（地图学与地理信息系统专业论文）河道地形冲淤时空分析方法研究.pdf

摘要 摘要 论文旨在建立基于河道地形的河道冲淤时空分析方法体系，寻找河道冲淤的 时空规律和特点，为河道整治和开发利用提供决策支持。 以河道地形数据为基础，利用g i s 空间分析和数据挖掘的方法，论文研究 如何构建基于河道地形的河道地形冲淤分析方法体系。该方法体系从点、线、面 三个角度，利用等高线、横断面、深泓线、江心洲等方法全方位地对河道冲淤进 行分析。论文探讨利用数理统计的方法对河道进行冲淤特征区域划分，获得冲淤 稳定区及活跃区，同时尝试用曲线拟合的方法对河道进行定量的冲淤预测。最后， 论文以长江镇扬河段为例，验证提出的冲淤分析方法体系的有效性。 研究表明，初步构建的基于河道地形的河道冲淤时空分析方法体系可从点、 线、面三个角度全面地、有效地、深层次地分析河道冲淤的时空变化，是对传统 河道分析方法的拓展与完善。其中，河道地形及冲淤统计方法可有效地提取河道 特征地貌如深槽、浅滩，可划分河道冲淤特征区域一稳定冲刷区、稳定淤积区 和活跃区。河道地形d e m 历史过程拟合方法可定量预测河道近期的冲淤变化情 况，该方法具有可行性，若能结合河流学模型分析，则更具有实用性。 关键词：河道冲淤时空分析g i s 空间分析数据挖掘时空数据模型 a b s t r a c t 1 1 1 et 1 1 e s i si st ob u i l dam e 舢d o l o g ) ，o fm e rc h a i l n e l e r o s i o n - d e p o s i t i o n s p a t i o t e m p o r a la i l a l y s i sb a s e do ng e o m o 印h o l o g y u s i i l gt l l i sm e t l l o d o l o g y ，t h el a w s o fm ef l u v i a lp r o c e s sc 锄b ed i s c o v e r e dt 0s u p p o r tt l l ed e c i s i o n - m a k i n gi nr i v e r c h 煳e lm a n a g e m e n t 引l dd e v e l o p m e m b a s e do nr i v e rc h 锄n e l t e 玎a i nd a t a ，t l l em e s i ss t u d i e dh o wt ob u i l dam e t h o d 0 1 0 9 yo f r i v e rc h 籼e le r o s i o n - d e p o s i t i o ns p a t i o - t e m p o r a la i l 2 l l y s i su s i n gt h em e t l l o d so fg i s s p a t i a la n a l y s i sa l l dd a t am i l l i n g t l l i sm e t h o d o l o g yc a i la 1 1 a l y z et h er i v e rc h 猢e l e r o s i o n d e p o s i t i o n 如l l yo nt h r e ea s p e c t si n c l u d e dp o i n t ，l i n ea n dp 0 1 y g o n t h e m e t l l o d ss u c ha sc o n t o l l ra l l a l y s i s ，t 1 1 a l 、耽ga 1 1 a l y s i sa i l dc h a l l l l e li s l a i l da i l a l y s i sa r e u s e dt os t l l d yt h er i v e rc h a n n e le r o s i o n d e p o s i t i o n m e a l l w h i l e ，d a t am i n i n gi su s e dt o d i v i d en l er i v e rc h a l l i l e li m om r e ed i f r e r e n ta r e a s 、耵h i c hc a nr e n e c tt l l e e r o s i o n d 印o s i t i o ns t a ：t u s ；a n dp o l y n o m i a lc u r v ef i t t i n gi su s e dt op r e d i c tt h er i v e r c h a i l e n l e r o s i o n - d 印o s i t i o nq u 觚t i f i c a t i o n a l l y f i n a l l y ， t a l 【e z h e n y a i l gr e a c hi n y a i l 醛z er i v e rf 0 re x a m p