（地图学与地理信息系统专业论文）数字河流的河槽演变空间分析方法.pdf

摘要 基于河流地貌学的河床地形分析是河床演变分析的主要内容之一，随着g i s 技术的发展，定性、半定量的河床演变分析逐步向定量分析转变。本文的研究1 3 的是建立河床演变地形分析的数字化分析方法体系，使传统的河床演变地形分析 方法向数字化方法过渡。 本文主要研究了在数字河流上进行河床演变研究的空间分析方法，着重研究 了河床深泓线的提取方法和分析方法，主要有栅格d e m 搜索法、闭合等高线端 点法和断面最低点法。栅格d e m 搜索法是通过二维高程矩阵按照一定规则进行 搜索，获取河床深泓线；闭合等高线端点法参考人绘制河床深泓线的思路，从等 高线端点和等高线之间的拓扑关系来提取深泓线：断面最低点法足按照上下游关 系连接断面线的最低点获得深泓线。并对三种方法进行比较分析和综合。 在河床演变分析巾，提出建立河流坐标系作为河床演变参考系的设想，河流 坐标系是以河流流向为s 轴，垂直流向的方向为n 轴，为河床演变提供参照。 并针对长江江苏段河床演变的情况，提出了建立长江江苏段河道基线的设想，在 长江江苏段的河床演变分析中加以应用，对长江镇扬段深泓线的演变进行了定量 的分析，并与该河段的河流动力轴线进行了对比分析。 通过几种河床深泓线的提取方法的综合运用，在各种河床地形情况下提取深 泓线，均可取得较为满意的效果。在河流坐标系中进行定量的深泓线演变分析， 可精确计算深泓线的平面位移和垂向冲淤。应用于长江江苏段的演变及作河势分 析的结果说明，本文的方法能够取得一定的定量化效果。 关键字：河床演变；深泓线提取；空间分析；河流坐标系：河道基线 a b s t r a c t r i v e rb e dt e r r a i na n a l y s i st h er i v e rg e o m o r p h o l o g yb a s e di so n eo ft h em a i n e l e m e n t so ft h ea n a l y s i so ft h er i v e rb e de v o l u t i o na n a l y s i s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f g i st e c h n o l o g y , q u a l i t a t i v ea n ds e m i q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h er i v e rb e de v o l u t i o n g r a d u a l l yt r a n s f o r m st ot h eq u a n t i t a t i v eo n e t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st oe s t a b l i s h t h er i v e r b e dt e r r a i na n a l y s i so nt h ee v o l u t i o no fd i g i t a la n a l y s i ss y s t e mf o rt h e t r a n s i t i o nf r o mt r a d i t i o n a lb e de v o l u t i o nt e r r a i na n a l y s i sm e t h o d st ot h ed i g i t a lo u e t h i sp a p e rs t u d i e dt h es p a t i a la n a l y s i sm e t h o d so nd i g i t a lr i v e rb e de v o l u t i o n ；t h e r e s e a r c hm a i n l yf o c u s e do nt h ee x t r a c t i o nm e t h o da n da n a l y s i sm e t h o do f t h er i v e r b e d t h a l w e g ，i n c l u d i n gr a s t e rd e ms e a r c h , c l o s e dc o n t o u re n d p o i n ta c ta n ds e c t i o nl o w e s t p o i n tm e t h o d r a s t e rd e mg r i ds e a r c hm e t h o di s t oo b t a i nt h er i v e r b e dt h a l w e g t h r o u g hat w o - d i m e n s i o n a lm a t r i xs e a r c hw i t hac e r t a i nh e i g h tr u l e s e n d p o i n tc l o s e d c o n t o u rm a p p i n gm e t h o de x t r a c t st h a l w e gb a s e do nm a n u a lr i v e r b e dt h