基于GIS的河道可視化及斷面提取方法研究

耿　敬，鄭天駒，李明偉，張清明

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.黑龍江省松花江航運建設(shè)管理中心，哈爾濱 150001)

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科技成果

基于GIS的河道可視化及斷面提取方法研究

耿敬1，鄭天駒1，李明偉1，張清明2

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.黑龍江省松花江航運建設(shè)管理中心，哈爾濱 150001)

摘要：地理信息系統(tǒng)(GIS)是地理學(xué)與計算機信息科學(xué)的有機結(jié)合，具有強大的可視化功能，在空間分析方面優(yōu)勢尤為顯著。文章在對以往研究學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，對利用GIS和CAD軟件進行河道三維可視化及斷面提取的技術(shù)流程進行了系統(tǒng)的分析，并深入研究了流程的關(guān)鍵技術(shù)，同時，對流程在操作過程中可能遇到的問題及解決辦法進行了討論。以松花江依蘭段河道地形測量數(shù)據(jù)為例，利用GIS和CAD軟件建立了河道三維可視化數(shù)字模型，并提取河道斷面信息，驗證了技術(shù)流程的可行性。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；河道可視化；斷面提取；DEM數(shù)據(jù)

0引言

河道斷面數(shù)據(jù)是研究河道演變、洪水淹沒及沖淤變化的基礎(chǔ)，是航道整治以及沿河流域規(guī)劃等工程設(shè)計必不可少的底層數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)方法利用CAD格式的數(shù)據(jù)進行河道斷面信息提取存在精度低、連續(xù)性差且工作量大的不足。地理信息系統(tǒng)(GIS)是在地理學(xué)、地圖學(xué)、測量學(xué)和計算機科學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展建立起來的一門學(xué)科，具有空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲、顯示、編輯、處理、分析、輸出和應(yīng)用等功能，自身具有一定結(jié)構(gòu)，是一個完整的系統(tǒng)[1]。GIS擁有強大的空間分析能力，能夠?qū)⒑拥赖膸缀涡螒B(tài)數(shù)據(jù)(包括CAD數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等)處理整合，建立三維可視化數(shù)字模型，由一系列地面點(x，y)位置及其相聯(lián)系的高程Z組成[2]，利用可視化數(shù)字河道模型可以直觀、便捷的提取河道指定位置的斷面數(shù)據(jù)信息，同時為跨河大橋選址、航電樞紐建設(shè)、河道的綜合治理、規(guī)劃和開發(fā)提供決策依據(jù)。

目前，地理信息化系統(tǒng)在河道可視化及斷面提取方面應(yīng)用的研究已取得一定成績。劉暢等人提出一種在ArcGIS平臺上將二維散點地形圖轉(zhuǎn)換成DEM(數(shù)字高程模型)并提取河道斷面地形數(shù)據(jù)的方法[3]。王偉等人利用GIS建立河道可視化模型，對河道槽蓄量、沖淤量、沖淤厚度進行計算，使河道演變分析由傳統(tǒng)手工或簡單的計算統(tǒng)計發(fā)展到計算機系統(tǒng)性處理與智能分析，實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍[4]。張獻志等人基于GIS組件的內(nèi)置工具和模塊，采用將二維斷面線進行TIN的三維表面內(nèi)插法實現(xiàn)河道任意斷面數(shù)據(jù)的半自動提取，并探討了轉(zhuǎn)換過程中存在的問題及相應(yīng)的解決措施[5]。王鐵軍等人分析了CAD到GIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)的問題，并總結(jié)了為克服這些問題而在數(shù)據(jù)生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換的各個步驟上應(yīng)采取的措施，提出CAD與GIS生產(chǎn)建設(shè)中目前存在的問題及解決的思路[6]。賀巧寧基于ArcGIS Engine通過二次開發(fā)實現(xiàn)了河道斷面生成與數(shù)據(jù)獲取，并對DEM、TIN與等高線提取的河道斷面高程數(shù)據(jù)的差異進行了討論，解決了傳統(tǒng)河床演變斷面分析必須立足固定斷面的局限[7]。楊婷利用AutoCAD.NET API二次開發(fā)，提出一套快速提取高程信息的技術(shù)及其實現(xiàn)流程[8]。

文章研究了基于GIS和CAD軟件對河道可視化模型建立與斷面提取的方法與技術(shù)流程，并以松花江依蘭河段為研究區(qū)，對該地區(qū)數(shù)字地形生成過程中參數(shù)的選取及可能出現(xiàn)的相關(guān)問題進行了討論，實現(xiàn)了河道的可視化以及任意斷面信息快速提取，為河道水動力數(shù)值模擬計算及工程可視化管理平臺建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1研究區(qū)概況

