利用DEM進(jìn)行斷面量測(cè)方法簡(jiǎn)介

，

(1.長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)，武漢 430010)

1 概 述

斷面測(cè)量是對(duì)沿某一方向剖面的地面起伏進(jìn)行的高程測(cè)量工作。斷面圖主要應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、選線(xiàn)、工程驗(yàn)收、填挖方量計(jì)算、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析以及滑坡監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。目前斷面測(cè)量主要采用的方法有：

(1)野外實(shí)測(cè)法：可采用經(jīng)緯儀視距法、水準(zhǔn)儀量距(或視距)法、全站儀法、RTK坐標(biāo)法和其他方法進(jìn)行。

(2)等高線(xiàn)法：可采用地形圖中的等高線(xiàn)和高程點(diǎn)進(jìn)行里程和高程量取。

(3)DEM量測(cè)斷面法：利用DEM數(shù)據(jù)和斷面線(xiàn)，通過(guò)ArcGIS軟件獲取里程數(shù)據(jù)，再生成斷面圖。

由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和激光雷達(dá)在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，能夠快速便捷地采集到地形特征點(diǎn)三維坐標(biāo)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)自動(dòng)采集、傳輸、處理，在相關(guān)的軟件下制作數(shù)字高程模型DEM。DEM量測(cè)斷面法具有效率高、精度高、表面表達(dá)更精細(xì)的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于流域規(guī)劃、搶險(xiǎn)救災(zāi)、工程設(shè)計(jì)和工程量計(jì)算等領(lǐng)域。另一方面，DEM存在缺點(diǎn)是高程基準(zhǔn)隱含，所以DEM量測(cè)斷面法應(yīng)該重點(diǎn)注意DEM數(shù)據(jù)的高程基準(zhǔn)，可以通過(guò)控制點(diǎn)或地形圖進(jìn)行判別確認(rèn)。

下文討論如何利用高質(zhì)量的數(shù)字高程模型DEM進(jìn)行斷面測(cè)量的方法、路線(xiàn)和優(yōu)點(diǎn)。

2 DEM斷面量測(cè)的技術(shù)路線(xiàn)和方法

2.1 DEM斷面量測(cè)的技術(shù)路線(xiàn)

采用DEM量測(cè)斷面法，根據(jù)已有或生產(chǎn)的DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)質(zhì)量檢查和粗差剔除，在A(yíng)rcGIS軟件中通過(guò)設(shè)計(jì)的斷面線(xiàn)生成斷面里程文件，從而獲得斷面圖。具體的技術(shù)路線(xiàn)如圖1：

圖1 DEM斷面量測(cè)的技術(shù)路線(xiàn)

2.2 DEM斷面量測(cè)的方法

(1)利用激光點(diǎn)云、等高線(xiàn)、高程點(diǎn)通過(guò)格式轉(zhuǎn)換生成高精度的數(shù)字高程模型，DEM格網(wǎng)間距的選擇直接決定斷面的精度，格網(wǎng)間距越小地形表達(dá)越精細(xì)，反之，格網(wǎng)間距越大地形表達(dá)越粗糙。

(2)對(duì)所生成的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查。剔除掉DEM數(shù)據(jù)中的“飛點(diǎn)”、“飛線(xiàn)”，可以通過(guò)分層設(shè)色法、生成暈渲圖、三維DEM可視化等方法進(jìn)行目視檢查法。如圖2。

圖2 DEM分層設(shè)色顯示

(3)線(xiàn)路選擇和縱橫斷面設(shè)計(jì)。斷面設(shè)計(jì)要根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的需求，在山區(qū)進(jìn)行斷面設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮“經(jīng)濟(jì)點(diǎn)”，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、選線(xiàn)意圖，結(jié)合地面起伏變化，經(jīng)濟(jì)填、挖值。斷面設(shè)計(jì)可以通過(guò)AutoCAD或ArcGIS等軟件。斷面設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 斷面設(shè)計(jì)

(4)將DEM數(shù)據(jù)和斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)用ArcMap打開(kāi)，打開(kāi)ArcMap的“工具箱(ArcToolBox)”，在“3D Analyst工具”菜單中選“功能表面”項(xiàng)下的“堆棧剖面”命令。在彈出的對(duì)話(huà)框中，“輸入要素”選擇設(shè)計(jì)的斷面線(xiàn)；“剖面目標(biāo)”選擇DEM數(shù)據(jù)；“輸出表”選擇輸出里程文件表的路徑?？梢圆捎胦ffice對(duì)表文件進(jìn)行編輯處理。