a l w e gl i n e m e t h o d ；i te x t r a c t st h a l w e gt h r o u g he n d p o i n tf r o mt h ec o n t o u rl i n e sa n dc o n t o u rl i n e s b e t w e e nt h et o p o l o g i c a lr e l a t i o n s h i p s s e c t i o nl o w e s tp o i n tm e t h o de x a c t st h a l w e g b a s e do nt h ed o w n s t r e a ms e c t i o nc o n n e c t i n gl i n eb e t w e e nt h el o w e s tp o i n t s c o m p a r i s o na n dt h es y n t h e s i so f t h et h r e e m e t h o d si sc a r r i e do u ta sw e l l i nr i v e r b e de v o l u t i o na n a l y s i s ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h er i v e rb e da sc o o r d i n a t e r e f e r e n c es y s t e me v o l u t i o nw a sp r o p o s e d t h ec o o r d i n a t es y s t e mp r o v i d e sr e f e r e n c e f o rr i v e r b e de v o l u t i o nw i t ht h er i v e rf l o w sf o rr i v e r ssa x i sa n dt h ev e r t i c a lf l o wo f t h e n a x i s b a s e do nt h ey a n g t z er i v e ri nj i a n g s ue v o l u t i o no ft h es i t u a t i o n , t h e e s t a b l i s h m e n to f t h ey a n g t z er i v e ri nj i a n g s ub a s e l i n ew a sp r o p o s e d ，a n dt h e na p p l i e d i nt h ey a n g t z er i v e ri nj i a n g s ue v o l u t i o na n a l y s i s f u r t h e r , q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so n t h et h a l w e gm o d e l so ft h ee v o l u t i o no fz h e n y a n gr e a c ho fy a n g t z er i v e r , a sw e l la s t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i t ht h ed y n a m i cr i v e ra x i s , w a sr e a l i z e d t h r o u g hi n t e g r a t e du s eo ft h et h a l w e gl i n em e t h o d ，t h ee x t r a c t i o nr e s u l t so ft h e t h a l w e gw i t hv a r i o u sb e dt o p o g r a p h yc o n d i t i o n sa r cs a t i s f y i n g w i t hq u a n t i t a t i v e t h a l w e ge v o l u t i o na n a l y s i si nr i v e r sc o o r d i n a t es y s t e m , t h ea c c u r a t et h a l w e go fp l a n a r h a n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fe r o s i o na n dd e p o s i t i o nc a nb ec a l c u l a t e d t h ea p p l i c a t i o n i nt h ey a n g t z er i v e ri nj i a n g s up r o v i n c ea n dt h ea n a l y t i cr e s u l t so l le v o l u t i o no ft h e r i v e rs h o wt h a ts o m eq u a n t i t a t i v er e s u l