松花江流域位于我國東北地區(qū)，地理位置為E119°52′～132°31′、N41°42′～51°38′。松花江為黑龍江右岸的一大支流，流域東西長920 km，南北寬1070 km，流域面積56.59×104km2，占整個黑龍江流域面積的30%，占我國境內(nèi)黑龍江流域面積的63%。行政區(qū)劃屬黑龍江省、吉林省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧省，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)占27.4%，吉林省占24.1%，遼寧省占0.1%，其余均屬黑龍江省，占全流域面積的48.4%，主要為嫩江左岸及松花江干流部分[9]。

松花江干流哈爾濱以上為平原區(qū)，坡度較緩，河道比降為0.05‰，灘地較寬闊，有濕地和牛軛湖，河道主槽寬一般為400m～600m，平槽時平均水深4m～7m；哈爾濱至佳木斯段為高平原和丘陵山區(qū)，河谷狹窄；在牡丹江口上游為三姓淺灘，長約41 km，該處河寬2000m左右，島嶼眾多、水流分散、河床比降較陡，河床底質(zhì)為堅硬的板巖、砂巖和花崗巖，水深較其它河段為淺，一般只有1.2m～1.3m，枯水期僅有0.8m左右；佳木斯以下為低平原區(qū)，屬三江平原一部分，河道寬闊，主槽寬達1500m～2000m，平槽平均水深2m～3m，河道中有沙洲，河槽滯蓄能力較大[10]。

研究區(qū)域位于依蘭縣境內(nèi)，松花江干流牡丹江匯合口上游1000m處，下距依蘭縣城2.5 km，上距哈爾濱市330 km(航道距離)。上游約81.5 km處為通河水文站，通河水文站至依蘭壩址之間無大支流匯入，下游2.8 km處為依蘭水文站。地理位置見圖1。

圖1　松花江依蘭段遙感影像圖

2數(shù)據(jù)預(yù)處理與研究方法

2.1數(shù)據(jù)的預(yù)處理

河道的數(shù)據(jù)通常以紙質(zhì)地形圖或CAD地形圖保存。紙質(zhì)地形圖需要進行空間校正、矢量化處理，ArcGIS自帶的ArcScan可直接對紙質(zhì)地圖的掃描文件進行矢量化處理，但對地形圖本身的標(biāo)注規(guī)范及圖片質(zhì)量要求較高，很多地形圖無法處理或處理后出現(xiàn)大量錯誤，因此現(xiàn)在仍多采用人工矢量化。考慮到目前大多數(shù)河道實測信息多以CAD電子文件格式存儲，本文僅以松花江依蘭段河道CAD數(shù)據(jù)實現(xiàn)河道可視化過程為例，對紙質(zhì)地形圖的矢量化不再進行討論。該段河道10年內(nèi)未出現(xiàn)顯著變化，故使用該段河道2006年1:2000地形圖數(shù)據(jù)進行研究。

數(shù)據(jù)處理的目的是從原始數(shù)據(jù)中提取出可用于在ArcGIS中建立河道數(shù)字高程模型及可視化所需的數(shù)據(jù)信息。處理過程中，若一個河道的信息保存在多份圖紙中，需首先在CAD中對地圖形進行拼接處理，隨后刪除無關(guān)圖層、填充符號等冗余數(shù)據(jù)。完成后使用ArcGIS、南方CASS9.0提取等高線與高程點數(shù)據(jù)。保存數(shù)據(jù)時選用高斯克呂格投影坐標(biāo)系中的Beijing 54坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換后的高程點和等高線的屬性表中必須得包含高程信息字段且有具體值，否則需結(jié)合注記，對高程信息進行補充。下面對等高線與高程點的提取進行介紹。

2.1.1等高線的處理

經(jīng)過初步處理的CAD數(shù)據(jù)仍可能存在問題，對于容易混淆的各種線狀符號，如航標(biāo)符號、與等高線相交的線等應(yīng)將之刪除。等高線指的是地形圖上高程相等的相鄰各點所連成的線，應(yīng)該為閉合曲線[11]。在本研究中，等高線可能由于標(biāo)注信息、丁壩存在的原因而間斷。對于因標(biāo)注信息而間斷的等高線，參照臨近的等高線形狀將其重新連接；對于因研究區(qū)丁壩間斷的等高線，因為在1∶2 000比例尺的地形圖中丁壩的外形特征已經(jīng)可以較為明顯的表達，同時丁壩的位置與高程對航電樞紐工程有著重要的影響，故予以保留，將間斷的等高線與丁壩相連。完成以上處理后，參照地形圖對ArcMap中的等高線數(shù)據(jù)進行推算并賦予高程值。

當(dāng)遇到地形圖的部分等高線高程值無法確定時，可依據(jù)高程點數(shù)據(jù)進行參考。隨后將等高線屬性表中多余字段刪除，只保留高程字段，將長度過小與無意義的線條刪除。最后檢查每個線要素，將同一條等高線連接起來，確保每條等高線都是一條連續(xù)的一條閉合線。至此，獲得帶有高程信息的等高線數(shù)據(jù)。

