基于Surfer的蘆潮港水閘附近河床變形分析

劉 權(quán)

(上海浦海測繪有限公司,上海 201399)

0 引 言

傳統(tǒng)的河床水下地形觀測主要是測量各觀測點(diǎn)的相對位置和相應(yīng)的水深,并通過水位等數(shù)據(jù)來推算各測點(diǎn)相應(yīng)的高程,從而繪制出河床斷面圖或水下地形圖,為進(jìn)行河床沖淤變化分析提供依據(jù)[1]。通過對不同時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,采用一定的算法模型均能得出不同時期同一區(qū)域的高程變化值,乃至對河床淤積量的宏觀變化趨勢進(jìn)行分析[2]。本文基于Surfer軟件,不同于傳統(tǒng)方式,以等值線渲染圖、典型剖面圖、沖淤分析圖三種分析手段相結(jié)合,詳細(xì)介紹了其在河床變形監(jiān)測中的應(yīng)用,并做出最后總結(jié)。

1 Surfer概述

Surfer軟件是美國Golden Software 公司編制的一款繪制三維地形圖的軟件。該軟件具有的強(qiáng)大插值功能和繪制圖件能力[3]。因?yàn)槠鋸?qiáng)大的插值功能,能迅速地將離散點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)通過插值轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面,已經(jīng)使它成為用來處理(x,y,z)數(shù)據(jù)的首選軟件[4]?；赟urfer軟件可以輕松制作基底圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、分類數(shù)據(jù)圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢圖、矢量圖以及三維表面圖等不同分析圖,同時提供了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、平滑、體積計算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、濾波等數(shù)據(jù)分析功能,因此Surfer廣泛應(yīng)用在如氣象、地質(zhì)、測繪、水文等領(lǐng)域。

Surfer繪制等值線的基本原理:利用空間上若干離散點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù),通過內(nèi)插法生成一系列光滑曲線即等值線,同一等值線上所代表的屬性值是處處相等的。[5]繪制等值線,需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化,即采用一定的網(wǎng)格化方法對不規(guī)則分布的原始離散點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值,生成指定規(guī)則間距的數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過不同期的數(shù)據(jù),亦可對兩期格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,如相減即為兩期數(shù)據(jù)高程點(diǎn)之差,可以以此制作沖淤分析圖、沉降曲線圖等,因此,利用Surfer軟件提供的強(qiáng)大功能,可應(yīng)用在工程測繪中的不同領(lǐng)域。本文以蘆潮港附近河床變形分析為例,介紹其應(yīng)用。

2 應(yīng)用實(shí)例

蘆潮港水閘位于上海市浦東新區(qū)南匯新城鎮(zhèn),該水閘2016年全面建成后,成為該地區(qū)重要的直排河道之一,主要承擔(dān)著浦東新區(qū)南片的防洪、排澇功能。水閘附近河床由于人工開啟閉閘門,相比自然沖刷更易受到形變影響,為水閘整體運(yùn)行安全考慮,往往需對水閘附近的河床長期進(jìn)行變形監(jiān)測,并根據(jù)觀測的數(shù)據(jù),分析河床的演變及形變趨勢。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

使用Surfer進(jìn)行河床變形觀測分析,需準(zhǔn)備外業(yè)觀測的測量成果數(shù)據(jù),Surfer可識別多種數(shù)據(jù)格式的離散點(diǎn)數(shù)據(jù),測量工程中以.dat及.xyz離散點(diǎn)格式較為常見,這里以.xyz格式為例,水深數(shù)據(jù)以單波束方式采集,測線間距5 m,外業(yè)采集數(shù)據(jù)間隔為1 m,經(jīng)內(nèi)業(yè)處理,可輸出為.xyz格式的原始成果數(shù)據(jù),通過該數(shù)據(jù)建立格網(wǎng),關(guān)鍵步驟為:主頁-網(wǎng)格數(shù)據(jù)-選取數(shù)據(jù)-確定網(wǎng)格化算法-網(wǎng)格間距-輸出格網(wǎng),如圖1所示。

