鄭軍 張辛 劉清蘭 凡姚申 竇身堂 于守兵
摘 要:傳統(tǒng)的插值方法在采樣河道地形橫斷面分布稀疏情況下,無(wú)法有效獲得彎曲河道高精度插值結(jié)果,亟須研究有效的彎曲河道地形插值新方法,對(duì)河道演變及其規(guī)律進(jìn)行定量分析。為此,提出了一種基于正交曲線網(wǎng)格的河道地形插值方法(OCGI),首先沿橫斷面進(jìn)行線性插值,然后沿縱向網(wǎng)格線進(jìn)行插值,彌補(bǔ)了縱向采樣點(diǎn)空間分布不足的缺陷,且考慮了河勢(shì)變化,將插值范圍控制在網(wǎng)格分布的區(qū)域。應(yīng)用實(shí)例表明:該方法比反距離加權(quán)法(IDW)和普通克里金法(KG)能得出更合理的結(jié)果,可應(yīng)用于黃河口尾閭等彎曲河道的地形插值。
關(guān)鍵詞:彎曲河道;地形插值;正交曲線網(wǎng)格;斷面高程
中圖分類(lèi)號(hào):P333;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2023.07.012
引用格式:鄭軍,張辛,劉清蘭,等.基于正交曲線網(wǎng)格的河道地形插值方法及應(yīng)用[J].人民黃河,2023,45(7):62-67.
河道地形是河流地貌演變分析、泥沙沖淤計(jì)算和水流泥沙輸運(yùn)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)[1-3] 。雖然攝影測(cè)量、基于光譜的深度檢索和激光探測(cè)等遙感技術(shù)可以提供大面積、高精度河道形態(tài)信息[4-6] ,但這些數(shù)據(jù)并不是常規(guī)可用的,大多數(shù)河流地貌研究仍依賴(lài)于全站儀、經(jīng)緯儀或全球定位系統(tǒng)等常規(guī)地面測(cè)量設(shè)備[7-10] 。這些方法提供了所選位置河床高程的點(diǎn)數(shù)據(jù),需要采用某種形式的空間插值方法將測(cè)量產(chǎn)生的離散高程點(diǎn)構(gòu)造成河道高程面,以滿足河道地形可視化、河道體積計(jì)算或河道建模的需要[11] 。
有許多經(jīng)典的空間插值方法,如反距離加權(quán)(IDW)[12] 、不規(guī)則三角網(wǎng)( TIN)[13] 、普通克里金(KG)[14] 、通用克里金(UKG)[15] 和多元二次徑向基函數(shù)(MRBF)等[16] ,不同方法的插值結(jié)果可能存在很大差異,并且沒(méi)有一種最優(yōu)插值方法來(lái)解決所有的插值問(wèn)題。特殊河道(如彎曲河道的凹岸凸岸附近)的地形插值對(duì)于河道地形相關(guān)變量的計(jì)算非常重要。通常實(shí)測(cè)一個(gè)橫截面上采樣點(diǎn)的距離從幾十米到幾百米不等,而河道橫斷面之間的距離從幾百米到幾千米不等,使用這些經(jīng)典插值方法可能無(wú)法獲得較高的插值精度[17] 。例如,對(duì)于大量異常三角形單元,使用IDW 和TIN 方法可能會(huì)增加插值誤差[18] 。與橫向相比,沿縱向?qū)崪y(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,并且許多經(jīng)典插值方法無(wú)法有效地考慮河流平面形態(tài)[19] ,插值得到的河道DEM 可能充斥大量的無(wú)效數(shù)據(jù)[20] ,因此使用IDW 或徑向基函數(shù)等鄰近方法可能無(wú)法改善結(jié)果。
本研究提出了一種新的河道擬合正交曲線網(wǎng)格線性插值方法(base on Orthogonal Curvilinear Grid In?terpolation,OCGI),主要步驟:
1)提取河道邊界,確定空間插值的范圍,生成一組適應(yīng)河道邊界平面形態(tài)的正交曲線網(wǎng)格。靠近橫截面的橫向網(wǎng)格線應(yīng)平行或適合橫截面。
2)求出曲線網(wǎng)格系統(tǒng)中每個(gè)測(cè)量截面的列數(shù),然后使用截面數(shù)據(jù)和線性插值方法對(duì)橫向網(wǎng)格點(diǎn)處的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。