2.1.2高程點的處理

為了獲得高精度的數(shù)字地形，在生成數(shù)字地形時添加高程點作為對等高線的補充。大多數(shù)CAD地形圖并未給高程點賦值，而是采用在點的旁邊設(shè)置文本標(biāo)注的方式，為了能夠在ArcGIS中建立三維地形，需進行賦值操作。將注記的內(nèi)容賦給高程點的方法有很多，本文選擇使用地形圖專業(yè)處理軟件南方CASS9.0生成的高程點數(shù)據(jù)，將高程值保存在Z字段中，而非通過ArcToolBox中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能得到高程點數(shù)據(jù)，主要原因是實踐發(fā)現(xiàn)在CASS下可以更好、更快、更準(zhǔn)確的實現(xiàn)將注記文字的高程信息賦給高程點。將賦值后的高程點數(shù)據(jù)添加到ArcMap中，對高程信息的準(zhǔn)確性進行檢查，并將生成的高程點數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.shp格式，從而獲得帶有高程信息的點數(shù)據(jù)。

2.2研究方法

文章以河道CAD地形圖為原始數(shù)據(jù)，提出的河道可視化及斷面提取方法主要研究了河道數(shù)字高程模型生成及斷面提取實現(xiàn)等關(guān)鍵問題，給出了包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、河道地形圖等高線與高程點的提取、TIN數(shù)據(jù)的生成、DEM數(shù)據(jù)的生成、河道可視化及斷面提取的方法與技術(shù)流程。技術(shù)路線見圖2。

3數(shù)字地形數(shù)據(jù)生成

3.1河道TIN數(shù)據(jù)生成

TIN是由不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)成的一種矢量數(shù)據(jù)，是三維空間中的分塊線性模型，在整個區(qū)域中是連續(xù)的，但不可導(dǎo)[12]。我們可以根據(jù)這些三角網(wǎng)來顯示三維立體地形。TIN相當(dāng)于是對采樣點的一個平面三角剖分，因而它是一個連通平面圖。TIN模型的優(yōu)點是能以不同層次的分辨率來描述地形表面，可有效避免平坦處的數(shù)據(jù)冗余。利用提取獲得的等高線數(shù)據(jù)和高程點數(shù)據(jù)，生成河道TIN數(shù)據(jù)，等高線的高程使用高程字段值，高程點的高程使用Z字段值。有時候可能由于等高線或高程點賦值錯誤導(dǎo)致生成的TIN面異常，這時候可以在ArcScene中加載生成TIN面，調(diào)整夸張系數(shù)為20或更大，以方便觀察，加載等高線數(shù)據(jù)，并在Base Height中選擇use a constant value or expression，將高程顯示設(shè)置為elevation，使兩者擬合，通過疊加觀察找出影響精度的等高線或高程點并刪除。獲得的TIN數(shù)據(jù)見圖3。

圖2技術(shù)路線圖

圖3河道TIN地形數(shù)據(jù)

3.2河道DEM數(shù)據(jù)生成

TIN數(shù)據(jù)能夠較好地表示復(fù)雜地形，以該格式存儲的三維地形信息具有較好的顯示效果。但由于其存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于規(guī)范化管理，難以與矢量和柵格數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析，在后續(xù)的應(yīng)用中存在諸多不便，需將TIN經(jīng)3D Analyst模塊，轉(zhuǎn)換生成河道DEM柵格數(shù)據(jù)，CELLSIZE是柵格像元的大小采樣距離，直接影響轉(zhuǎn)換得到DEM的分辨率及文件大小[13]，經(jīng)過試驗，在本研究中大小設(shè)置為5，既滿足了地形數(shù)據(jù)的精度要求，又保證了加載速度。隨后對獲得的河道DEM柵格數(shù)據(jù)進行垂直高程夸張、高程重新配色、渲染與光照調(diào)整等操作，完成可視化河道生成。

4河道斷面信息提取

4.1斷面信息提取

4.1.1提取指定位置斷面

3D Analyst工具可提取河道指定位置的斷面信息。斷面可沿在橫穿河道的任意線要素生成，在ArcMap中，使用3D Analyst模塊功能創(chuàng)建目標(biāo)位置斷面圖的表面并進行線插值，在河道數(shù)據(jù)表面點擊創(chuàng)建斷面多段線，完成后創(chuàng)建斷面。在屬性欄中，可更改斷面圖的布局。

