水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法及應(yīng)用

杜銳

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海，200434）

水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法及應(yīng)用

杜銳

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海，200434）

為確保上海市青草沙水庫(kù)運(yùn)營(yíng)期大堤安全，在大堤外側(cè)灘面實(shí)施了水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，針對(duì)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)獲得的大量地形數(shù)據(jù)及固定斷面數(shù)據(jù)，區(qū)別于傳統(tǒng)水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)處理方式，采用三維軟件及CAD二次開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直觀地表現(xiàn)出大堤外側(cè)水下地形整體及局部的變化情況，為水庫(kù)大堤的安全運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)同類(lèi)工程水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有借鑒意義。

水下地形；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；CAD二次開(kāi)發(fā)；三維軟件

0 前言

上海市青草沙水庫(kù)建設(shè)在長(zhǎng)江口，水庫(kù)大堤受長(zhǎng)江徑流和外海潮流雙重動(dòng)力影響，水動(dòng)力條件強(qiáng)勁且十分復(fù)雜。為了關(guān)注水庫(kù)運(yùn)行期大堤外側(cè)的河勢(shì)、灘勢(shì)變化情況，及時(shí)掌握可能出現(xiàn)的危及水庫(kù)運(yùn)行安全的風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)展了水庫(kù)外側(cè)灘面水下地形的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)通常采用整體地形測(cè)量與固定斷面測(cè)量結(jié)合的方式，前者能全面反映水下地形的總體特征，但由于其測(cè)量費(fèi)用相對(duì)較高且短時(shí)間內(nèi)變化不會(huì)太大，故一般其觀測(cè)頻率較低，每年觀測(cè)一到兩次；后者則只反映地形的局部特征，通常布設(shè)在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的位置，由于其測(cè)量費(fèi)用相對(duì)較低，可采取較高頻率進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)月測(cè)量一次。

針對(duì)全覆蓋的整體水下地形數(shù)據(jù)和高頻次觀測(cè)的固定斷面數(shù)據(jù)，需要采取合理有效的數(shù)據(jù)處理方法，使兩種數(shù)據(jù)直觀地展現(xiàn)水庫(kù)大堤外側(cè)水下地形整體及局部的變化情況，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。

1 整體水下地形數(shù)據(jù)處理

對(duì)于整體水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的處理方法通常采用等高或等深線(xiàn)來(lái)表示水下地形，該方法在表現(xiàn)形式上不夠直觀，筆者使用地形數(shù)據(jù)在三維軟件Microstation中生成DEM[1-3]，直觀地表現(xiàn)地形狀況，同時(shí)可將任意兩期觀測(cè)的地形DEM進(jìn)行差運(yùn)算，獲得這兩期地形的沖刷與淤積分布情況。

生成DEM可根據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型，不同數(shù)學(xué)模型生成的DEM可進(jìn)行不同的內(nèi)容展示。針對(duì)等高線(xiàn)模型（Contour DEM），按高程值不同范圍賦以不同顏色值進(jìn)行渲染填充，能在平面上直觀地表示水下地形起伏；針對(duì)不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN DEM），可通過(guò)三維瀏覽的方式直接查看水下地形的真實(shí)三維模型；針對(duì)規(guī)則格網(wǎng)模型（Grid DEM）,可將任意兩期地形測(cè)量數(shù)據(jù)按同一方式格網(wǎng)化，再將得到的兩期格網(wǎng)點(diǎn)做差值運(yùn)算，結(jié)果就是兩期測(cè)量的地形沖淤格網(wǎng)，利用轉(zhuǎn)換關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為等高線(xiàn)模型，同樣按不同的差值范圍以不同的顏色值渲染填充，可在平面上直觀地表現(xiàn)地形沖刷淤積狀況。

數(shù)字地面模型（DigitalTerrain Model,簡(jiǎn)稱(chēng)DTM）是地貌形態(tài)的離散表示，它由麻省理工學(xué)院的Chairs L.Miller教授在20世紀(jì)50年代末期研究，在用攝影測(cè)量方法獲取的數(shù)據(jù)和數(shù)字計(jì)算方法進(jìn)行公路設(shè)計(jì)時(shí)提出。DTM是用數(shù)字形式Ai=F{(xi,yi)|i=1,2…,n}坐標(biāo)來(lái)表達(dá)區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài),以縮微的形式再現(xiàn)了地表形態(tài)起伏變化特征,具有形象、直觀、精確等特點(diǎn),適用于所有的地形條件,并且計(jì)量的精度相當(dāng)高。以高程為特征的DTM也稱(chēng)為數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱(chēng)DEM）[2，3]。

等高線(xiàn)模型（Contour DEM）是高程值等同點(diǎn)的集合；規(guī)則格網(wǎng)模型（Grid DEM）的數(shù)學(xué)定義為區(qū)域D的采樣點(diǎn)或區(qū)域內(nèi)插點(diǎn)Pj按照某種規(guī)則ξ連接成面片M的集合：DEM={Mi=ξ(Pj)|Pj(xj,yj,Hj)∈D,j=1,2,…, n;i=1,2,…,m},連接規(guī)則ξ構(gòu)成DEM的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)ξ為正方形格網(wǎng)時(shí)，這時(shí)的DEM為基于格網(wǎng)的DEM；當(dāng)ξ為三角形時(shí)，這時(shí)的DEM為基于不規(guī)則三角網(wǎng)的DEM（TIN DEM），TIN是由連續(xù)的三角面組成，三角形的大小形狀取決于點(diǎn)的位置與密度。