圖1 建立網(wǎng)格數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)列xyz分別對應(yīng)數(shù)據(jù)的東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、高程,可以根據(jù)數(shù)據(jù)格式的不同進(jìn)行選擇,網(wǎng)格化算法即內(nèi)插算法,Surfer中提供了多種不同的算法,一般常用的有克里金值內(nèi)插法、反距離插值法、最小曲率法等,不同算法對應(yīng)數(shù)據(jù)的來源、用途不同,線性插值三角網(wǎng)法是使用最佳的Delaunay三角形,將連接數(shù)據(jù)點(diǎn)間的連線形成三角形[6],是測量工程中常用的內(nèi)插方法;網(wǎng)格線幾何特征類似南方cass中的方格網(wǎng)算法,即將外業(yè)采集的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)按設(shè)定的方格大小進(jìn)行數(shù)據(jù)插值,這里選擇2 m×2 m間距進(jìn)行格網(wǎng)化;數(shù)據(jù)包外網(wǎng)格自動白化,即只對測量數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進(jìn)行格網(wǎng)化,點(diǎn)擊確定,即可保存.grd格式的格網(wǎng)數(shù)據(jù),通過該格網(wǎng)文件進(jìn)行后續(xù)的河床變形分析。

2.2 河床變形分析

常規(guī)的河床變形分析,以提供河床水下地形圖及固定斷面圖為分析依據(jù),這樣的分析手段單一、缺乏直觀性,使用Surfer可以實(shí)現(xiàn)以下3種方式的河床變形分析:

(1)對河床水下地形自動生成等值線,并進(jìn)行等值線渲染,以不同的顏色分層展示河床的高程分布,可以定性解河床的地形狀況。

(2)建立剖面線即斷面線,自動繪制河床斷面圖,分析比較多期的觀測數(shù)據(jù),可以定量了解固定斷面的地形變化。

(3)通過兩期格網(wǎng)數(shù)據(jù)做差,獲得河床沖淤分析圖,可以全面、定量地了解河床的地形變化,對河床的變化趨勢進(jìn)行預(yù)測分析。

2.2.1 等值線渲染圖對比分析

本次觀測范圍位于水閘南側(cè),東西寬約60 m,南北長約300 m,使用Surfer將格網(wǎng)文件生成等值線圖,步驟為主頁-等值線-選擇格網(wǎng)文件。對等值線圖進(jìn)行渲染、設(shè)置顏色分層、添加基底文件等操作后,分別得到2020年11月及12月的河床等值線渲染圖(圖2-圖3)。從2020年11月等值線渲染圖中,可清楚直觀地看到水閘南側(cè)河床的地形特征。消力池高程-3 m ～-4 m之間,消力池南北兩側(cè)為護(hù)坦,高程-2 m ～-3 m,往南約90 m地形較平緩,高程范圍-1 m～-2 m,之后地形出現(xiàn)較明顯變化,由-2 m高程逐漸減小至-3 m以下,延續(xù)至閘室以南280 m處,并且出現(xiàn)3處高程低于-4 m的區(qū)域,由北至南,區(qū)域一,東西長約15 m,南北長約30 m,面積約280 m2,區(qū)域二呈南北狹長形,南北長約65 m,東西較寬處約13 m,面積約380 m2,區(qū)域三呈錐型,北側(cè)窄,南側(cè)寬,南北長約32 m,東西較寬處約16 m,面積約260 m2。河床兩側(cè)的灘地亦清晰可辨。