4.1.2特征點生成斷面

按照特定位置高程點生成斷面圖需要提取沿線特征點或沿某一走向特定位置點的高程。當(dāng)提取的特征點為線要素的折點時，直接調(diào)用Features-Feature Vertices to Points命令；當(dāng)提取的特征點需滿足某種特定距離要求時，如：沿水流動力軸線，每隔5 m提取1個特征點，可先創(chuàng)建一個點圖層，在開啟編輯的狀態(tài)下，選中生成點的參考線，然后選擇Construct Points設(shè)置相關(guān)參數(shù)，即可沿線提取滿足某種特定條件的點要素。將提取的特征點和DEM數(shù)據(jù)加載到ArcMap中，從DEM中提取高程值賦予特征點，提取出的高程存儲在Raster Value字段中。生成河道斷面圖使用ArcGIS創(chuàng)建圖表功能中的創(chuàng)建斷面線功能，使DEM斷面線的橫軸為距離第1個點之間的距離，縱軸為高程值。

以上2種斷面提取方式可基本滿足河道分析工作的所有斷面數(shù)據(jù)提取需要。將河道DEM數(shù)據(jù)與遙感影像進行地理配準(zhǔn)后，即可根據(jù)需求提取任意坐標(biāo)處的河道斷面信息，斷面數(shù)據(jù)不再受到實測固定斷面資料的局限。在后續(xù)研究中亦可將多年的數(shù)據(jù)全部進行數(shù)字化處理，獲得多組不同時間的河道斷面數(shù)據(jù)。

4.2河道斷面拓撲關(guān)系圖

拓撲是描述地理空間關(guān)系的模型，一種維護地理空間實體間空間幾何關(guān)系的機制。河道斷面拓撲關(guān)系主要用來描述河道斷面的上下游關(guān)系，擬在通過河道斷面對象的空間位置，結(jié)合河道中心線或深槽線，將河道斷面對象之間的上下游關(guān)系建立起來(圖4)。并利用獲得的斷面及其拓補關(guān)系，建立河道數(shù)值模型。

5結(jié)論

河道斷面信息用途廣泛，傳統(tǒng)的獲取方法多存在耗時長、不準(zhǔn)確、存在重復(fù)性工作等不足。本文深入研究了基于GIS的實現(xiàn)河道可視化及斷面地形數(shù)據(jù)提取的方法，通過數(shù)據(jù)處理手段，提取CAD地形圖中的等高線與高程點并賦值，將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS中的三維數(shù)據(jù)，并聯(lián)合兩者生成河道可視化數(shù)字高程模型，信息更為可靠。以松花江依蘭段河道的CAD地形圖原始數(shù)據(jù)為例，使用該方法完成了地形信息數(shù)字化與河道三維地形數(shù)據(jù)生成，利用生成的地形提取了河道斷面數(shù)據(jù)，將獲得的河道斷面數(shù)據(jù)以上下游為序建立聯(lián)系，為壩址料場位置的選擇及工程可視化管理平臺建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該方法通過可視化手段直觀地表達河道地形信息并對所需信息進行提取，可作為洪水演進模擬、河道演變預(yù)測分析、航道整治沖淤分析等提供技術(shù)支撐。

圖4　河道斷面拓撲關(guān)系圖

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Research of River Course Visualization and Section Extraction Method based on GIS

GENG Jing1;ZHENG Tian-ju1;LI Ming-wei1and ZHANG Qing-ming2

(1.Ship Engineering Institute Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Heilongjiang Provincial Songhua River Shipping Construction Management Center，Harbin 150001，China)

Abstract：Geographic information system is the organic combination of geography and computer information science，having a powerful visual function，particularly advantageous in spatial analysis.Based on the learning to previous studies，GIS and CAD software were used to analyze systematically the technical process and section extraction of three-dimensional visualization of river course，and the key technique of process was researched deeply，meanwhile，the problems that may be met possibly during the process of operation and solved method were discussed in the paper.Taking the topographic survey data of river course at Yilan river section along the Songhua River as the example，GIS and CAD software were used to set up the three-dimensional visualization digital model and extract the section information of river course，verifying the feasibility of technical process.

Key words：geographic information system；visualization of river course；section extraction；DEM data

中圖分類號：TV147

文獻標(biāo)識碼：A

[作者簡介]耿敬(1968-)，女，江蘇宜興人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為河海及水利工程設(shè)計理論與建造技術(shù)、智能航道技術(shù)；鄭天駒(1990-)，男，河南鄭州人，碩士研究生；李明偉(1984-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，博士后，研究方向為河海與水利工程；張清明(1965-)，男，黑龍江哈爾濱人，研究員級高工，主要從事航電樞紐建設(shè)管理工作。

[基金項目]國家自然科學(xué)基金(51509056);交通運輸部信息化技術(shù)研究項目(2014364554050);中國博士后基金面上資助項目(2015M571394);黑龍江省博士后資助經(jīng)費(LBH-Z14059);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專向資金資助(HEUCF150108)。

[收稿日期]2016-01-16

文章編號：1007-7596(2016)03-0001-05