峽谷河道地形數(shù)據(jù)的不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建優(yōu)化

任 勇，孫振勇，周 威，鄒 敏

（1.長江水利委員會(huì)水文局，湖北 武漢 430010；2. 長江水利委員會(huì)長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014）

峽谷河道地形數(shù)據(jù)的不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建優(yōu)化

任 勇1，孫振勇2，周 威2，鄒 敏2

（1.長江水利委員會(huì)水文局，湖北 武漢 430010；2. 長江水利委員會(huì)長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014）

針對(duì)金沙江河道狹窄多彎，突變點(diǎn)多，條帶式分布的地形特點(diǎn)，對(duì)不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）進(jìn)行了人工干預(yù)和優(yōu)化，從而快速、合理、 準(zhǔn)確地生成等高線。結(jié)果表明，合理地確定邊界值、適當(dāng)?shù)貎?yōu)化TIN能快速高效地實(shí)現(xiàn)典型峽谷河底地形DEM 建模和等高線自動(dòng)生成。

峽谷河道；TIN；特性線；等高線

金沙江地形陡峻，河床切割甚深，多呈V型或U型，兩岸多為懸崖峭壁；河道彎曲多變，河底地形復(fù)雜，存在一些具有特殊結(jié)構(gòu)的特征點(diǎn)、線，如突兀水深、凹崖等[1]。在利用繪圖軟件基于離散數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的過程中[2]，如果不能將這些特征點(diǎn)、線的信息有效地利用起來，就會(huì)在一定程度上影響 DEM的內(nèi)插精度，從而導(dǎo)致DEM 顯示效果的失真。基于TIN生成的等高線也與實(shí)際地形嚴(yán)重不符。

針對(duì)金沙江河底地形數(shù)據(jù)特點(diǎn)，本文提出了一種構(gòu)建TIN的優(yōu)化方法。該方法充分考慮了金沙江彎曲帶狀地形的地貌特征，保證了內(nèi)插后所得格網(wǎng)數(shù)據(jù)的精度。本文采用的水深資料為已經(jīng)過吃水改正、水位改正、聲速改正及深度基準(zhǔn)統(tǒng)一等前期處理，并驗(yàn)證過的成果資料，故認(rèn)為其水深數(shù)據(jù)均為真值。

1 金沙江河底地形數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

常規(guī)的內(nèi)陸水下地形測量采用斷面法或散點(diǎn)法，斷面法測量時(shí)需保持?jǐn)嗝媾c水流方向垂直[3]。金沙江河道地形數(shù)據(jù)通常采用斷面法施測，特殊困難區(qū)域采用散點(diǎn)法加以補(bǔ)充。河底地形是按水深點(diǎn)同時(shí)輔以水下等高線進(jìn)行表示的，相對(duì)于陸上地形數(shù)據(jù)而言，河底地形數(shù)據(jù)略顯單一。金沙江河底地形的特點(diǎn)是地形不可見，突變點(diǎn)多；地物單一，通常只有水下測點(diǎn)和等高線；分布不均勻，垂直河流方向上（測點(diǎn)間距）點(diǎn)距較密，順直河流方向上（斷面間距）點(diǎn)距較稀，見表1。在一些復(fù)雜地形區(qū)域，斷面間距和測點(diǎn)間距應(yīng)適當(dāng)加密以便反映水下地形特征。

表1 金沙江河道水下地形點(diǎn)間距表/ m

2 構(gòu)建TIN的原理

根據(jù)不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制等高線可采用網(wǎng)格法或TIN法。TIN減少了規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)冗余，具有精度高和顧及地性線（如斷裂線、構(gòu)造線）等特點(diǎn)，且三角網(wǎng)形態(tài)良好，具有可變的分辨率，能較好地表現(xiàn)不規(guī)則地貌的形態(tài)特征[4]。

針對(duì)河底地形數(shù)據(jù)特性，采用動(dòng)態(tài)距離加權(quán)法構(gòu)建TIN。利用包含插值點(diǎn)三角形的3個(gè)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)確定一個(gè)平面，從而求出內(nèi)插點(diǎn)的高程值；再將每一個(gè)DEM格網(wǎng)點(diǎn)的高程與其周圍的3個(gè)點(diǎn)高程進(jìn)行距離加權(quán)平均，認(rèn)為離中心點(diǎn)越近的參考點(diǎn)對(duì)中心點(diǎn)的高程影響越大。設(shè)所求的函數(shù)形式為：

式中，f^為所求格網(wǎng)點(diǎn)的高程值；G=[gl1，gl2，…，gln]T；g為所選離散點(diǎn)的高程值；AT=[W1/∑Wk，W2/∑Wk， …，Wm/ ∑Wk]；Wk=1.0/d2k；W為距離d函數(shù)的權(quán)函數(shù)[5-6]。