圖2 2020年11月河床等值線渲染圖

對比2020年11月河床等值線渲染圖(圖2),2020年12月圖中明顯的變化為3處高程低于-4 m的區(qū)域消失,河床其他區(qū)域變化并不明顯(圖3)。

2.2.2 典型剖面分析

通過等值線渲染圖,可以定性地了解河床的地形變化,卻無法做到定量分析,這是由于1 m的等值線間隔設(shè)置,對于河床的細(xì)微變化之處難以精確體現(xiàn)。Surfer中同樣提供了剖面圖的繪制,以反映河床中所需了解的重要剖面細(xì)微變化,繪制典型剖面圖的步驟為圖形工具-剖面圖,分別在3處明顯變化區(qū)域建立剖面線,截取兩期的觀測數(shù)據(jù)并對比,剖面線位置如圖2、圖3所示。

剖面一(圖4)兩側(cè)斜坡呈西側(cè)陡,東側(cè)緩的形態(tài),西側(cè)斜率約1∶1.25,東側(cè)斜率約1∶5,對比兩期數(shù)據(jù),西側(cè)斜坡沖刷,沖刷幅度不等,最大刷深約1.2 m,沖刷范圍寬約5 m,東側(cè)無明顯沖淤變化;剖面中部13 m～35 m,出現(xiàn)較明顯的淤積跡象,尤其在13 m～30 m范圍,高程由-4.1 m淤積至-3.6 m附近,淤積約0.5 m。

圖4 剖面圖一

剖面二(圖5)與剖面一(圖4)形態(tài)大致相同,西側(cè)陡,東側(cè)緩,東西兩側(cè)斜率與剖面一(圖4)近似,剖面中部17.5 m～40 m范圍淤積較為明顯,高程由-4.1 m淤積至-3.6 m附近,淤積約0.5 m。

剖面三(圖6)與剖面一(圖4)、剖面二(圖5)相比,中部22 m～35 m區(qū)域淤積更為明顯,高程由-4.7 m淤積至-3.6 m附近,最大淤積約1.1 m,東西兩側(cè)斜坡變化不明顯。

圖6 剖面圖三

2.2.3 沖淤分析

通過等值線渲染圖及典型剖面分析,可以定性判斷河床區(qū)域內(nèi)的深淺變化以及定量分析特定剖面的高程變化,要全面、定量了解河床內(nèi)區(qū)域整體變化,需制作沖淤分析圖。沖淤變化圖就是任意兩次測量的地形變化量圖。使用沖淤變化圖可以總體直觀地描述出兩次水下地形測量間地形沖淤變化的位置、范圍和沖淤變化量。[7]使用Surfer制作沖淤變化圖的關(guān)鍵步驟為:網(wǎng)格-數(shù)學(xué)-選擇兩期格網(wǎng)(A與B),以本期數(shù)據(jù)與上期做差即(A-B),獲得沖淤變化格網(wǎng)圖,經(jīng)過等值線渲染,即可得到兩期觀測的沖淤變化圖(圖7)。

通過沖淤變化圖,可以清楚明顯地看到兩期河床的沖淤變化,其中正值為淤積,負(fù)值為沖刷。河床北側(cè)(閘室以南)120 m基本無變化;河床中部至南側(cè)有明顯的淤積跡象,淤積范圍呈北側(cè)窄、中南側(cè)寬的尖頭形態(tài),南北長約180 m,東西較寬處約30 m,面積近4 000 m2,范圍內(nèi)大部淤積0.2 m～0.5 m之間,部分零散區(qū)域超過0.5 m,分布較分散,其中河床南端淤積范圍及幅度較大,面積達(dá)到350 m2,淤積0.5 m至1.2 m,最大淤積超過1 m;河床東西兩側(cè)灘地有小幅度的沖刷現(xiàn)象,沖刷0.2 m～0.5 m之間,由于河床西側(cè)的邊坡較陡,受潮流(漲跌)影響,在中南側(cè)出現(xiàn)一南北狹長分布的沖刷帶,南北長約130 m,東西寬5 m～10 m,沖刷帶部分區(qū)域刷深超過0.5 m,分布在南北兩側(cè),其中南側(cè)面積較大,約130 m2,最大刷深1.2 m,出現(xiàn)在北側(cè)(剖面一穿過區(qū)域),范圍較小。

