基于ERDAS的淹沒區面積分析方法

陸 光 燦

(紹興市柯橋區測繪院，浙江 紹興 312030)

·測量·

基于ERDAS的淹沒區面積分析方法

陸 光 燦

(紹興市柯橋區測繪院，浙江 紹興 312030)

結合某大壩工程，對數字高程模型和流體動力學模型進行了分析，運用ERDAS軟件計算出淹沒區的面積，并將該面積與不考慮流體因素所計算出的淹沒區面積相比較，從而分析這兩種方法的優缺點。

ERDAS，數字高程模型，流體動力學模型，淹沒區面積

0 引言

測量淹沒區面積的方法有多種，傳統的方法是定出淹沒區的邊界，然后進行面積的計算。這種方法雖然精度較高，但耗時費力。隨著遙感技術和地理信息系統的發展，遙感和地理信息系統在水力部門得到了廣泛應用。因此，我們可以運用遙感技術來計算水庫淹沒區的面積。

目前運用遙感技術計算淹沒區面積時，先假定淹沒區為“靜態水平面”，然后把遙感圖像和數字高程模型迭加生成三維模型，運用相關的軟件進行計算，此方法是一個求取淹沒區面積的近似方法，雖然簡便，但精度不高。這樣會使得很多土地得不到利用或者使土地賠償的費用更高。因此我們要尋找一種更精確的方法。由于水面每點的高程并不都是完全相同的，它們受地形、流速等因素的影響，因此更精確淹沒區計算還需考慮淹沒過程的水動力模型和水面狀況變化問題。我們利用精確的計算方法算出淹沒區的面積，再與已有成果進行比較分析。

1 理論基礎

1.1 基于DEM的淹沒區面積計算[3，5]

數字高程模型(Digital Elevation Model)，簡稱DEM，用一組有序數值以陣列形式表示地面高程，現已在鐵路建設、公路選線、城市規劃、地學分析和地貌分析等領域大面積應用。DEM的表示方法現在比較多，常見的有不規則三角網模型、規則網格模型、數學分塊模型、等高線模型等，本文案例所用的DEM為規則網格模型。

基于DEM的規則格網模型來求得某水位條件下的淹沒區面積，應該考慮兩種情況，第一種情況較為簡單，地面高程低于所給水位線的格網像素，全部進行淹沒區面積統計；第二種情況較為復雜，認為水流只將流到的地方覆蓋。第一種情形相當于所考慮的區域大面積均勻降水，地勢較低的區域均會積水；第二種情況類似于山洪爆發，由高處向低處擴散。

從程序計算的角度來考慮，第一種情形相對容易處理；第二種狀況因為需要解決迂回互通的問題，其算法設計時也就要困難一些。目前比較適用于第二種狀況的處理方法稱之為“源點格網蔓延算法”。該方法是一種擴散和探測相結合的算法，建立在特征點空間屬性的基礎上。其中心思想在于確定一個“源點”，該“源點”具有一定的屬性，例如壓強、濕度、流速、高程等。讓這個“源點”在一個給定的平面區域上沿著各個方向進行擴散，在擴散過程中獲取滿足預先設定條件的集合。本文采用“源點格網蔓延算法”來計算淹沒區面積，賦予源點的屬性就是水面高程，所給的條件即是具有連通性的連續平面，最終確定的集合就是我們想解算的淹沒區區域。在該方法下，計算能夠滿足水面高程的條件，如果與所確定的“源點”無連通關聯性，也不能進入集合區域內。

1.2 流體動力模型[10]

考慮降雨、擴散等因素的流體動力模型可采用如下形式表示：

(1)

其中，t為時間，s；x為直角坐標系的橫坐標，m；y為直角坐標系縱坐標，m；U為變量;F(U)，G(U)均為通向的向量;S(U)為源項的向量，U，F，G，S的定義如下：

(2)

其中，u為x方向的流速分量，m/s；v為y方向的流速分量，m/s；g為重力加速度；r為流體的強度；f為出流或者滲流的強度；Sbx為x方向的坡面比降；Sby為y方向的坡面比降；Sfx和Sfy分別為x方向和y方向的阻力坡度。Sfx,Sfy由下面的公式計算得出：

(3)

式(2)中的f可由下面的公式得出：

(4)

其中,H為入滲的累積滲入度；Ms為飽和入滲率；Tc為土壤的吸水能力；φs為土壤初始含水量；φi為土壤飽和含水量。

2 基于規則網格的DEM計算淹沒區面積[1]

2.1 生成數字高程模型(DEM)

利用工程范圍內地形圖，在Arcview GIS3.2中應用“Creat TIN from Features”命令生成數字高程模型，在Theme中點擊Convert to Grid，就生成了GRID格式的DEM。

2.2 用Virtual GIS打開淹沒區GRID格式的DEM

ERDAS IMAGE虛擬地理信息系統(Virtual GIS)是一個展示模塊工具，具有三維可視化效果，可以向用戶提供數據庫實時漫游的功能。

點擊Virtual GIS，再點擊Virtual GIS Viewer，在彈出的對話框中點擊File→Raster Layer選擇已生成的淹沒區柵格數據文件，在File of type中選擇GRID，然后點擊OK。