l e ，t l l ef e 2 l s i b i l i 哆o ft l l em e t l l o d o l o g yi sp r o v e d nc 锄b ec o n c l u d e df r o mt l l er e s u l t st h a tt h em e t h o d o l o g yo fr i v e rc h a i l l l e l e r o s i o n - d e p o s i t i o ns p a t i o t e n l p o r a la n a l y s i sb a s e do ng e o m o 叩h o l o g ) rc a i la 1 1 a l y z et l l e c h a n g e so fe r o s i o n d 印o s i t i o nm o r em l l y ，e 虢c t i v e l ya n dd e 印l y s t a t i s t i c si s a p r o m i s i i l gm e t h o dt 0p a r t i t i o nt h er i v e rc h 锄e lp h y s i o g n o m ys u c ha sd e e pp o o la l l d s h o a la n dd i v i d et h er i v e rc h a n n e li n t od i 妇e r e ma r e a sw h i c hc a nr e n e c tt h e e r o s i o n d e p o s i t i o ns t a ：t u s p o l y l l o m i a lc u r v ef i t t i n gi sa 1 1e f j e e c t i v e 、7 v a yt op r e d i c tt h e r i v e rc h a n e l l le r o s i o n - d e p o s i t i o nq u a n t i j e i c a t i o n a l l y 狮dt h i sm e t l l o di sp r o v e dt ob e r e l i a b l e k e yw o r d s ：砌v e r b e de r o s i o n d e p o s i t i o ns p a t i o - t e n l p o r a la n a l y s i s ，g i ss p 撕a l a n a l y s i s ，d a t am i l l i n g ，s p a t i o t e m p o r a ld a t am o d e l i n g l i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 奎瞌丛 c 2 彻g 年多月彤日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：奎盛丛c 加g 年多月r 日 第一章绪论 1 1 项目背景 第一章绪论 论文的选题来源于“江苏省长江河道监测管理系统”项目。该项目是由江 苏省水利厅发起，为缓解长江江苏段河段水势复杂、河床演变急剧、河道整治 任务重，发生洪水频繁、持续时间长、防汛任务面广量大、点多线长的现状而 由河海大学研制开发的省重点项目。目的是建立一个信息化平台，监测、分析 各种长江河道信息，为决策者提供决策支持。 江苏长江河道监测管理系统长江防洪、长江河道整治管理子系统使用范围 覆盖了江苏省水利厅和沿江8 市水利局，是以长江河道管理决策为目标，而形 成的长江防洪安全和长江河道整治管理信息管理子系统。在江苏水利信息化和 防汛指挥系统框架内，长江防洪安全和长江河道整治信息管理子系统既相对独 立，又相互支持。它们均由数据采集、数据整编、信息管理、模拟评价、运行 管理五个层次组成。 1 2 研究目的与意义 论文的研究目的是充分挖掘现有河道测点数据的潜在信息，寻找河道冲淤 的时空规律与特点，建立基于河道地形的河道冲淤时空分析方法体系。该方法 体系不仅为河道冲淤变化研究提供了新的分析方法，分析更全面更深入，是传 统分析方法的补充，而且实时总结河道冲淤和演变规律，为河道整治和开发利 用提供决策支持，具有重要的实践意义。 河流两岸自古以来即为人类繁衍生息之所，河流对人类活动的影响十分深 远。河流有水利的一面，也有水害的一面【l 】，如何变水害为水利，是人类和大 自然作斗争的主要内容之一。 水流与河床、河岸以及修建在河床上的建筑物相互作用，引起河床演变【2 j 。 河道的不稳定性是河流的重要特点，由于河流中水流和河床的相互作用，引起 河道的冲刷或淤积，使河流外形不断发生变化。显然，这种冲淤变化过程不会 总是有利于人类的生产活动，而恰恰相反，在许多情况下可能产生巨大的破坏 河海大学硕士学位论文 作用。因此河床演变分析是江河沿岸经济建设、水资源开发利用、防洪减灾等 业务的基础，是江河整治和水利工程规划建设的依据。