀；網(wǎng)格單元的尺寸越大這樣的不光滑性越明顯。若基于網(wǎng)格無限細分思想進行改進則會造成計算效率低、占用空間大，而且在GIS平臺下，很難完美解決這一問題。

為了避免上述缺點，我們采用了一種新算法——基于多邊形的裁剪方法，使繪圖邊界更加光滑更符合實際(圖2)。其中的多邊形都可以是一般多邊形，既可以是凹多邊形，也可以是有內(nèi)孔的多邊形。該算法使用單線性鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與其他使用雙鏈表或樹結(jié)構(gòu)的算法相比，具有最簡單的結(jié)構(gòu)和最快的執(zhí)行速度。新算法的具體步驟描述如下：①首先指定裁剪框window和待裁剪圖形polygon,給定的裁剪框和待裁剪圖形均是具有方向的多邊形結(jié)構(gòu)，即多邊形的頂點是以一定順序(順或逆時針)輸入的；②對待裁剪的polygon進行方向調(diào)整(與裁剪框的輸入方向一致)；③對待裁剪多邊形與裁剪框多邊形求交點集。對于交點集按照待裁剪多邊形的序號(pi)從小到大排序，然后記錄并保存由入邊到出邊之間的結(jié)點；同樣的交點集按照裁剪框Window邊的序號(wi)從小到大排序，然后記錄并保存由出邊到入邊之間的結(jié)點；④連接這些交點得到多個閉合的多邊形就是待裁剪多邊形polygon與裁剪框window 的交集。

圖2　基于網(wǎng)格法和多邊形法裁剪效果對比圖

(3)剖面圖繪制

剖面圖展示的是沿著某一剖線斷面的Z屬性值隨X軸坐標(biāo)的變化曲線(圖3)。根據(jù)不同走向的剖面圖，我們可以分析出沿某一剖線的數(shù)據(jù)分布特征、判斷異常的走向和分布范圍等信息。比如在水資源領(lǐng)域，我們可以用來反應(yīng)沿某一剖面方向地下水水位、埋深等監(jiān)測因素的變化情況。

剖面圖上的剖面數(shù)據(jù)點無外乎以下三類：一、剖線的首尾端點；二、剖線轉(zhuǎn)折點；三、剖線和網(wǎng)格線的交點。如圖4所示,做一條剖線和網(wǎng)格線交于E、G兩點；ABCD為4個網(wǎng)格節(jié)點(Z值已知)；F為剖線的轉(zhuǎn)折點；E、F、G均是剖面數(shù)據(jù)點。

圖3　基于等值線的剖面圖

圖4　剖線切割網(wǎng)格線圖

基于網(wǎng)格的剖面數(shù)據(jù)提取算法的基本原理是：首先由散點插值得到網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件，然后對剖線附近的網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行線性內(nèi)插或雙線性內(nèi)插得出剖面數(shù)據(jù)Z值。具體算法如下：如果某個剖面數(shù)據(jù)點正好和某個網(wǎng)格節(jié)點重合，則該點的Z值取為網(wǎng)格節(jié)點的Z值；如果剖面數(shù)據(jù)點的位置不和任何網(wǎng)格節(jié)點重合，則需要對周圍的網(wǎng)格節(jié)點進行線性插值或雙線性插值。

(4)特殊區(qū)域繪制

基于等值面對某些特殊區(qū)域(如特定等級區(qū)間、凸起區(qū)域或凹陷區(qū)域，如圖5)進行繪圖并計算相關(guān)面積，是在等值線成果的基礎(chǔ)上進一步進行分析的高級應(yīng)用功能。特殊區(qū)域圖形繪制的實質(zhì)是基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)的等值面重繪。特殊區(qū)域的繪圖和計算可為多領(lǐng)域中的實際工程提供圖形和數(shù)值依據(jù)，例如土地規(guī)劃和地基施工中對填挖方的計算、地下水資源評價中降落漏斗區(qū)的繪制等。

圖5　特殊區(qū)域繪制

(5)統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析以等值面圖為基礎(chǔ)，在疊加行政分區(qū)等分區(qū)因素的基礎(chǔ)上計算出等值面特征值及其分區(qū)面積或面積占比的量化數(shù)據(jù)。比如每個月水利部水情信息中心都要匯總各個省的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照《地下水動態(tài)月報》編制大綱要求，計算統(tǒng)計時段內(nèi)地下水水位變幅。在其業(yè)務(wù)分析與應(yīng)用系統(tǒng)以等值面技術(shù)二次開發(fā)為基礎(chǔ)，結(jié)合平原區(qū)套省市分區(qū)實現(xiàn)此業(yè)務(wù)功能。

3結(jié)論

等值線在線修改系統(tǒng)的創(chuàng)新點為建立等值線數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，并結(jié)合GIS技術(shù)實現(xiàn)了人機交互式的可視化的等值線自動重繪，解決了等值線軟件和外部程序銜接和實用性差的問題，利用網(wǎng)格計算等值線在水利信息化業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用方面做出了新嘗試，例如剖面數(shù)據(jù)計算、分區(qū)面積計算、漏斗計算等功能。本系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)歷了上百個應(yīng)用系統(tǒng)的檢驗，為今后的數(shù)據(jù)后處理工作提供了一種直觀便捷的等值線獲取方法。

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The design and application of the online modification system of contour lines

XU Yingxue1，2，NIU Xinyan1，ZHAI Caixia1，2，XUE Wei1

(1.BeijingQingliuTechnologyCo.Ltd.，Beijing100073，China；2.BeijingQingliuGroundwaterResourcesInstitute，Beijing100073，China)

Abstract：Contour or isosurface is an important method of data processing, project presentation and forecasting-warning in water resources informatization. This article describes the self-development online modification system of contour lines (Conmas). The data stream technology is used to edit the original sample data that achieves the visualization of contour modified automatically, greatly improves the convenience of contour mapping. Combined the business needs of water resources informatization, it improves the function of cutting and expands the functions of the statistical analysis, cross-sectional drawing, special regional recognition etc.. The contour algorithm library after the second development has been applied to many projects of the Ministry of Water Resources Hydrologic Information Center successfully, such as groundwater business and analysis system, geological disaster monitoring and forecasting-warning platform.

Key words：interpolation; contour; online modification; data stream; Conmas

基金項目：北京市西城區(qū)科技計劃項目(2015IH12)

作者簡介：徐映雪(1978-)，女，高級工程師，從事水文水資源及水利信息化研究工作。

中圖分類號：TV22;X830.3

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)05-0012-05