3 優(yōu)化構(gòu)建TIN

3.1 TIN邊界值的確定

邊界值為上限值，指由水深數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)時(shí)所允許的最大三角形邊長，通過設(shè)置最大邊長，可有效控制狹長三角形的生成。邊界值的確定往往取決于水下測點(diǎn)的密度與精度，以及建立DEM所用的比例尺要求[7]。邊界值設(shè)置過小，構(gòu)建的TIN不夠連續(xù)，呈鋸齒斷裂態(tài)；邊界值設(shè)置過大，則彎曲水邊線（TIN網(wǎng)邊界）附近的三角網(wǎng)過于冗余。依據(jù)筆者多年經(jīng)驗(yàn)，邊界值一般設(shè)為斷面間距的1.5～1.8倍為宜。圖1中分別為某河底地形邊界值過低、邊界值適中、邊界值過高時(shí)構(gòu)建的TIN效果。

圖1 某水域邊界值過低、適中或過高時(shí)構(gòu)建TIN效果圖

3.2 TIN邊界的優(yōu)化

水深數(shù)據(jù)以組為單位或以日期為區(qū)域分塊，該區(qū)域的上下游邊界構(gòu)建TIN時(shí)沒有約束條件，僅按照邊界值規(guī)則構(gòu)建，相鄰點(diǎn)間的TIN往往是不合理的，生成的等高線也與實(shí)際地形情況不吻合。此外，由于河道為彎曲不規(guī)則的條帶狀區(qū)域，水邊線和附近的水深數(shù)據(jù)構(gòu)建的TIN在彎曲處會(huì)越過水邊線至陸上，造成DEM邊緣錯(cuò)誤，水下等高線自動(dòng)生成至陸上區(qū)域。因此，需要在生產(chǎn)三角網(wǎng)時(shí)加以編輯，依據(jù)河道地形實(shí)際規(guī)則，采用手工增加特征點(diǎn)、三角形修改、三角網(wǎng)重組等辦法，對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行邊界優(yōu)化。圖2、圖3為某水域優(yōu)化前后構(gòu)建TIN及生產(chǎn)的等高線結(jié)果對(duì)比。

圖2 邊界優(yōu)化前構(gòu)建TIN及生成的等高線效果

圖3 邊界優(yōu)化后構(gòu)建TIN及生成的等高線效果

由圖2可知，在未進(jìn)行邊緣優(yōu)化的情況下，由于邊界閾值大于點(diǎn)距值且缺乏約束條件，最下游斷面線上的水深點(diǎn)自動(dòng)尋找相鄰點(diǎn)、水邊線點(diǎn)生成若干個(gè)三角網(wǎng)，使得自動(dòng)生成的等高線由水邊線至河中心深槽呈90°彎曲狀，明顯與實(shí)際地形不符。同理，在彎曲水邊處，由于最短距離小于邊界閾值，不相鄰水邊線點(diǎn)跳躍構(gòu)成三角網(wǎng)，生成的水下等高線與水邊線相交并跨至陸上，產(chǎn)生明顯的地形錯(cuò)誤。通過人工干預(yù)優(yōu)化后的三角網(wǎng)能很好地解決以上問題，圖3為優(yōu)化后構(gòu)建TIN及生成的等高線圖，經(jīng)驗(yàn)證與實(shí)際地形吻合度良好。

3.3 特性線規(guī)則優(yōu)化構(gòu)建TIN

特性線又名地性線，是指對(duì)地形地貌在地表的空間分布特征具有控制作用的線狀或面狀要素。特性線是構(gòu)成地表地形與起伏變化的基本骨架[8]。陸上特性線通常為山脊線、山谷線、陡坎或人工地物；河底地形特性線主要包括水邊線、凸頂與凹陷點(diǎn)、被水淹沒的坎線等。特性線的設(shè)置對(duì)于地形的正確表達(dá)與等高線的生成至關(guān)重要。在河間突兀的礁石或不規(guī)則水域等地形復(fù)雜處，需要以特性線來控制TIN的生成。例如，在小島或江心洲處，選擇水邊線為特性線，并勾選特性線的閉合區(qū)不構(gòu)網(wǎng)，則該處陸上范圍內(nèi)均不構(gòu)網(wǎng)。清華山維EPS2012數(shù)字地模模塊很好地解決了用特性線來優(yōu)化構(gòu)建TIN的問題。圖4、5為同一區(qū)域進(jìn)行特性線優(yōu)化前后構(gòu)建TIN及生成的等高線效果圖。

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10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.033

2016-05-04。