即时反应河道泥沙淤积 变化历程，准确判定河道变化，实时总结河道冲淤和演变规律，根据处于不同 自然环境下河流的不同演变规律和河道特征以及经济社会可持续发展的需要， 因势利导地制定、采用不同的防洪对策，达到最大的防洪效益，才能获得良好 的社会效益、经济效益、生态效益，合理利用资源【3 圳。 目前，根据实测资料分析河道冲淤的途径主要有两大类1 5 j ：一类是根据河 道水下实测地形切割断面，按几何法( 简称地形断面法) 直接计算河道泥沙的 冲淤量；另一类方法是河道输沙平衡分析法( 简称输沙量法) ，是根据河段进出 口水文测站的实际输沙量估算河道泥沙的冲淤量。此两种方法的分析结果都受 到水文测站实际监测数据频次的制约，都不能直观的反映河道冲淤的具体部位， 通过断面分析和实地调查也只能粗略的分析河道冲淤分布。 目前新兴的基于g i s 的河道冲淤分析方法也是从实测数据出发，但具有传 统方法无法比拟的优势：( 1 ) 所有计算过程均由计算机自动完成，大大提高了 工作效率，减少了人为因素造成的系统误差，计算精度显著提高；( 2 ) 结果可 视化表达，直观反映了河道冲淤的具体部位，对计算任意区域的地表形态变化 有着较好的灵活性【们。 但是，目前基于g i s 的方法研究只获得一些浅层的冲淤现象，河道数据中所 蕴涵的知识远远没有得到充分的挖掘和利用，没有有效地对数据变化的历史进行 分析，没有重建历史状态，没有进行跟踪变化，更没有预测未来的趋势。因此， 从现有数据中寻找不明确的、隐含的知识、空间关系或模式，可为决策者提供有 价值的知识，带来不可估量的效益。 1 3 国内外研究进展 人们对河道演变过程的认识，通常是从野外实际查勘及观测开始的。再对 收集到的实际资料所进行的由表及里、由此及彼的综合分析，使人们逐步形成 了对某具体河段到整个河流以至不同河流的河道演变的规律性认识。这种规律 性认识随着观测手段日益现代化、观测精度日益提高、观测项目日益齐全而不 断深化，有定性讨论，也有定量研究，根据技术手段的不同，研究也分成了两 2 第一章绪论 个重要途径：基于水沙数学模型和基于g i s 的分析方法。 众多国内外学者尝试通过对水沙关系模型的研究来认识河流沉积物的侵 蚀、堆积和搬运过程( b e l p e r i o ，l9 7 9 ；f e r g i l s o n ，19 8 6 ，19 8 7 ；j a i l s s o n ，19 9 6 ；c o r d p v a a 1 1 dg o i 珊1 e z ，19 9 7 ；m 0 0 9a n dw l l i t i n g ，l9 9 8 ；w h i t i n ge tm ，19 9 9 ；a s s e l m a l l ，l9 9 9 ， 2 0 0 0 ；s y v i t s k ie ta 1 ，2 0 0 0 ；h o r o 、析t z ，2 0 0 3 ；m o r e h e a de ta l ，2 0 0 3 ；s i m o ne ta l ，2 0 0 4 ； x ue ta 1 ，2 0 0 5 ) ，但直接测量悬沙浓度和泥沙通量，尤其是各大河流洪水期的悬 沙浓度资料，存在时间和技术上的困难。流量悬沙浓度之间存在的乘幂关系似 乎可以弥补这一实际操作上的缺陷，于是利用水沙关系模型计算河流的泥沙通 量，通过比较河流泥沙通量随时空变化来推测和计算河流的侵蚀、淤积状况成 为实现以上两个方面研究的主要的手段之一( v a n s i n c k l ea i l db e s c h _ t a ，1 9 8 3 ；f e 姗 e ta 1 ，1 9 8 5 ；f e 霉g u s o n ，1 9 8 6 ；m i l l i m a l la n ds y v i t s k i ，1 9 9 2 ；m i l l e ra i l dg u p t a ，1 9 9 9 ； c h e ne ta 1 ，2 0 0 1 a ；赵怡文、陈中原，2 0 0 3 ；x ue ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 利用水沙关系模型研究长江中下游沉积物分布特征( 李香萍等，2 0 0 1 ；赵怡 文、陈中原，2 0 0 3 ) 以及长江中下游河道冲淤变化( 丘凤莲、吴伟明，1 9 9 6 ；汤 立群，1 9 9 7 ；石国饪等，2 0 0 2 ；陈守荣等，1 9 9 9 ；施修端等，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ；冯 春，2 0 0 1 ；潘庆焱，2 0 0 1 ；李义天等，2 0 0 4 ；殷鸿福等，2 0 0 4 ；李茂田，2 0 0 5 ) 是其应用的另一个重要方面。研究认为，长江流域来沙主要以悬移质形式下泄， 悬沙通量由中游向下游沿程递减( 李香萍等，2 0 0 1 ；李茂田，2 0 0 5 ) 。同时各测站 悬移质输沙量也逐年呈阶梯性递减趋势。长江中下游水沙通量有明显的季节性 变化，洪季通量值明显高于枯季。悬沙颗粒主要由极细沙和粉沙组成，自中游 向下游，泥沙颗粒逐渐细化。由于江阴河段附近边界条件的限制，该区域的悬 沙粒径明显小于其上下游河段。