3)使用線性插值方法沿相鄰橫截面之間的主河道縱向插值多余網(wǎng)格點(diǎn)。
4)基于密集網(wǎng)格點(diǎn)處的插值,使用經(jīng)典插值方法進(jìn)行第二次插值。插值方法的本質(zhì)是線性算法,因此該方法與對(duì)偶線性和三角網(wǎng)插值方法具有相同的精度。本研究還參考了幾種經(jīng)典的插值算法進(jìn)行比較,如IDW、KG。
1 基于正交網(wǎng)格的插值理論
本文采用基于復(fù)變函數(shù)理論的網(wǎng)格生成方法生成正交曲線網(wǎng)格[21] 。受河道與水流的長(zhǎng)期相互作用影響,河道的主軸通常與主流大致平行,河道地形沿主河道縱向的空間變化遠(yuǎn)小于沿橫向的空間變化,通常取樣橫截面垂直于主流或主河道的方向。橫截面與網(wǎng)格橫線之間的角度加大可能會(huì)降低插值精度[22] 。為了避免大角度的出現(xiàn),進(jìn)而提高插值精度,在生成正交曲線網(wǎng)格的過(guò)程中,調(diào)整網(wǎng)格橫截面附近的橫截面線,使其盡量與有實(shí)測(cè)已知地形數(shù)據(jù)的橫截面重合。正交曲線網(wǎng)格和橫截面的分布如圖1 所示。
計(jì)算采樣點(diǎn)每個(gè)橫截面的列階i,然后基于橫截面數(shù)據(jù)和線性插值方法對(duì)每個(gè)橫網(wǎng)格點(diǎn)(i, j)處的變量值進(jìn)行插值?;诰W(wǎng)格點(diǎn)位置P(i, j),分別計(jì)算沿橫截面的兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)A(n, m)和A(n, m +1)。使用的線性插值公式為
2.2 理想河道插值結(jié)果比較
設(shè)置40、100、200、400 m 四種采樣橫斷面間距,采用IDW、KG 和OCGI 插值方法所得插值結(jié)果分別如圖3、圖4、圖5 所示,將各種插值結(jié)果所得到的河道體積與實(shí)際河道體積進(jìn)行比較,統(tǒng)計(jì)它們的相對(duì)誤差,結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出,在采樣斷面足夠密集(40 m 橫斷面間隔)的情況下,IDW 和KG 的相對(duì)誤差絕對(duì)值小于2.00%,尤其是KG 插值,可以得到精度相對(duì)較高的插值結(jié)果。但是當(dāng)橫斷面間隔距離較大時(shí),存在較大誤差。比如橫斷面間隔為400 m 時(shí),IDW 的插值誤差達(dá)7.56%,KG 的插值誤差高達(dá)9.68%,插值地形圖顯示,河流谷線沿線分布一系列不合理的孤立、封閉的等高線,而這些地形信息對(duì)分析河流地貌演變及河道航運(yùn)是有影響的。OCGI 插值方法不受采樣斷面間距的影響,無(wú)論斷面間隔40 m 還是400 m 都能插值得到與實(shí)際地形高度一致的結(jié)果,其原因是構(gòu)造的理想河道高程等值線平行于河道邊界,也就是說(shuō)正交曲線網(wǎng)格縱向上不同位置插值點(diǎn)的高程值相同,用不同間距橫斷面插值獲得的結(jié)果,其相對(duì)誤差保持不變。
通過(guò)以上的對(duì)比分析,可以得出以下結(jié)論:
1)基于河道稀疏采樣橫斷面插值,IDW 和KG 方法可能會(huì)導(dǎo)致較大的誤差,而本文提出的OCGI 插值方法可以獲得較高插值精度,與IDW 和KG 方法相比,誤差最小。
2)隨著采樣橫斷面間距的增大,基于IDW 插值結(jié)果的河道體積大于真實(shí)值,而KG 的河道體積小于真實(shí)值。
3)當(dāng)采樣橫斷面密集時(shí),IDW 的插值精度優(yōu)于KG 的,而當(dāng)采樣橫斷面相對(duì)較稀疏時(shí),KG 的插值精度優(yōu)于IDW 的,但都劣于本文提出的OCGI 插值方法。
2.3 黃河口尾閭河道插值