2.3 水流淹沒區域計算

Virtual GIS窗口提供了疊加功能，通過疊加水流層，進行水流淹沒情況的展示與計算。該平臺有兩種模式能夠進行分析操作，分別是Fill Entire Scene和Create Fill Area。在第一種操作方式下，在操作可見范圍內增加水域平面，該水域的水面高可以調整，這樣就可以模擬水流的影響區域；在第二種操作方式下，需要選擇“源點”，Virtual GIS平臺能夠模擬處比“源點”低的區域作為“島”，并計算“島”的表面積和體積。

其操作流程為：首先在Create Water Layer對話框中建立水流層，自動疊加在Virtual GIS視景之上。由于水流層中還沒有屬性數據，所以現在Virtual GIS視景還沒有變化。不過，在Virtual GIS菜單條中一項Water菜單，其中包含了關于流水層的各種操作命令和參數設置，具體功能如表1所示。

表1 Virtual GIS Water菜單命令與功能

應用表1所列的水流層操作命令，可以對上一步驟所創建的水流層進行各種屬性編輯。本例按照Creat Fill Area模式進行。

在Virtual GIS菜單條，單擊Water→Create Fill Areas命令，通過Water Properties，選中水流層填充的范圍。在Fill Area Options對話框中設置產生島選擇項，在“調整流水層填充區域高度”中輸入水面高程(例如200，單位為m)，再單擊Apply按鈕，即可應用流水層設置參數，產生水流淹沒區域，并計算面積與體積。

對于上述過程中所產生的水流淹沒區域，可以通過水流填充屬性表進行編輯。在Virtual GIS菜單條，選擇Water中的Fill Attributes功能，點擊Area Fill Attributes，進入窗口，有菜單條和水流屬性列表(Attributes Cellarray)，該列表中，一個記錄即表示一個水流覆蓋范圍，每一個記錄包含流體頂層的面積、流體的體積、淹沒區域的面積、水流覆蓋范圍的填充方式、覆蓋區域的顏色等信息。其中，可以調整水流的體積、水流面積的計量單位、水流的填充方式與顏色等。

3 基于流體動力學計算淹沒區面積

1)空間建模工具介紹。前面所講的方法是水位高度都為200 m時如何計算淹沒區面積，然而淹沒區每一點的水位都不盡相同，因此我們要考慮流體動力學模型。生成帶有流體動力學的淹沒區模型，需要利用空間建模工具，該工具在ERDAS軟件已經提供，主要包含三部分：

a.空間建模語言。空間建模語言模塊搭建了GIS分析、圖像處理的基礎，用途非常廣泛，能夠為多種模塊編寫程序模型，并產生針對應用目的的最優算法。

b.模型創建工具。作為空間建模語言的核心圖形界面，模型創建工具可以通過可視面板組成空間圖形的模型，由此產生的模型能夠編輯、調試，并可以保存在庫中，或轉換成SML模型，在需要的時候可以采用SML進一步編輯。

c.空間模型庫。該庫包括mdl文件和gmd文件(即程序模型和圖形模型)兩個類型，mdl文件采用空間建模語言編寫，gmd文件是由模型創建工具創建，在ERDAS平臺中，圖像解譯模塊絕大部分圖像處理功能都與Model Library中圖形模型相對應。

2)利用空間建模工具導入流體動力學模型。

a.在ERDAS菜單條，選擇Main→Spatial Modeler命令，打開Spatial Modeler對話框。單擊Model Maker按鈕，打開該命令窗口。

b.選擇Raster并單擊，放置一個柵格圖形在該窗口中；然后選擇Function，將函數圖形放在窗口；然后再選擇Raster命令放置一個柵格圖形；選擇Select命令，在窗口選擇并移動對象圖形，按操作順序排列。在工具面板，單擊Connect，Lock圖標；在圖形窗口，繪制連接線，將柵格圖形與函數圖形相連。

c.定義輸入圖像：雙擊上方的柵格圖形，打開Raster對話框，確定輸入圖像為淹沒區圖像。單擊OK關閉對話框。

d.定義函數：雙擊中部的函數圖形，打開Function Definition窗口。在函數定義框中輸入所需要的函數。

e.定義輸出圖像：雙擊下方的柵格圖形，打開Raster對話框，確定輸出圖像為淹沒區圖像。單擊OK關閉對話框。

f.保存圖形模型：在模型創建工具(Model Maker)下，選擇File→Save As命令，用Save Model保存圖形模型。

g.運行圖形模型：在Model Maker菜單條，選擇Process→Run運行圖形模型。

3)流體動力學模型建立之后淹沒區的面積。打開生成的模型，參照本文第3章所列步驟計算面積。

4 結語

基于流體動力學模型建立的淹沒面積計算比直接計算淹沒區面積過程較復雜，但精度較高。由于我國人口眾多，人均土地面積偏低，因此非淹沒區面積應當得到很好的利用。如果不考慮其他因素而直接計算，勢必會造成土地的浪費，給國家造成損失。當然，淹沒區面積計算要考慮的因素還很多，如DEM高程精度、格網間隔大小、像素探測分辨率等。因此，要得到更加精確的結果不僅僅要選擇好的計算方法和計算工具，必須考慮更多因素的配合。

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The analysis of submerged area based on ERDAS

Lu Guangcan

(ShaoxingKeqiaoDistrictSurveyInstitute,Shaoxing312030,China)

Combining with a dam project, this paper analyses the DEM and hydrodynamics model, using ERDAS IMAGE calculate the submerged area proportion of a certain project, then compare it with the result of proportion of submerged area which not consider the hydro factor. After that, we will know which method is the better.

ERDAS, DEM, hydrodynamics model, submerged area

2015-02-02

陸光燦(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)11-0208-03

TU198

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