长江中游的泥沙，总体是淤积大于冲刷，但是 冲淤的地理分布、时间段分布和河床断面分布并不均衡( 殷鸿福等，2 0 0 4 ；李茂 田，2 0 0 5 ) 。长江干流的宜昌城陵矾段、九江大通段冲刷大于淤积或冲淤平衡。 淤积主要发生在长江干流以武汉为中心的螺山武汉黄石段以及洞庭湖和都阳 湖区。即使在主要淤积江段，也有局部时段和江段以冲刷为主。主泓所在的河 槽以冲刷为主，而河道两侧或河道之间的洲滩，则以淤积为主，形成高而平的 漫滩。 近年来随着g i s 和d e m 技术的发展，其在河道河势演变分析中得到了广 河海大学硕士学位论文 泛的应用。这种方法的思维方式与上述方法完全不同，而其效果也较为直观。 从河道演变的结果，也就是水下地形数据出发，来具体阐述河道的演变，直至 研究这些演变与某些影响因素的关系。该方法也使河床演变的研究从定性分析 逐步发展到定量计算。国外n l a l l d o n 等( 1 9 9 8 ) 在对法国的d r o m e 河流的冲淤进 行研究时，将研究河段离散成若干小段，再叠加上从这些小段不同时期的航片 上获得的各种数据，得到整个研究河段的冲淤量，并统计分析了各段冲淤与距 离上、下游某一节点距离及河岸冲刷程度之间的关系。m a r i ai 己a d o a n e 等( 2 0 0 2 ) 研究喀尔巴吁山脉地区的河流时，利用这些河流的凹度来反映河流演变的情况， 并预测河流长期演变的趋势。m a t h i a ss p a l i v i e r o ( 2 0 0 2 ) 利用卫星影响以及历年水 文数据分析了意大利t a g l i 锄e m o 河的历史演变。陆g o r yr b r o o k s ( 2 0 0 2 ) 研究 了全新世加拿大红河的横向迁移。c a n t o l l i 等( 2 0 0 3 ) 取法国的r h o n e 河的一系 列横断面进行研究，分析了几个水文要素与冲淤量之间的关系等。国内赵庚星 等( 1 9 9 7 ) i7 j 以r s 和g i s 技术研究了黄河口1 9 8 6 年5 月至1 9 年1 0 月淤积侵蚀 的面积的变化；李恒鹏等( 2 0 0 1 ) 峭】通过野外滩地长期水准详细资料，利用g i s 产 生潮滩高程坡度、侵蚀与堆积分布图，并获取测点所在位置的高程、坡度和侵 蚀量；张增发、丁贤荣等( 2 0 0 1 ) 在g i s 技术的支持下进行了长江镇扬河段的演 变分析；吴华林等( 2 0 0 2 ) 1 9 j 依据1 8 4 2 1 9 9 7 年1 0 幅不同年代的长江口海图资料， 利用g i s 建立不同时期的长江口水下d b m ，以此实现了从横剖面、深溉线纵 剖面、平面变化等不同角度对长江口拦门沙地区滩槽演变、岸线侵蚀、沙岛形 成与变迁等进行研究，通过计算河槽容积，实现了对不同时段泥沙冲淤量的计 算；李茂田等( 2 0 0 4 ) 【1o 】利用g 1 s 与d e m 技术，模拟了4 0 年来长江九江段的冲 淤过程，分析了0 m 等深线、纵横剖面和冲淤变化；王建等( 2 0 0 4 ) 、自世彪等 ( 2 0 0 4 ) 利用整个河段的水下地形测量数据内插生成数字高程模型( d e m ) 计 算冲淤量，利用了g i s 强大的空间分析和空间数据库功能，克服了传统河道冲 淤分析方法的缺陷，不但提高了精度，而且能精确提供河段水下地形冲淤演变 及空间分布；李鹏等( 2 0 0 5 ) j 利用1 9 8 4 2 0 0 4 年4 幅长江口外高桥新港区岸段的 海图资料，采用g i s 进行处理，建立不同时期此岸段的水下地形高程模型，并 定量计算新港区河槽的冲淤变化。此外，王柯道( 2 0 0 5 ) 利用数字高程模型探讨 了滩面冲淤变化，这对计算河道的冲淤有一定的借鉴作用；姜贤瑞等( 2 0 0 2 ) 、 4 第一章绪论 张正禄等( 2 0 0 3 ) 、汤仲安等( 2 0 0 3 ) 、张红梅等( 2 0 0 3 ) 进行了河道地理信息系统方 面的研制探讨，这些都为河道演变的分析提供了一种较好的手段。 随着数据获取和数据库管理技术的迅速发展，极大促进了河道研究空间数 据的采集、收集、存储和处理能力，使得各种数据源日益丰富，数据量剧增。 但是，现状却是我们一方面缺乏数据，需要不断采集、获取更多的实时、最新 的数据，另一方面已有数据中蕴涵的知识远远没有得到充分的挖掘和利用，致 使“数据爆炸但知识贫乏”( 刘勘等，2 0 0 2 ；杨祖声等，2 0 0 4 ) 。在上世纪8 0 年 代初出现了空间数据挖掘和知识发现( s p a t i a ld a t am i n i n ga i l dk n o w l e d g e d i s c o v e r y ，s d m k d ) ，是从空间数据库中寻找不明确的、隐含的知识、空间关 系或模式。目前，国内外已经将空间数据挖掘技术广泛应用于地学研究，但尚 未应用到河床演变、河道冲淤分析中去。 1 4 研究内容 论文应用g i s 技术、数据挖掘的方法，结合河床演变的理论知识，对河道 冲淤进行深度分析，主要研究以下内容： ( 1 ) 河道冲淤时空规律。对河道地形变化的历史进行分析、重建历史状态 及跟踪变化，获得河道时间、空间上的冲淤变化规律。 ( 2 ) 河道冲淤时空分析方法体系建立。