基于圖形繪制技術(shù)的楊林巖水道右岸邊灘模擬及分析

朱梅

摘 要：工程竣工前測(cè)量，主要用于確實(shí)掌握工程整治建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況，為工程竣工驗(yàn)收提供依據(jù)。用三維模擬軟件，能更加清晰地反映施工前后的地形變化情況，反映施工的效果，為下一步施工方案尋找依據(jù)。隨著測(cè)量技術(shù)、圖像處理技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)的迅速發(fā)展，利用MATLAB軟件圖形處理技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題成可能。因此，深入研究基于河床演變分析方法，是十分必要的。針對(duì)常規(guī)分析方法的不足，對(duì)基于圖形繪制技術(shù)的河床演變分析方法進(jìn)行了深入研究。本文利用MATLAB軟件的三維繪圖技術(shù)，根據(jù)14年、15年費(fèi)家墩工程區(qū)施工前后的測(cè)量數(shù)據(jù)，給楊林巖水道右岸邊灘做出模擬分析。

關(guān)鍵詞：河床演變 MATLAB分析

一、航道概況

1.1 河道基本情況

楊林巖水道位于長(zhǎng)江中游，湖北省洪湖市、湖南省岳陽(yáng)市境內(nèi)，上鄰洞庭湖湖口與荊江下口，距城陵磯15km，下接界牌水道，距武漢217km。該水道位于中游航道里程210～217km，河段上至擂鼓臺(tái)、下止楊林山，屬順直分汊型河段。河段自上而下依次分布有白螺磯～道人磯、楊林山～龍頭山對(duì)峙節(jié)點(diǎn)，使河段平面形態(tài)呈寬窄相間的藕節(jié)狀。在白螺磯～道人磯處河寬為1.75km，楊林山～龍頭山處河寬為1.12km，在上下節(jié)點(diǎn)中間，河段寬闊，出現(xiàn)洲灘，白螺磯～道人磯上游仙峰洲（丁家洲邊灘）處最大河寬為2.49km，而南陽(yáng)洲汊道段最大河寬達(dá)3.2km。

河段上段較為順直，主流偏右，右岸多礁石；下段被南陽(yáng)洲分為左右兩汊，多年來(lái)河勢(shì)較為穩(wěn)定，右汊為主通航槽。

該河段目前航道尺度為3.5m×80m×750m（水深×航寬×彎曲半徑），實(shí)行分月維護(hù)水深。隨著沿江經(jīng)濟(jì)及長(zhǎng)江航運(yùn)的快速發(fā)展，航運(yùn)需求大幅提升，地方政府多次要求提高長(zhǎng)江航道維護(hù)尺度。為適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、盡早實(shí)現(xiàn)規(guī)劃航道尺度，交通運(yùn)輸部安排了長(zhǎng)江中游楊林巖水道航道整治工程對(duì)該河段進(jìn)行整治。

1.2 礙航特性簡(jiǎn)況

工程河段以道人磯～白螺磯對(duì)峙節(jié)點(diǎn)為界，分為上下兩段。上段順直，兩岸有大堤保護(hù)，多年來(lái)河床穩(wěn)定少變，下段河道放寬，江中南陽(yáng)洲分河道為左右兩汊，多年來(lái)河勢(shì)基本穩(wěn)定。三峽蓄水前，在不同水沙條件下，南陽(yáng)洲淤長(zhǎng)沖刷，洲頭上提下移，左右汊沖淤調(diào)整，部分時(shí)段航道條件較差，但洲灘在自然演變下能夠恢復(fù)。三峽蓄水后，水沙條件發(fā)生改變，河段總體沖刷，特別是近年來(lái)河床演變逐漸加快，南陽(yáng)洲洲頭持續(xù)沖刷下退、南陽(yáng)洲右緣崩退，以及相應(yīng)的左岸丁家洲邊灘下延，左汊有所沖刷，右汊展寬。南陽(yáng)洲作為重要洲灘，灘體受沖刷有所縮小，工程河段灘槽逐漸坦化，灘槽格局和航道條件已明顯表現(xiàn)出向?qū)挏\化方向發(fā)展的不利趨勢(shì)。三峽蓄水后的水沙條件今后將繼續(xù)保持，任其自然演變，灘槽格局不利的變化趨勢(shì)將進(jìn)一步發(fā)展，目前較好的航道條件將有逐步變壞甚至惡化的可能。所以交通運(yùn)輸部安排了長(zhǎng)江中游楊林巖水道航道整治工程對(duì)該河段實(shí)施整治，以穩(wěn)定目前相對(duì)較好的航道條件和灘槽格局。河道形勢(shì)見(jiàn)圖1。