基于此可判斷,本期水閘南側(cè)河床相比上期有較明顯的沖淤現(xiàn)象,表現(xiàn)為東西兩側(cè)灘地沖刷,沖刷幅度0.2 m～1 m之間,沖刷的泥沙向河床內(nèi)流動,同時由于地處出?？诟浇?受潮流影響,造成中南部不同程度淤積,淤積幅度0.2 m～1.2 m之間,河床南端淤積相對較大,在0.5 m～1.2 m范圍,河床北側(cè)相比上期無明顯變化,后期應(yīng)當(dāng)繼續(xù)關(guān)注中南部河床及兩側(cè)灘地的沖淤變化。

2.3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

基于Surfer,通過實(shí)例以等值線渲染對比分析、剖面分析、沖淤分析3種分析手段相結(jié)合,可以直觀、定量、全面地了解河床的地形狀況及沖淤變化情況,3種手段各有優(yōu)劣(表1),在實(shí)際工作中可根據(jù)不同需要進(jìn)行選擇。

表1 3種分析手段對比

使用Surfer進(jìn)行河床變形分析,應(yīng)注意以下4個方面:

(1)格網(wǎng)數(shù)據(jù)制作是后續(xù)河床變形分析的關(guān)鍵步驟,格網(wǎng)內(nèi)插是對外業(yè)采集離散數(shù)據(jù)的重排序生成,不同的插值方法對數(shù)據(jù)的算法不同,應(yīng)根據(jù)需要使用合理的插值方法,格網(wǎng)大小的選擇,則直接反映地形的不同表現(xiàn)程度,格網(wǎng)越小,地形表現(xiàn)越細(xì)致,但同時生成的等值線也越彎曲,在作者多次嘗試的經(jīng)驗(yàn)中,河床變形建議使用克里金值內(nèi)插法或者線性插值三角網(wǎng)內(nèi)插法,格網(wǎng)大小的選擇以不大于2倍外業(yè)采集的數(shù)據(jù)間隔為宜。

(2)使用Surfer進(jìn)行沖淤分析的兩期格網(wǎng)大小(網(wǎng)格線幾何特征)應(yīng)相同,否則無法進(jìn)行做差處理(沖淤分析),考慮到兩期采集的數(shù)據(jù)范圍有所不同,相比前期應(yīng)適當(dāng)對本期數(shù)據(jù)進(jìn)行多刪少補(bǔ),并進(jìn)行范圍白化處理。

(3)在邊坡較陡或深坑等地形突變較大的區(qū)域,外業(yè)數(shù)據(jù)采集時應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行加密測量,補(bǔ)測數(shù)據(jù),這樣在內(nèi)業(yè)處理(格網(wǎng)內(nèi)插)時能更好地反映真實(shí)的地形狀況。

(4)使用Surfer制作橫斷面圖,其優(yōu)勢為根據(jù)剖面的預(yù)設(shè)參數(shù)(如圖幅橫縱寬度、線型、顏色等)自動生成,然而其對橫縱比例的設(shè)置并不友好,無法自由設(shè)置,對于需要固定比例的出圖,目前則無法勝任。

3 結(jié) 語

基于Surfer通過等值線渲染圖、典型剖面圖、沖淤分析圖3種分析方式相結(jié)合,直觀、準(zhǔn)確、全面地展示了蘆潮港水閘南側(cè)兩期的河床變形情況,以此為基礎(chǔ),通過進(jìn)行長期的監(jiān)測,繪制河床動態(tài)變化圖,對分析預(yù)測河床的形變及演變規(guī)律,提供一定的參考價值,方便相關(guān)部門分析決策,同時對其他的類似水下地形監(jiān)測具有很好的借鑒意義。