黃河口尾閭河道是黃河水沙入海的最后通道,是河海交互作用的焦點(diǎn)區(qū)域[23] ,同時(shí)受徑流水沙條件、海洋動(dòng)力以及人類(lèi)活動(dòng)等多重影響,其擺動(dòng)、出汊、改道頻繁[24] ,是河流地貌學(xué)研究的熱點(diǎn)[25-27] 。本研究以黃河利津以下長(zhǎng)約106 km 的尾閭河道為例,進(jìn)一步驗(yàn)證OCGI 河道地形插值方法在自然河道中的適用性。
所用數(shù)據(jù)包括河道斷面高程數(shù)據(jù)以及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。斷面高程數(shù)據(jù)為2017 年黃河水利委員會(huì)統(tǒng)測(cè)黃河下游斷面高程數(shù)據(jù),黃河口尾閭河段共有固定斷面41 個(gè)(見(jiàn)圖6),斷面間距2~6 km。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為Landsat8 遙感影像數(shù)據(jù),從美國(guó)地球資源與科學(xué)中心網(wǎng)站免費(fèi)下載,其最高分辨率為15 m,被廣泛應(yīng)用于河流水文地貌研究[28-29] 。本文選取2017 年汛后與斷面測(cè)量時(shí)間最為接近的無(wú)云或少云遮擋的研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)。根據(jù)遙感影像提取河道邊界,建立與河道邊界貼合的正交曲線網(wǎng)格,插值過(guò)程在這個(gè)網(wǎng)格分布范圍內(nèi)進(jìn)行。這樣就相當(dāng)于考慮了河勢(shì)變化,避免插值結(jié)果不順應(yīng)河勢(shì)而產(chǎn)生連續(xù)的河道地形面。網(wǎng)格線垂直于河道的橫斷面和沿河道的縱斷面,每個(gè)橫斷面的點(diǎn)數(shù)保持一致,靠近實(shí)測(cè)斷面的橫斷面調(diào)整到與實(shí)測(cè)斷面位置盡量重合或平行,網(wǎng)格邊長(zhǎng)控制在30~100 m 范圍內(nèi)。
使用OCGI 插值方法先進(jìn)行橫斷面插值,補(bǔ)充橫向上網(wǎng)格點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù),其中一個(gè)橫斷面的插值結(jié)果如圖7(a)所示。41 條橫斷面的插值與實(shí)測(cè)值的均方根誤差在0.02~0.08 m 范圍內(nèi),相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.982。橫斷面插值完成后,再進(jìn)行縱斷面插值,其中一個(gè)縱斷面的插值結(jié)果如圖7(b)所示。10 個(gè)縱斷面的插值與實(shí)測(cè)值的均方根誤差均在0.06~0.12 m 范圍內(nèi),相關(guān)系數(shù)稍低于橫斷面插值的,為0.965。
橫向、縱向插值完成后,每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上都有一個(gè)高程值,再利用經(jīng)典插值方法進(jìn)行第二次插值,完成河道地形模型構(gòu)建。圖8(a)展示了黃河口尾閭河道整體網(wǎng)格分布和插值結(jié)果,可以看出黃河口尾閭河道從上游到下游高程逐漸降低的趨勢(shì),局部彎曲區(qū)域放大的插值結(jié)果也清晰地顯示出河道深槽淺灘的分布格局,見(jiàn)圖8(b)。由此可見(jiàn),該河段深槽和淺灘交錯(cuò)分布,OCGI 插值較好地刻畫(huà)了河道地形空間變化。
3 討論
河道地形插值的實(shí)質(zhì)是將離散的空間采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)化為連續(xù)曲面。地形插值的方法很多,主要分為確定性插值和地統(tǒng)計(jì)插值兩類(lèi)方法。IDW 是一種確定性插值方法,通過(guò)周?chē)鷾y(cè)量點(diǎn)的值內(nèi)插或者通過(guò)特定的數(shù)學(xué)公式來(lái)內(nèi)插,而較少考慮測(cè)量點(diǎn)的整體空間分布情況。KG 是一種地統(tǒng)計(jì)插值法,它建立在對(duì)測(cè)量點(diǎn)的空間自相關(guān)分析基礎(chǔ)上,依據(jù)自然現(xiàn)象的空間變異規(guī)律進(jìn)行插值。然而,當(dāng)河道實(shí)測(cè)橫斷面之間的距離超過(guò)一定值后,使用這兩種方法都無(wú)法獲得較高的插值精度。