t sc a nb ea t t a i n e dt h r o u g ht h i sm e t h o d k e y w o r d s ：r i v e r b e de v o l v e m e n t ；t h a l w e ge x t r a c t i o n ；s p a t i a la n a l y s i s ；r i v e r r e f e r e n c ef r a m e ；r i v e rb a s e l i n e u l 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) ： 弘研年占月g e l 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) ，垒笙匆刁年f 月偿日 第一年绪论 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 河流是人类文明的摇篮，很多古老的文明都是沿河流发展而来的，河流的变 化、发展给人类的社会、经济、生活带来巨大的影响。自古以来，对河流变化的 研究就没有停止过。河床演变的研究关系到河流的防洪、航运等各个方面，因此， 对于河床演变规律的探索是十分必要的。 河床演变分析分为泥沙动力学方法和河流地貌学方法两种出发点不同的研 究方法。泥沙动力学方法主要是研究水流、泥沙之间的相互影响和制约关系，是 从成因来研究河床演变。建立各种河流模型是泥沙动力学方法的常用的手段。其 中，河流模型又分为物理模型和数学模型两种。本文主要用河流地貌学方法进行 河床演变分析，研究河流地貌的地学特性和时空变化规律，是从结果来研究河床 演变。 本文的研究目的是建立河床演变地形分析的数字化分析方法体系，使传统的 河床演变地形分析方法向数字化方法过渡，革新河床演变分析方法。将传统的河 床演变地形分析由定性分析逐步转为数字化的定量分析。解决传统河床演变分析 的精确度和效率问题。 通过对数字河流的河道地形数据进行空间分析方法的数据挖掘，客观的揭示 河床演变过程和规律，减少河床演变地形分析中人的主观因素对分析结果的影 响，对河床演变地形分析方法的标准化有重要意义。 1 2 研究背景 河床演变是河道水流与河床相互作用且不断发生时空变化的结果【l l 。河床演 变受诸多因素影响，如河道地质背景、水流状况及河道整治与涉水工程等。影响 河床演变的因素复杂多变，加上它们相互作用，使河床演变问题异常复杂，规律 难寻。 基于河流地貌学的河床地形分析是河床演变分析最主要内容之一。在实际工 程中，河床地形的形变也是被重点关注的问题，如防洪、航道整治、河道岸线的 规划等，都需要河床地形的形变分析的支持。利用地形资料进行河床演变分析是 河海大学硕士论立 分析河床形变最直接的途径，也是目前比较常用，比较普遍的方法。地形资料主 要包括河道测点数据、地形图等，它反映了河道在某段时期的地形状况。在传统 的河床演变地形分析中，根据不同时期地形的实测资料进行比较分析可以得出河 床演变的过程与结果，有经验的治河人员通过大量的实测资料，能够利用地图套 绘等一些简单的方法，对河流的河势变化作出判断，对河床演变进行定性的、半 定量的分析。如在长江江苏段河道中，- - 5 米等高线贴近岸边线表明此处岸边有 滑坡和崩岸的风险，需要进行护坡。对河道测点的高程变化，反映了河道内河床 的冲淤变化。 河床演变分析从技术一卜看主要有两个方面：一是如何更有效地利用大量地形 资料，二是如何更深层次地挖掘河床演变信息。但就日前而言，这两个方而都存 在问题。河道胨测管理部门积累了大量河道历史地形资料。由于信息管理技术落 后，这些资料还基本上以文件形式存放在各单位部门，加上各单位部门的数据标 准，如坐标系、基准面等不尽相同，为资料管理与共享带来了困难，并大大降低 了资料利用率，在进行河床演变分析时往往会出现有资料却收集不到的情况。目 前大部分j i l 床演变分析工作还需要大量人工参与，如数据整编、处理与制图。分 析技术较落后导致对纸质图信息挖掘有限，进而很多河床演变问题难以解决或是 解决起来较困难，也难以从现有资料里发现新问题，一定程度上限制了河床演变 分析的发展。如何对河道地形实测数据进行管理和有效的数据挖掘，为河床演变 分析服务，成为河床演变地形分析中亟需解决的问题。 地理信息系统( g 1 s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是以地理空间数据库为 基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，通过数据 采集、监测，编辑、传输、处理、存储、组织、空间分析、显示等操作，为地理 研究和决策服务的计算机系统( 邬伦等，2 0 0 1 ) ( f j 。 在河床演变地形分析中，大量的实测资料输入地理空间数据库，构建河床演 变的数字化河道，使河床演变的研究逐步从定性向定量转变，从经验性研究向科 学性研究转变。通过g i s 平台构建的数字河道，改变原来河床演变分析的方法， 提高效率。同时，通过运用空间分析的方法，对河床演变地形分析进行更深层次 的挖掘，结合河流地貌学，对河床演变的成因进行分析，预测河床演变的发展， 为后续的河道整治提供依据。 2 第一葶绪论 总之，地理信息技术的运用，使得河床演变学这一古老的学科又有了新的思 路和方法，为河床演变的发展提供了新的方向。 