二、分析工具

MATLAB是Math Works公司開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)分析軟件，具有強(qiáng)大的三維繪圖與數(shù)據(jù)分析能力。[2]MATLAB產(chǎn)品族可進(jìn)行以下工作：數(shù)值分析、計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理。MATLAB的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、金融建模和分析等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專(zhuān)用MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類(lèi)型的問(wèn)題。根據(jù)費(fèi)家墩工程區(qū)2014年3月和2015年10月兩個(gè)測(cè)次的水深數(shù)據(jù)，圖比1：1000、測(cè)區(qū)面積約0.7 km2，我們可以利用MATLAB模擬費(fèi)家墩工程區(qū)河道的三維水深圖像。

2.1 MATLAB在地形處理方面的相關(guān)函數(shù)。

MATLAB主要包括核心函數(shù)和工具箱，在地形處理方面，常用函數(shù)有：interp1、interp2、griddata，mesh和surf。[1]本文采用的是griddata。

（1）yi=interp1（x，y，z，xi，yi，method）是用于確定邊界點(diǎn)位置的一維插值函數(shù)， x，y為已知坐標(biāo)向量， xi為需插值坐標(biāo)向量，method為插值方法。MATLAB提供了4種插值法：nearest，linear， spline和cubic。

（2）zi=interp2（x，y，z，xi，yi，method）是根據(jù)有結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)插值的二維插值函數(shù)，x，y，z為已知坐標(biāo)矩陣，且x和y為單調(diào)向量，xi，yi為需插值坐標(biāo)矩陣，zi為插值結(jié)果。若已知矩陣形式的地形數(shù)據(jù)，則此函數(shù)是比較理想的插值方法。

（3）zi=griddata（x，y，z，xi，yi，method）是根據(jù)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)插值的二維插值函數(shù)，其變量含義與 interp2類(lèi)似，但x和y可以為非單調(diào)向量，因而可進(jìn)行離散數(shù)據(jù)點(diǎn)插值。

（4）mesh（x，y，z）和surf（x，y，z）為常用的地形重現(xiàn)函數(shù)，mesh函數(shù)用于生成反映網(wǎng)格式格布設(shè)的網(wǎng)眼圖，surf函數(shù)用于生成表現(xiàn)地形形態(tài)的三維色帶圖。

2.2 數(shù)據(jù)前處理。

地形測(cè)繪技術(shù)從人工測(cè)繪發(fā)展到GPS及遙感測(cè)繪，前后數(shù)據(jù)形式的差別較大。從目前數(shù)據(jù)形式看，大致可以分為：零散人工觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖紙數(shù)據(jù)和電子地圖。本文采用的是第三種，即原始數(shù)據(jù)為grp格式的電子數(shù)據(jù)。

首先將grp格式原始資料轉(zhuǎn)換成TXT格式，再將TXT格式轉(zhuǎn)換成Excel格式。用測(cè)量學(xué)閉合差法進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，刪除不合理數(shù)據(jù)，得到每個(gè)數(shù)字均為有效數(shù)據(jù)的Excel文件。