(5)根據(jù)里程文件生成斷面圖，生成的縱斷面圖如圖4所示。

圖4 縱斷面示意圖

3 實(shí)際應(yīng)用與對(duì)比分析

(1)以國(guó)內(nèi)某兩大河流突發(fā)滑坡，阻斷河流形成了堰塞湖為例，闡述DEM斷面測(cè)量方法在應(yīng)急搶險(xiǎn)中效率體現(xiàn)。應(yīng)急搶險(xiǎn)關(guān)乎人民生命財(cái)產(chǎn)安全，需早預(yù)測(cè)早處理。其中一條河流要求出堰塞體下游250 km的每5 km一橫斷面圖，接收到DEM數(shù)據(jù)，迅速投入5名技術(shù)人員，利用DEM提取等高線(xiàn)到生成斷面圖耗時(shí)整整5 h；另一條河流要求出堰塞體下游420 km的每5 km一橫斷面圖，接收到DEM數(shù)據(jù)后，投入1名技術(shù)人員，利用DEM測(cè)量斷面只花費(fèi)大約20 min時(shí)間。在DEM質(zhì)量檢查、斷面設(shè)計(jì)、里程數(shù)據(jù)獲取、斷面圖生成、斷面圖質(zhì)量檢查、提交成果等方面，大大節(jié)省人力和時(shí)間，為搶險(xiǎn)排險(xiǎn)贏(yíng)得更多時(shí)間。

(2)某工程區(qū)采用0.2 m的激光點(diǎn)云，同一條斷面采用等高線(xiàn)法和DEM斷面法進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5。

圖5 等高線(xiàn)法和DEM斷面法斷面圖比較

從圖5可以看出用DEM斷面法生成的斷面圖更加精細(xì)，細(xì)貌特征表示更加完整；DEM斷面法的剖面面積為34 683.815 km2，采用等高線(xiàn)法的剖面面積為34 319.534 km2，面積誤差為364.280 km2，誤差率為1.05%。

通過(guò)以上幾個(gè)實(shí)例可以看出，DEM量測(cè)斷面法有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)可以快捷地與先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)手段進(jìn)行對(duì)接。提高工作效率，如直接利用高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM，避免先通過(guò)點(diǎn)云生成曲線(xiàn)，再利用曲線(xiàn)進(jìn)行斷面切割。

(2)DEM采用分層設(shè)色法，可以直觀(guān)檢查出DEM高程異常的地方，在斷面數(shù)據(jù)提取前進(jìn)行修改，進(jìn)一步提高斷面測(cè)量的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

(3)該方法能夠精度更高、更加精細(xì)的斷面測(cè)量。斷面測(cè)量間距與DEM格網(wǎng)間距相一致，DEM格網(wǎng)間距越小,斷面量測(cè)的間距越小,斷面圖更加精細(xì)反應(yīng)地表，反之亦然。

(4)該方法能夠應(yīng)用于河流流域規(guī)劃、搶險(xiǎn)救災(zāi)等大范圍、大數(shù)據(jù)量的斷面測(cè)量。

4 結(jié) 論

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種高精度、高效率的測(cè)量?jī)x器也廣泛應(yīng)用于各種工程測(cè)量中，例如三維地面激光掃描儀，能夠快速高精度的采集出地面密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而快速建立數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。然而傳統(tǒng)工程應(yīng)用流程是先利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插生成等高線(xiàn)，通常情況為了滿(mǎn)足視覺(jué)上美觀(guān)，對(duì)等高線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、取舍等綜合處理，然后再根據(jù)等高線(xiàn)進(jìn)行斷面量測(cè)，傳統(tǒng)工藝流程降低數(shù)據(jù)質(zhì)量，導(dǎo)致提取的斷面數(shù)據(jù)不能更加精細(xì)反應(yīng)地表起伏。

DEM方法操作簡(jiǎn)便，步驟簡(jiǎn)潔，能夠極大提高斷面測(cè)量的效率和質(zhì)量，一定能在斷面測(cè)量的實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。