1 3 国内外研究进展 河床演变问题异常复杂，可以从不同，0 度进行分析，从结论上看主要分为定 性讨论和定量分析。 ( 1 ) 定性讨论 早在两千多年前，我国古代的尚书禹贡篇中就有关于长江的记述。一 千多年前，北魏郦道元作水经注。以后，在历代方志的山川地理部分中，更 常见到有关江河水系变迁、河岸变化及沙洲分合、消长的详细记载。这些表述都 是人类早期对河床演变的认识。 今天，在分别描述或统计分析河床演变及其影响因素后，定性讨论两者之间 的关系一度是研究河床演变的主流方式。这其实在某种程度上属半定量的研究。 陈启新等( 1 9 9 5 ) 对黄河小北干流上段河东取水口的淤积抬高与“揭底”现象的 分析表明，此段河势演变的主要影响因素是地形节点及河道整治工程【3 】；潘庆桑 ( 1 9 9 7 ) 对长江中下游河床演变趋势的研究也重点突出了人为因素的影响 4 1 ；庞 炳东( 1 9 9 7 ) 讨论了三门蛱水库建成后对渭河局地侵蚀基准面、滩地泥沙组成、 来水来沙条件、河道断面形态等方面产生的影响，从而影响到渭河下游河床的演 变坷；张润民( 2 0 0 3 ) 对- - i _ 】峡建库前潼关河床冲淤进行了分析，干支流洪水是 河道冲淤平衡动力1 6 ；张长清等( 1 9 9 8 ) 分析了长江1 3 北支的河床河岸构造、径 流与潮流情况，及其演变趋势，得出影响北支河床演变的主要影响因素有水沙变 化、河流动力轴线变化、河流平面形态、人为因素李传发等( 2 0 0 0 ) 对松花 江依兰到佳木斯江段河床演变分析不仅从边界条件、来水来沙条件等角度考虑， 还结合此河段具体情况包括了支流、冰凌等对河道的影响【8 】；潘庆粲( 2 0 0 1 ) 对 长江中下游河道近5 0 年的变迁分析得出结论：总体河势基本稳定、冲淤基本平 衡，局部河势变化较大、冲淤幅度较大，人为因素未改变河床演变规律等结论【9 】； 谢德荣等( 2 0 0 1 ) 简述了河势控制地质观和河势控制工程在长江治理中的地位， 重点讨论了河势控制地质工程，提出了河势控制工程地质研究的原则【1 0 l ；刘中惠 ( 2 0 0 1 ) 探讨了长江中下游河势控制必须遵循的原则，着重分析了冲积性平原河 河海大学硕士论文 流的演变规律以及河势控制措型“j 。 ( 2 ) 定量分析 在河床演变的定量研究当中，河流模型已成为重要的手段，其又分为数学模 型和物理模型。数学模型是通过建立的模拟水沙条件的数学公式，通过不同的边 界条件进行参数调整，对河道来水来沙进行计算，分析河床演变。数学模型有一 维河流、二维河流和三维河流模型之分。数学模型在回答工程问题时，同时具有 缩短研究周期、节约投资等霍要优势。但由于无法完全模拟河流形态，数学模型 得到的结果数据精确町小一定准确，有时会与实际情况相差较人。再者数学模型 的边界条什不好确定，针对不同的研究区域数学模型的参数都需要较大的调整。 物理模型是对现实河道按比例进行缩小，模拟现实河道的水沙条件，在实验室的 水槽中再现现实中河床演变的情况，实验结果直观。但周期相对较长，投资也比 较大，也是无法完全模拟现实河流。 河床演变地形分析方法是通过河床演变的直接结果来研究 i i f 床演变。以前主 要是基于河流地貌学的定性讨论，随着g i s 技术的发展，利用o l s 技术手段对 河床演变进行分析成为河床演变地形分析方法新的发展方向。从河床演变的结 果，也就是水下地形数据出发，来具体阐述河床演变，直至研究这些演变与某些 影响因素的关系。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1 2 1 ；李茂田等( 2 0 0 1 ) 对九江段河道进行了演变分析。习；王强( 2 0 0 4 ) 利用o l s 作冲淤分析，并将结果与对地形断面法和输沙量平衡法进行了比较分析 1 1 4 ；刘平( 2 0 0 6 ) 在g i s 支持下对长江干流江苏段河道进行冲淤分析i “。姜贤 瑞等( 2 0 0 2 ) 、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，这些都为河床演变的分析提供了一种较好的 手段1 1 6 j 。 遥感是g i s 的重要数据来源。利用遥感等技术手段对长江岸线演变，河道整 治，资源开发利用进行研究，也取得了很大的进展。黄家柱等( 1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) 对 长盯下游河道演变图谱进行了研究 2 0 l ，亢庆等( 1 9 9 9 ) 对东江下游河道演变进行 了遥感分析嘲，陈一梅等( 2 0 0 5 ) 讨论了岸滩的演交等1 。还有一些用于河道观测 的新技术，如无人立尺技术、g p s 技术、多波束声纳测深系统、a d c p 测流系统 等也得到了大力地发展( 余文畴等，2 0 0 5 ) 1 2 4 1 。 4 第一葶绪论 国外的关于河床演变方面的研究也不少。m a r i ar a d o a n e 等( 2 0 0 2 ) 研究喀 尔巴叶山脉地区的河流时，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1 2 5 】。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 a m e n t o 河的历史演变 2 6 1 。