三、圖像生成

3.1 2014年3月費(fèi)家墩工程區(qū)三維圖

編輯代碼如下：

代碼解釋?zhuān)?/p>

由于14年3月的測(cè)量數(shù)據(jù)有7400個(gè)三維高程點(diǎn)，代碼中，先預(yù)分配分配一個(gè)3X7500的矩陣D。再將excel格式的測(cè)量數(shù)據(jù)賦值給矩陣D，最后利用griddata繪圖函數(shù)進(jìn)行繪圖。執(zhí)行代碼輸出結(jié)果為圖3。

模擬圖用顏色直觀(guān)標(biāo)示了高程高度：顏色越接近紅色，水深越深；顏色越接近深藍(lán)色，水深越淺。根據(jù)模擬圖可以看出：費(fèi)家墩工程區(qū)東高西低，越往下游水深越淺。

3.2. 2015年10月費(fèi)家墩工程區(qū)三維圖

編輯代碼如下：

執(zhí)行代碼輸出結(jié)果為圖5。

3.3 數(shù)據(jù)比對(duì)

利用差值法，將2015年9月測(cè)圖數(shù)據(jù)與14年3月數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。差值法，即事先進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，得到兩個(gè)測(cè)次高程差的有效數(shù)據(jù)。該方法與surfer網(wǎng)格法相比優(yōu)勢(shì)在于：清洗掉了無(wú)效數(shù)據(jù)，避免兩個(gè)測(cè)次的測(cè)量數(shù)據(jù)坐標(biāo)范圍不完全相同時(shí)，由于對(duì)比數(shù)據(jù)不齊全造成失真現(xiàn)象。通過(guò)比對(duì)分析兩次觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，費(fèi)家墩工程區(qū)水域的數(shù)據(jù)變化情況如下圖所示：

從圖中可以看出，整個(gè)測(cè)區(qū)水底地形變化以降低為主，淤積主要發(fā)生在x坐標(biāo)7200-7225，y坐標(biāo)4290-4296的范圍內(nèi)。其中，護(hù)岸主體部分地形穩(wěn)定，護(hù)岸近江心側(cè)地形也表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的狀況，遠(yuǎn)離護(hù)岸的水底部分存在變低趨勢(shì)。伴隨著工程區(qū)左測(cè)的淤積下延，費(fèi)家墩工程區(qū)自上而下發(fā)生沖刷，沖刷下移的泥沙，淤積在中下段，形成淺區(qū)，形成交錯(cuò)淺灘，且下深槽仍處于不斷萎縮后退中。

3.4 調(diào)試問(wèn)題

（1）原始數(shù)據(jù)格式問(wèn)題。用Excel導(dǎo)入TXT數(shù)據(jù)時(shí)選擇“數(shù)值”模式，結(jié)果生成的Excel表格無(wú)法被MATLAB打開(kāi)；選擇“常規(guī)”模式后，結(jié)果生成的Excel表格可以被MATLAB讀取。Excel表格要存成2003版本，比較方便數(shù)據(jù)讀取。

（2）內(nèi)存不夠問(wèn)題。由于處理數(shù)據(jù)量較大，只有32位xp計(jì)算機(jī)上2G內(nèi)存，實(shí)驗(yàn)過(guò)程總會(huì)提示內(nèi)存不夠。因此，采取以下措施。1.給處理數(shù)據(jù)預(yù)先分配連續(xù)的存儲(chǔ)空間。2.通過(guò)修改內(nèi)存設(shè)置擴(kuò)展物理地址，并且通過(guò)修改用戶(hù)配置文件將電腦啟動(dòng)為3G模式，可以增大內(nèi)存空間。3.常用pack命令，可以釋放不連續(xù)的內(nèi)存空間，為運(yùn)行程序騰出空間。