規(guī)則格網(wǎng)模型的生成需要指定格網(wǎng)的邊界點(diǎn)及格網(wǎng)間距，格網(wǎng)點(diǎn)通過(guò)周?chē)臏y(cè)點(diǎn)內(nèi)插獲得，常用的內(nèi)插方法有距離倒數(shù)乘方法、克里金法等；不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN DEM）的生成采用Delaunay三角網(wǎng)生成算法。

2 固定斷面數(shù)據(jù)處理

對(duì)于每月觀測(cè)一次的海量固定斷面觀測(cè)數(shù)據(jù),目前工程上用的一些斷面成圖軟件側(cè)重于單期測(cè)量數(shù)據(jù)的處理，針對(duì)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量所得的多期觀測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法通過(guò)這樣的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)管理、疊加比較。正是基于這一現(xiàn)狀，在AutoCAD平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)了固定斷面數(shù)據(jù)處理插件[4，5]，實(shí)現(xiàn)將每一期數(shù)據(jù)按自己定義格式導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并能根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行檢索，從而得到任意多期斷面的疊加和任意兩期斷面的沖淤對(duì)比與統(tǒng)計(jì)。

要實(shí)現(xiàn)兩期或多期觀測(cè)斷面的疊加分析，需要使各期斷面有一個(gè)共同的基準(zhǔn)點(diǎn)，即同一樁號(hào)的斷面每一期都以同一個(gè)點(diǎn)作為斷面的起點(diǎn)，而且為了保證每一期測(cè)量數(shù)據(jù)都落在斷面上，需要使起點(diǎn)適當(dāng)與測(cè)區(qū)有一定距離。

為了使程序在大量的數(shù)據(jù)中快速檢索出任意一期、任意一條斷面信息，需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)制定一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)將各期數(shù)據(jù)的觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)斷面號(hào)作為頭文件信息存入數(shù)據(jù)文件中，檢索時(shí)僅讀入頭文件信息，搜索到所需信息后再?gòu)奈募凶x取數(shù)據(jù)，這樣大大縮短了數(shù)據(jù)的檢索時(shí)間，提高了運(yùn)行效率。

AutoCAD二次開(kāi)發(fā)有多種方式，筆者采用Au?toCAD2006平臺(tái)上以.net API結(jié)合COM技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)方式[5]，需要引用acdbmgd.dll、acmgd.dll、Au?todesk.AutoCAD.Interop.dll、 Autodesk.AutoCAD.In?terop.Common.dll。.net版本選擇2.0。添加菜單的主要代碼有：

[CommandMethod("MDAS")]

public static void AddMenuCom()

{

//引 用 Autodesk.AutoCAD.Interop.Common.dll及Autodesk.AutoCAD.Interop.dll

AcadApplication app=(AcadApplication)Mar?shal.GetActiveObject("AutoCAD.Application.16");

AcadMenuBarmenuBar=app.MenuBar;

AcadMenuGroup menuGroup=app.MenuGroups. Item(0);

AcadPopupMenusmenus=menuGroup.Menus;

AcadPopupMenu mymenu=menus.Add("斷面監(jiān)測(cè)");

AcadPopupMenu ext0=mymenu.AddSubMenu (0,"數(shù)據(jù)信息");

}

數(shù)據(jù)管理的主要代碼有：

[CommandMethod("IMPORT_DATA")]

public void Import_data()

{

//注冊(cè)表中獲取安裝程序路徑

RegistryKey key;

RegistryKey software;

string filepath;

software=Registry.LocalMachine.OpenSubKey ("Software");

key=software.OpenSubKey("MDAS");

if(key!=null)

{

filepath = (string)key.GetValue("filepath") +"\data";

}

else

{

MessageBox.Show("軟件安裝錯(cuò)誤！");

return;

}

DirectoryInfo TheFolder=new DirectoryInfo(file?path);

FileInfo[]fileInfo=TheFolder.GetFiles();

}

筆者開(kāi)發(fā)的插件最終在AutoCAD上增加一個(gè)菜單項(xiàng)，并按功能細(xì)分多個(gè)子菜單，主要的功能有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的錄入、斷面圖繪制、固定期號(hào)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、固定斷面統(tǒng)計(jì)報(bào)表、固定期號(hào)沖淤分析、固定斷面沖淤分析。圖1為該插件的菜單項(xiàng)及斷面繪制功能界面截圖。