以河道地形数据为基础，建立完整 的河道冲淤分析方法系统，从点、线、面三个角度对河道冲淤进行分析，得出 河道冲淤的时空规律。 ( 3 ) 河道地形数据处理方法。论文研究的数据来源是河道地形数据，河道 作为一个动态的研究对象，是一个时间和空间相互作用的过程。为了能准确地 描述河道空间数据的时态性，需对河道地形数据进行特殊处理，设计适合河道 研究的数据结构，将空间数据与时间信息按一定的数据结构的方式有机地组织 起来进行集成管理，实现对河道动态过程的研究。 1 5 研究方法与思路 论文主要采用的研究方法有时空对比分析法以及演变过程重建法。分析现 有的河道冲淤分析方法，应用g i s 空间分析技术、数据挖掘技术，结合g i s 二 河海大学硕士学位论文 次开发，实现河道冲淤时空分析方法体系的构建。 论文研究思路如图1 1 所示： l i - 。 i ：时空数据模型理论： li 图卜1 研究思路 河道地形数据建模是应用数据挖掘的方法进行河道冲淤时空分析的基础， 应用现有方法处理河道地形数据，无法满足河道冲淤时空分析的需求，因此， 论文提出一种新的时空数据模型，对河道地形数据进行建模。 河道冲淤时空分析方法体系的建立是论文的研究重点，应用g i s 时空分析 方法及数据挖掘方法，创建点、线、面的冲淤分析模型，从不同的角度分析河 道的冲淤变化，获得研究区域的冲淤规律。 6 第二章河道地形冲淤时空分析方法 第二章河道地形冲淤时空分析方法 目前进行河道冲淤分析研究的方法可分为两个方向：一是传统的分析方法， 即应用数学模型和物理模型的方法；二是随着g i s 技术的发展，很多人开始研 究用g i s 技术来更加直观形象分析河道冲淤情况。数据挖掘可在没有理论前提 的条件下对数据进行分析，可提取出隐含的、未知的、潜在的、有用的知识， 但是该方法还没有应用的河道的冲淤分析中，论文提出了基于数据挖掘的河道 冲淤时空分析方法。同时结合g i s 的冲淤分析方法，建立河道冲淤时空分析方 法体系。 2 1 河道冲淤分析方法综述 2 1 1 传统冲淤分析方法 分析河道泥沙实际变化的途径主要有两大类【1 2 】：一类是河道输沙平衡分析 法，一类是地形断面法。 河道输沙平衡分析法( 简称输沙量法) ，是指输入和输出某一河段的沙量之 差，应等于该河段内河床淤积和冲刷的沙量。其计算公式为：职= 9 e r ， 其中彬为输沙量，q 为流量，c ，为断面平均含沙量，t 为时间。该方法在饱和 输沙和考虑区间人类活动影响的情况下，可根据河段进出口水文测站的实际输 沙量估算河道泥沙的冲淤量。 就输沙量法来说，影响其精度的因素主要有：水文站的悬沙测验系统误差， 水量不平衡引起的误差，其它因子如崩岸、人为采沙等【1 3 1 。该方法只能计算整 个河段总的冲淤情况，无法反映对河段内局部河段冲淤变化情况。 地形断面法是指根据河道水下实测地形切割断面，按几何法直接计算河道 泥沙的冲淤体积，即由某一水位z ，高程下的上、下断面过水面积4 、彳计算 断面间相应水位下的河道槽蓄量：形( z ，) = ( 么，+ 彳+ 彳，爿) 址，3 ，其中 缸，为断面间距。对各计算断面间的河道槽蓄量累加，并由此计算全河段相应 河海大学硕士学位论文 水位下的河道槽蓄量：y = 罗k 。比较各测次河道槽蓄量的大小，可确定河段 相应水位下两测次间的河道泥沙冲淤体积。 就地形断面法而言，其主要影响因素有：水下地形图测量的精度，断面切 割的精度，水下地形图的外延使用，计算水位的选取等【l 钔。其中地形图的外延 使用和计算水位如何选取对于最后冲淤量的计算有着直接的影响，计算水位较 低时结果相对准确。 由上所述，输沙量法和地形法在计算河道冲淤量时存在着一定的误差。输 沙量法计算的结果相当于某一较高水位下的地形法计算的值，它与较低水位下 的地形法计算的值存在较大差异。造成这种差异的主要原因是输沙量法和地形 法计算的范围不同，它们计算的结果分别反映了不同的河槽部位的冲淤。输沙 量法计算了包括所有的流量状况，反映的是整个河段和全部河槽断面的冲淤。 相比之下，地形法更侧重于计算某一水位下的河槽的冲淤，一般很难反映河槽 滩地的冲淤情况。对于平滩水位以下的淤积量的计算具有一定的精度，但对于 整个河段滩槽的综合冲淤计算存在局限性。 任何方法都会产生误差，论文提出的基于g i s 的冲淤分析方法也不例外。 但是除了误差外，上述两种方法都不能直观的反映河道冲淤的具体部位，更不 能对河道冲淤历史进行分析、跟踪变化、提出未来的发展趋势，空间分析能力 非常弱。要准确弄清河道的冲淤分布极其变化，需要采取新的分析方法，这便 是基于g i s 的时空分析方法。 2 1 2 基于g i s 的冲淤分析方法 数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征 和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程 模型( d e m ，d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 。数字地形数字高程模型中蕴涵着丰富的地 形、地貌信息，能有效地反映区域的基本地形空间分布规律与地貌特征，因此， 基于数字高程模型的冲淤分析方法成为g i s 支持下河道冲淤分析的主流。 