本文提出的OCGI 插值方法,不僅借鑒確定性插值的做法,采用經(jīng)典概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理對(duì)橫向、縱向斷面分別進(jìn)行線性?xún)?nèi)插,而且考慮了測(cè)量點(diǎn)的空間相關(guān)性,即用正交網(wǎng)格曲線的河勢(shì)方向作為插值方向,依據(jù)河道地形隨河勢(shì)變化的空間自然變化規(guī)律進(jìn)行插值,符合河道地形的縱深變化,能夠利用有限的斷面數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確地重構(gòu)河道地形。使用理想河道來(lái)驗(yàn)證OCGI 插值方法的有效性,簡(jiǎn)化了河道地形,一方面說(shuō)明該方法在地形插值中的特點(diǎn),即使用了縱向插值,如果縱向上高程不變,插值的結(jié)果將不受橫斷面間距影響,另一方面也突顯該方法與IDW 和KG 方法相比的優(yōu)越性。
在實(shí)際插值過(guò)程中,OCGI 插值方法構(gòu)建的正交曲線橫斷面與實(shí)測(cè)橫斷面的位置偏差會(huì)給插值結(jié)果帶來(lái)系統(tǒng)誤差。在構(gòu)造正交曲線網(wǎng)格時(shí),橫斷面不能保證與每一條實(shí)測(cè)橫斷面重合,只能最大限度地垂直于主流線。實(shí)測(cè)橫斷面理應(yīng)垂直于主流線,但實(shí)測(cè)橫斷面位置實(shí)際上由現(xiàn)場(chǎng)地形測(cè)量人員早期人為而定,隨著河勢(shì)的變化,可能已經(jīng)不再垂直于主流線,這就使得實(shí)測(cè)橫斷面與正交曲線網(wǎng)格的橫斷面不完全重合(見(jiàn)圖9)。在實(shí)際插值過(guò)程中,橫向插值使用的部分已知數(shù)據(jù)可能不是插值點(diǎn)位置的數(shù)據(jù),如圖9 所示,藍(lán)色插值點(diǎn)數(shù)據(jù)的獲得,使用的是距離最近的已知測(cè)量點(diǎn)的實(shí)測(cè)值,而它們?cè)诳臻g位置上不完全重合。
4 結(jié)論
通過(guò)比較幾種河道地形空間插值方法在不同類(lèi)型采樣數(shù)據(jù)中的插值結(jié)果,得出以下主要結(jié)論。
1)在采樣點(diǎn)空間分辨率足夠高的情況下,使用經(jīng)典插值方法(如TIN、KG 和IDW)可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果,但當(dāng)橫截面采樣點(diǎn)稀疏時(shí),KG 和IDW 的插值精度較低。
2)提出了一種新的插值方法OCGI,基于正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng),先沿橫斷面插值,再沿縱向網(wǎng)格線進(jìn)行插值,彌補(bǔ)了縱向采樣點(diǎn)空間分布不足的缺陷,可以在稀疏橫斷面情況下獲得較準(zhǔn)確的河道地形數(shù)據(jù)。
3)OCGI 插值方法沿河道邊界設(shè)置正交曲線網(wǎng)格,將插值范圍控制在正交曲線網(wǎng)格分布的區(qū)域,考慮了河勢(shì)變化,避免了插值結(jié)果不順應(yīng)河勢(shì)而產(chǎn)生的連續(xù)地形面。當(dāng)使用橫斷面高程數(shù)據(jù)對(duì)彎曲河道大范圍插值時(shí),可以顯著改善河道地形插值結(jié)果。利用黃河口尾閭河道進(jìn)行OCGI 插值方法實(shí)例驗(yàn)證,得到了較好的效果。
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