四、總結(jié)與展望

通過(guò)模擬，可得出如下結(jié)論和建議：

4.1 MATLAB是良好的模擬分析工具

由于其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，可以作為分析河床變化的輔助工具。其優(yōu)點(diǎn)有：（1）具有很好的圖形處理能力，提供大量的三維圖形函數(shù)，數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線(xiàn)性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等。正是這種能力為數(shù)據(jù)的圖形化標(biāo)示提供了有力工具，三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)的展示更加形象生動(dòng)。（2）與C語(yǔ)言有良好的接口。各種函數(shù)可將基于MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語(yǔ)言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成。在本次實(shí)驗(yàn)中，由于數(shù)據(jù)較多，MATLAB的字符處理能力較欠缺，因此用C語(yǔ)言先讀入excel數(shù)據(jù)，再由MATLAB繪圖。

（3）有強(qiáng)大的工具箱，提供各種模擬、分析工具，有利于揭示數(shù)據(jù)間的內(nèi)在關(guān)系，有助于發(fā)現(xiàn)河道變化規(guī)律。（4）此高級(jí)語(yǔ)言可用于技術(shù)計(jì)算，此開(kāi)發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

4.2 可對(duì)比不同分析方法

目前，研究區(qū)域的沖淤量確定可采用三角網(wǎng)法、柵格法和等值線(xiàn)法：三角網(wǎng)法采用直接以離散點(diǎn)構(gòu)造三角形進(jìn)而形成三棱柱的方法來(lái)計(jì)算沖淤量具有計(jì)算速度快，精度高等特點(diǎn)；柵格網(wǎng)法不但可以保證河床沖淤演變的精度，還能夠準(zhǔn)確地給定不同位置處的沖淤變化情況，故柵格網(wǎng)法是一種比較確、全面的分析方法。等值線(xiàn)法具有數(shù)據(jù)量小，計(jì)算速度快等特點(diǎn)，但沖淤量的確定精度與給定等值線(xiàn)的精度和密度有關(guān)，等值線(xiàn)的精度越高，密度越大，沖淤計(jì)算的精度越高。[1]不同分析方法的比較可以作為下一步研究方向。

4.3更多顯示分析模型

（1）更多顯示函數(shù)可以幫助表達(dá)分析：1.函數(shù)colorbar在當(dāng)前的圖形窗口中增加水平或垂直的顏色標(biāo)尺以顯示當(dāng)前坐標(biāo)軸的顏色映象；2.燈光設(shè)置light指令，使用后，原為強(qiáng)度相等的漫射光，后為面等子對(duì)象有關(guān)光的屬性都被激活；3.hidden off透視被疊壓的圖形。

（2）高維可視化。二維半圖指令pcolor， contour， contourf，可以將沖淤圖分析做成如圖8的切片圖。

（3）準(zhǔn)四維表現(xiàn)，用顏色表現(xiàn)函數(shù)的其他特征（如梯度、曲率等）。引入時(shí)間變量，可以直觀(guān)反映變化的緩急程度。

4.4利用學(xué)習(xí)型算法

隨著測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的累積，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以被應(yīng)用到河床變化分析中。無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)（Unsupervised learning）就是聚類(lèi)，事先不知道樣本的類(lèi)別，通過(guò)某種辦法，把相似的樣本放在一起歸位一類(lèi)；而監(jiān)督型學(xué)習(xí)（Supervised learning）就是有訓(xùn)練樣本，帶有屬性標(biāo)簽，也可以理解成樣本有輸入有輸出。[3]可以利用無(wú)監(jiān)督型學(xué)習(xí)中的聚類(lèi)算法，分析河床變化和水情氣象之間的內(nèi)在聯(lián)系，為河床演變預(yù)測(cè)提供更多依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]張紅梅，基于圖形繪制技術(shù)的河床沖淤演變定量分析方法，武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2005-02.

[2]張志涌，楊祖纓，《MATLAB教程》，北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[3]）Tom Mitchell，《機(jī)器學(xué)習(xí)，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.