8 第二章河道地形冲淤时空分析方法 2 1 2 1 数字高程模型 在数字地形建模中，有不规则三角网模型t i n 和规则格网d e m 。 不规则三角网( t i n ，a i l g u l a t e di r f e g u l a rn e t w o r k ) 通过从不规则分布的数 据点生成连续三角面来逼近地形表面，是基于空间不规则的点、线、多边形等 数据来表达表面。它由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则 分布的测点或节点的位置和密度( 如图2 1 所示) 。在地形平坦的区域，三角形 较少，而在地形复杂的区域，三角形较多。 2 1 3 4 8 7 j 1 9 5 图2 一l 不规则三角网 规则格网( r e g u l a rs q u a r eg r i d ，r s g ) 地形模型是指模型的顶点在x y 平面 上沿x 轴和y 轴呈等间距均匀分布的一种高度场。其实际上就是规则间隔的正 方形格网点或经纬网点阵列，每个格网点处只需存储该点的高程值，然后通过 起算点的坐标和格网间距以及相应矩阵元素的行列号就可以计算任意格网点的 平面坐标( 如图2 2 所示) 。目前许多国家提供的d e m 数据都是以规则格网的 数据矩阵形式提供的，现在我们常说的d e m 及大规模的d e m 数据库建设，主 要是指这种形式i l 引。该模型易于计算机处理，是d e m 最广泛使用的格式，也 是论文研究所要用到的模型。 _ x 图2 2 规则格网数据g r i d 由于论文的研究都是基于d e m 的，因此，d e m 的精度至关重要。d e m 数据 的质量不仅依赖于原始数据的精度，而且还与内插方法有关。保证d e m 质量符 合生产要求的精度，才能确保在d e m 基础上进行的分析的精确程度。 9 河海大学硕士学位论文 在生产中，常用的d e m 精度评定方法有剖面检查法和检验点法。由于检验 点法易于实现，因此采用该方法进行精度评定。 检验点法是在每幅图上采集至少2 8 个高程检测点，用于计算d e m 内插高 程中误差，这些检测点不参与d e m 的建立。将这些点的内插高程和实际高程 逐一比较得到各个点的误差，然后计算出中误差【1 6 】。检查公式为： 斤一 。删2 寺荟俾t 一乙) 2 ，其中，仃。肼为中误差，心为原始的真实数据，乙为 插值后的值。 研究区域长江镇扬河段的测点数据的比例尺为1 ：1 0 0 0 0 ，根据我国国家测 绘局1 ：1 0 0 0 0 数字高程模型生产技术规定( 暂行本) 对d e m 格网点对于附近 野外控制点高程中误差的要求见表2 1 。l ：1 0 0 0 0 的技术规定还有：( 1 ) 高程 最大误差为中误差的两倍；( 2 ) 密林等隐蔽地区高程中误差按表中数据的1 5 倍计；( 3 ) d e m 内插点的高程中误差按表数据的1 - 2 倍计；( 4 ) 一般情况按 二级精度要求执行，若原始资料精度较差，可放宽到三级精度。 表2 11 ：1 0 0 0 0 数字高程模型生产技术规定( 暂行本) 地形图基本等 格网点高程中误差( m ) 地形类别地面坡度 高线( c m ) 一级二级三级 平地 1 2 。以下 o 5o 71 o 丘陵地 2 52 。6 。 1 21 72 5 山地56 。2 5 o 2 5 3 3 5 o 高山地 1 02 5 。以上5 06 71 0 0 河道地貌与丘陵地相似，因此取丘陵地的精度要求来对河道的d e m 精度 进行评价。同时根据规定d e m 内插点的高程中误差按表数据的1 2 倍计，所以 论文采用的精度评价标准如表2 2 。 l o 第二章河道地形冲淤时空分析方法 表2 2 论文采用的精度评价标准 格网点高程中误差( m ) 地形类别 一级二级三级 河道 2 43 45 o 在生成d e m 时，需要考虑d e m 的网格间距。网格间距越大，数据量越小； 数据量越小，计算量就越小，从而操作速度也就越快。但是，网格间距越大， 精度也越低。因此，要兼顾精度与数据量的关系。 2 1 2 2 等高线分析 等高线是通过对地球表面的水平切割而产生的连续的曲线。在相同曲线上 的高程值相同，相同高程的等高线至少有一条或多条。一般，基于t i n 绘制等 高线，因为该方法直接利用原始观测数据，避免了d t m 内插的精度损失，所 以精度较高。 基于t i n 提取等高线的方法是在所有离散数据点中，统计高程的最大和最 小值，然后根据等高距，确定等高线的个数，以及其高程值。利用插值方法在 已建立的三角网上对等高线进行插值，连接插值点便生成等高线。然后对三角 形进行遍历，判断是否有等高线穿过。根据三角形搜索的等高线绘制算法具体 步骤如下： ( 1 ) 对给定的等高线高程h ，与所有网点高程z i ( i _ 1 ，2 ，n ) ，进行比较，若 z i = h ，则将z i 加上( 或减) 一个微小正数 0 ( 如= 1 0 叫) ，以使程序设计简单 而又不影响等高线的精度。 ( 2 ) 按顺序判断每一个三角形的三边中的两条边是否有等高线穿过。