圖1 AutoCAD插件菜單界面圖Fig.1 Menu interface of the plug-in of AutoCAD

3 工程實(shí)例

上海市青草沙水庫(kù)外側(cè)灘面監(jiān)測(cè)斷面垂直大堤布設(shè)，從大堤中心向長(zhǎng)江一側(cè)延伸，監(jiān)測(cè)頻次為每月一次。整體水下地形范圍為圍繞水庫(kù)大堤往長(zhǎng)江一側(cè)延伸，監(jiān)測(cè)頻次為每年兩次[6]。青草沙水庫(kù)外側(cè)固定斷面布設(shè)及整體水下地形測(cè)量范圍見(jiàn)圖2。

對(duì)于整體水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)，按前述方法進(jìn)行處理，得到所測(cè)區(qū)域地形三維模型，見(jiàn)圖3。由圖3可知各區(qū)域水下地形的高程分布，可直觀地反映測(cè)區(qū)內(nèi)地形的起伏變化狀況。

將相鄰兩期的水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)的規(guī)則格網(wǎng)DEM進(jìn)行差運(yùn)算，將所得結(jié)果形成新的DEM，在三維軟件中使用相同處理方法可得到兩次測(cè)量地形沖淤狀況分布圖，見(jiàn)圖4。圖4中藍(lán)色（負(fù)值）表示沖刷，紅色（正值）表示淤積，可直觀地反映沖刷最嚴(yán)重的區(qū)域及沖刷深度。根據(jù)該結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而采取相應(yīng)的處置措施。

圖2 青草沙水庫(kù)外側(cè)固定斷面布設(shè)及整體水下地形測(cè)量范圍圖Fig.2 Distribution of the fixed cross sections and the survey scope of underwater terrain on the outer side of Qingcaosha dam

圖3 青草沙水庫(kù)外側(cè)水下整體地形三維色譜圖Fig.3 Three dimensional chromatogram of the underwater ter?rain on the outer side of Qingcaosha dam

圖4 青草沙水庫(kù)外側(cè)相鄰兩期水下地形測(cè)量沖淤分布圖Fig.4 Distribution of erosion and deposition on the outer side of Qingcaosha dam obtained by two contiguous surveys

對(duì)于固定斷面數(shù)據(jù)，按自定義的格式導(dǎo)入CAD二次開(kāi)發(fā)的軟件中，軟件的主要處理方法有任意多期斷面疊加見(jiàn)圖5、任意兩期斷面沖淤對(duì)比統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖6。圖5可直觀反映該斷面的變化趨勢(shì)；圖6中紅色（深色）填充表示淤積，綠色（淺色）填充表示沖刷，該圖可直觀地反映該斷面沖刷淤積的位置及程度，且在下端表格中有最大沖刷量、沖刷長(zhǎng)度、平均沖刷量、最大淤積量、最大淤積長(zhǎng)度、平均淤積量等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。

圖5 青草沙水庫(kù)外側(cè)任意多期斷面測(cè)量數(shù)據(jù)疊加圖Fig.5 Overlapping of section data of the outer side of Qingcaosha dam obtained by severalsurveys

圖6 青草沙水庫(kù)外側(cè)任意兩期斷面沖淤分析統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Overlapping of section data of the outer side of Qingcaosha dam obtained by two surveys

4 結(jié)語(yǔ)

筆者介紹了水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法，通過(guò)三維軟件處理整體水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)自主二次開(kāi)發(fā)的CAD軟件處理固定斷面的測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠直觀、定量地反映水下地形整體的沖淤情況以及局部斷面位置的沖淤狀況、變化趨勢(shì)等，進(jìn)而分析水下地形的變化對(duì)水庫(kù)大堤運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生的影響，對(duì)于同類(lèi)工程水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理有一定的借鑒意義。 ■

[1]康玉永.Geopack Site-高程數(shù)字模型與三維場(chǎng)地[R].

[2]武曉波,王世新,肖春生.Delaunay三角網(wǎng)的生成算法研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),1999,28(01):28-35.

[3]周霞,周?chē)?guó)華.淺析不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)（DTM）法土方量計(jì)算[J].安徽建筑,2011(3):167-168.

[4]Autodesk公司.Autodesk.NET教程(C#版)[OL].http://wen?ku.baidu.com/

[5]趙寧,黃地龍,徐莉.基于C#的區(qū)域自動(dòng)填充CAD二次開(kāi)發(fā).工程勘察[J],2008(1):58-61.

[6]中華人民共和國(guó)水利部.SL 197-2013,水利水電工程測(cè)量規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社.2013.

作者郵箱：tjduruiboy@163.com

Processing method of dynamic monitoring data for underwater terrain and its application

by DU Rui Shanghai Investigation,Design and Research Institute Co.,Ltd.

To ensure the safety of Qingcaosha reservoirdam during operation,dynamic monitoring ofun?derwater terrain on the outer side of the dam is carried out.On the large amount of terrain and fixed cross section data,different from traditional data processing method,this paper uses 3D software and CAD secondary developmentsoftware for data processing,which visually shows the localand whole un?derwaterterrain changes,providing data supportforsafety operation ofthe dam,worthy ofreference.

underwatertopographic;dynamic monitoring;CAD secondary development;Microstation

P229.1

B

1671-1092（2017）01-0051-04

2016-11-23；

2016-12-13

杜 銳（1986-），男，貴州銅仁人，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事測(cè)量數(shù)據(jù)處理工作。