设三 角形一边的两端点为鼻( x l ，y i ，z 1 ) ，只 2 ，y 2 ，z 2 ) ，若( z 1 一乃) ( z 2 一办) o ，则表明该边无等高线点。 ( 3 ) 搜索该等高线在该三角形的离去边，也就是相邻三角形的进入边，并 内插其平面坐标。搜索与内插方法与上面的搜索起点相同，不同的只是仅对三 角形的另两边作处理。 河海大学硕士学位论文 _ 5 图2 3 等高线追踪原理 ( 4 ) 进入相邻三角形，重复上一步，直至离去边没有相邻三角形( 此时等 高线为开曲线) 或相邻三角形为搜索起点所在的三角形( 此时等高线为闭曲线) 时为止。 ( 5 ) 对于开曲线，将已搜索到的等高线点顺序倒过来，并回到搜索起点向 另一方向搜索，直至到达边界( 即离去边没有相邻三角形) 。 ( 6 ) 当一条等高线全部跟踪完后，由于上述步骤中生成的是由离散等高线 点依次相连而生成的一系列不光滑的折线，因此需对其进行平滑输出。 ( 7 ) 然后继续三角形的搜索，直至全部三角形处理完，再改变等高线高程， 重复以上过程，直到完成全部等高线的绘制为止。 在河道冲淤分析中，可应用提取的等深线进行一些定性甚至定量的分析， 获得一些冲淤规律。 ( 1 ) 定性分析：提取河道历年的特征等深线，并用不同颜色和线型渲染， 分析其演变趋势。如图2 4 所示，提取镇扬河段六圩弯道1 9 9 0 、1 9 9 4 、1 9 9 8 、 1 9 9 9 、2 0 0 4 五年的1 0 米等深线，分析其演变规律，可获得六圩弯道的冲淤规 律。 一2 0 0 4 r 、1 9 9 9 ”1 9 9 8 _ o 1 9 9 哇 一1 9 9 0 图2 4 等高线演变 1 2 第二章河道地形冲淤时宅分析方法 ( 2 ) 定量分析：首先将历年的河道d e m 两两相减，得到连续的冲淤d e m ， 提取冲淤d e m 的等深线，并分析其中的闭合等深线，会发现某一些闭合等深 线随着时问而发生规律性的变化。这些闭合等深线内的区域可视为某一厚度下 的淤积体。可用淤积体的重心来量算其每年相对向下移动的距离，再取其时问 平均值作为某一时问段内的淤积体移动速率。还可连接历年该淤积体的重心， 获得其移动路径。该方法实现了冲淤的定量分析。 2 1 2 3 横断面分析 河道横断面是垂直于水流方向的断面，它反映河道断面的形态。断面形态 的变化从一定程度上反映了断面附近河段的冲淤变化及主槽位置偏移情况。断 面分为固定断面与非固定断面。固定断面一般有长期水文豁测断面，此类断面 垂直于河道深槽线，位置与大地里程桩位重合，弯道断面加密、过渡段稍疏。 非固定断面是根据需求动态增加的河道分析断面。 横断面剖面图绘制在格网d e m 或t i n 上进行。已知两点的坐标，可求出 两点连线与格网或三角网的交点，以及各交点之问的距离。按选定的垂直比例 尺和水平比例尺，根据距离和高程绘出断面的剖面图( 如图2 5 所示) 。 起姜 河海大学硕士学位论文 在河道冲淤分析中，可对绘制的断面纵剖面进行分析，获得一些冲淤规律。 ( 1 ) 历年断面的位移比较。通过分析历年断面形态的变化，获得河道该断 面附近的冲淤规律( 如图2 6 所示) 。 积。 ( 2 ) 断面冲淤计算。可对两两断面进行冲淤特征值统计，如冲刷、淤积面 2 1 2 4 冲淤分布分析 图2 6 不同时期河道横断面 以上的三种分析方法都是从局部的冲淤分析，虽然断面可通过加密来粗略 估计整个河道的冲淤变化情况，但仍很不精确，无法描述河道冲淤变化的具体 部位并进行进一步的时空分析。因此，可应用数字高程模型法，通过比较研究 区域不同年份的d e m 的差异，来判断整个河道的冲淤变化情况。 其具体实现方法如下：确定需要进行冲淤计算的两期数据，利用它们的 d e m 模型，将两个d e m 模型叠加相减，得出差数值即是比较的结果，如图2 7 所示。在利用模型叠加分析时，需要注意模型叠加的条件：并不是任意两个d e m 模型都可以叠加，两个模型需要有可以相比的条件，即二者必须有相同的格网 参数。这样两个模型的格网便可以完全对应起来，同时具有内插值的格网点便 可直接相减，得到对应格网所需的差值，如果其中一个没有值，那么对应格网 点便得不到差值i l 。 以河道冲淤厚度为z 值的格网模型用三维表面形象直观地表现了河道冲淤 1 4 厂腻扒蕊蘸縻隧隧隧匿 第二章河道地形冲淤时空分析方法 在研究区域内的分布，基于此，还可获得一系列的冲淤特征值：冲刷、淤积面 积，冲刷、淤积体积，平均冲刷、淤积深度，最大冲刷、淤积深度等。但是， 从获得的冲淤图上只能定性分析河道的冲淤部分和冲淤强度，还需应用其它方 法对该冲淤图进行进一步的时空分析。例如对冲淤厚度进行分类和计算，将冲 淤厚度大于某一数值的区域标示出来，并计算其所占面积比例；将冲淤厚度分 为几等级，计算出每个区域的面积、体积，可更为清晰地表现河道的冲淤分布 格局，有利于认识泥沙在河道内的冲淤变化规律。 1l llll l433 l 11 2l 2 ll 21 6l l36 2 s | d e m 法冲淤分析原理 i ll ll 1222 l ll3 l l l l3l l 2 23 l o00o 02110 o91 o011 30 o142 2 模型l ( 一期数据)模型i ( 二期数据)结果 图2 7d e m 法冲淤分析原理 2 1 2 5 河道地貌单元冲淤分析 河道地貌这里是指河流两岸河流边界线以内的河道部分，在流水的作用下 形成的各种地形的总称。其主要地貌单元包括深槽、深泓线、浅滩、江心洲、 潜洲、边滩等，其分布关系参见图2 8 。 河海大学硕士学位论文 图2 8 河道地貌类型横断面方向分布示意图 深槽指河床中相对低洼的水下地形。通常在河床相对束窄段、主支流汇口、 弯曲在河床凹岸部分等处，由于水流侵蚀能力增强，使这一河床被冲刷而成深 槽。 深泓线在河床演变分析中是指河流在河道中主要流经路线在河床中留下的 痕迹，它实际是由一系列的深泓点构成。 浅滩指河流湖海的浅水滩地由沙砾石等组成的沉积体。 江心洲指河道内的泥沙堆积而形成经常露出水面的沙洲。 潜洲指河槽中经常淹没在水下的沙洲。 深槽、浅滩、江心洲、潜洲、边滩从平面看，都是一个多边形，因此其研 究方法具有相似性，但是从多边形的形态上看，深槽又不同于其它地貌单元， 是狭长的不规则多边形。所以，论文将这些地貌单元划分为三类进行分析：深 泓线、深槽、江心洲( 浅滩、潜洲、边滩) 。 ( 一) 深泓线 深泓线的提取有栅格d e m 搜索法、闭合等高线端点法、断面最低点法。 三种方法有各自的特点，在提取河道深泓线时需综合应用，以闭合等高线端点 法为主，用断面最低点法连接闭合等高线的最外圈拓扑关系，用栅格d e m 搜 索法查找局部副槽的泓线，最后按泓线之间的拓扑关系连接。 在河道冲淤分析中，可对提取的深泓线进行分析，获得一些冲淤规律。 ( 1 ) 历年深泓线的位移比较。将历年的深泓线在河流坐标系中表示，计算 不同年份的深泓线之间的平均位移，根据深泓线位移的变化得出河道的冲淤规 1 6 第二章河道地形冲淤时空分析方法 律( 如图2 9 所示) 。 图2 9 两年深泓线位置比较 ( 2 ) 深泓线纵剖面分析。深泓线纵剖面分析即进行深泓线纵向的冲淤分析， 计算整个深泓线段的冲淤情况，获得河流纵向的冲淤变化规律( 如图2 1 0 所示) 。 -，t一” 一 图2 1 0 两年深泓线纵向冲淤 凼 ( 二) 深槽区 深槽区是河道中冲刷比较严重的区域，提取河道历年深槽区进行分析，可 获得相关的冲淤规律。 ( 1 ) 形变分析 深槽区的形变分析包括其面积变化、中轴线相对位移及槽蓄量的变化。该 分析是一种定量的分析。 1 7 河海大学硕十学位论文 面积是面对象最基本的参数。在矢量结构下，面对象是用其轮廓边界弧段 构成的多边形表示的。对于没有空洞的简单多边形，假设有n 个顶点，其面积 计算公式为s = 阻薯，飞小棚蝎y 小它所采用的是几何 交叉处理方法，即沿多边形的每个顶点作垂直于x 轴的垂线，然后计算每条边、 它的两条垂线及这两条垂线所截得x 轴部分所包围的面积，所求出的面积的代 数和即为多边形面积。对于有孔或内岛的多边形，可分别计算外多边形与内岛 面积，其差值为原多边形面积。比较历年的面积变化，可获得该深槽区的冲淤 情况。 如图2 1 l 所示，深槽区的位置在发生变化，提取深槽区的中轴线，然后计 算其历年的位移量，来获得冲淤变化规律。 通过计算深槽区的槽蓄量来反映深槽的冲淤情况。 图2 1 1 两年深槽区演变情况 ( 2 ) 演变分析。绘制历年的深槽区边界线，定性的分析其演变规律。 ( 三) 江心洲 江心洲的冲淤分析方法与深槽区类似，但由于其形态的不同，在形变分析 时，分析方法有所不同。其形变分析包括面积的变化、质心的位移和边界位移 分析。面积的计算同深槽区。多边形面的质心是指多边形的几何形状中心。设 第二章河道地形冲淤时空分析方法 定多边形顶点为p ，则多边形的质心c 为 c = i 击姜只，其中p i 为多边 形顶点的坐标值。通过分析其质心的位移可获得江心洲的冲淤发展趋势。 图2 1 2 历年江心洲演变 一1 9 7 0 年 一1 9 8 3 年 一1 9 8 7 年 一1 9 9 0 年 一1 9 9 4 年 一1 9 9 8 年 一2 0 0 4 年 如图2 一1 2 所示，江心洲受河流的影响，其边界变化很大，因此，可对其边 界的位移情况进行分析，获得冲淤变化情况。 2 1 3 基于空间数据挖掘的冲淤分析方法 空间数据挖掘( d a t am i n i n g ，d m ) 是在没有明确假设的前提下去挖掘信息、 发现知识，是用数学的方法对空间数据进行提取、预处理、转换和知识提取的过 程，挖掘出的知识具有事先未知、有效和可实用三个主要特钳18 1 ，是对传统地 学数据分析方法非常重要的补充。因此，可尝试用数据挖掘的方法对河道进行更 深层次地冲淤时空分析。 2 1 3 1 空间数据挖掘概述 数据挖掘是从大量的、不完全的、有噪音的、不确定的、模糊的、随机的 实际应用数据中提取隐含的、未知的、潜在的、有用的知识的过程【1 8 】【1 9 1 。数据 挖掘所能发现的知识总体可包括广义知识、分类知识、关联知识、偏差性知识、 聚类知识和预测性知识等【2 0 】【2 1 1 。 1 9 河海大学硕士学位论文 空间数据挖掘的实现可以分为三个层次：数据预处理层、挖掘机理层和可 视化操作层。其基本过程一般包括数据选取、数据预处理、数据转换、数据挖 掘、模式解释和知识评估等六个阶段( f a y y a d ，1 9