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分析研究，分析了几个水文要素与冲淤量之间的关 系等 2 7 1 。v e n k a t e s hm e r w a d e 等( 2 0 0 3 ) 针对a r c g i s 9 的数据格式提出了g i s 中 河流的地理表达，并实现了顺赢、单一河道河床深泓线提取闭。 1 4 研究内容 本文的研究范围是河流的河槽，也称为河床，是河流河谷中枯水期水流所占 据的谷底部分1 2 9 1 ，是河谷行水、输沙的部分 3 0 l 。河流的河谷大致可分为谷底和 谷坡两大部分( 图1 - 1 ) 。谷底包括河床和河漫滩，谷坡是河谷两侧的岸坡，常有 阶地发育。 图1 - 1 河谷横剖面结构图 i 河床：2 河漫滩；3 谷坡；4 骱地； 枯水位；洪水位 水流、泥沙与河床的相互作用造成了千变万化的河床形态，形成河床的原因 十分复杂。从河流地貌学的角度研究河床演变，很重要的一方面在于从河槽地形 的变化分析出河床演变的信息。河床深泓线是水流在河槽中经过的痕迹，反映了 河床演变河流主流的趋势，是研究河流整体河势的重要依据。通过数字河流的地 形信息，建立河槽演变空间分析模型，提取河床深泓线，分析深泓线的演变，研 究河势变化。 河海大学硕士论义 本文的研究内容包括：提出数字河流的河床深泓线的自动化提取方法，建立 河床演变的河流坐标系，进行深泓线数字化定量演变分析。针对长江江苏段的河 槽演变，提出长江江苏段河床演变的河道基线，进行河槽演变分析和河势分析， 并通过二维河流数学模型计算河流流场，提取河流动力轴线，与河床演变地形分 析所提取的深泓线进行对比分析。 论文拟解决的主要问题包括： ( 1 ) 河槽演变卒问分析建模：根据数字河流的地形信息。提取河床深泓线。 建立河流坐标系，进行河床深泓线平而位置分析和纵剖而分析，河床深泓线与河 流动力轴线的对比分析。 ( 2 ) 河势分析：根据特征值和河道地质条件判断风险，分析河流的河势。 1 5 研究方法与技术路线 本文的技术路线足：通过河流地貌学的河槽演变分析方法和g i s 空问分析方 法，建立河槽演变空间分析模型，在数字河道上进行分析。通过数学模型理论和 方法，进行河势分析。为防洪减灾、河道整治规划和岸线资源利用规划提供科学 依据( 图1 - 2 ) 。 图1 - 2 技术路线图 6 第一搴绪论 本文通过河床演变的地形分析方法和g i s 空间分析方法，进行河床深泓线的 提取和分析，并进行演变分析，研究河槽演变分析和河势分析。主要分为河槽演 变空间分析建模和长江江苏段河槽演变分析( 图1 3 ) 长江汀苏段 深泓线提取 长江江苏段 河道基线 深需变l 厮分析ll 河槽演变分析 长江江苏段 河势分析 图1 - 3 研究主要步骤及方法示意图 深泓线与河流 动力轴线对比 具体的研究方法如下： ( 1 ) 河床深泓线提取方法：从河道测点数据，也可通过生成的河道的d e m 数据、河道断面数据，利用空间分析方法提取河床深泓线。根据不同类型的河流， 不同的河段，要使用不同的厅法。采用先提取河床主泓线，再以此为条件，进一 步提取副泓等等，建立河床深泓线分布图。 ( 2 ) 河床深泓线比较分析：分为平面演变分析和纵剖面演变分析。基于河 流坐标系研究河床深泓线的位移、刷深、淤积等等，不同时期河床深泓线的相互 7 河海大学硕士论文 对比，以及河床深泓线与河流动力轴线对比。 ( 3 ) 河槽演变分析与河势分析：研究河槽演变。针对整个河道的河势，根 据河道弯曲分析提取河流顶冲点，分析河流主流的顶冲点的变化，对河道风险进 行分析。 第二章河槽演变空m 分析建模 第二章河槽演变空间分析建模 河槽演变分析是河床演变研究的重要组成部分。在数字河道上建立河床演变 的g i s 分析模型，能够客观的揭示河床演变过程和规律，使河床演变分析尽可能 少的受到人为主观因素的影响，使分析结果更科学，革新河床演变分析方法。 2 1 建模目标 本章的研究目标是建立河床演变的g i s 分析模型。主要包括数字化河道的河 床深泓线的提取方法和演变分析方法。通过深泓线定量的演变分析来研究河槽演 变。 2 2 河槽演变空间分析基础 河槽演变空问分析的基础足传统的河槽演变分析方法和新兴的g i s 空问分 析方法。由传统的大量河床演变的历史资料到数字化河道，需要经过数据整编， 使得大量的历史数据符合g i s 数据的要求，存入空间数据库，为河槽演变的数字 化分析方法服务。 2 2 1 传统的河槽演变分析方法 河床演变的基本表现形式是河床的时空变化。从河床演变的时间尺度与空间 尺度侧重点不同来看，河床演变分析包括河床时序演变分析与空间演变分析。 ( 1 ) 河床时序演变分析 河床演变是个历史过程，河床形态是河流经历长期历史演变的产物。河床时 序演变分析是从时间尺度分析河床在一个较长时期内的变化过程。河床时序演变 分析有利于了解河床演变总趋势并对未来河床演变趋势作一定的分析判断。 河床时序演变分析侧重河床演变趋势分析，一般需要多时期的河道历史地形 资料，资料时间序列越长，分析结果越可靠。具体方法是将收集到的历年河道地 形资料缩放为同一比例尺后套绘在一张图纸上进行详细比较。通过比较，能够清 楚看到河道在资料时期内的变化过程，进而分析河道在该时期内的变化规律，并 对下个时期河道变化趋势作一定判断。 ( 2 ) 河床空间演变分析 9 河海大学硕士论文 河床演变是个空间变化过程。河床空间演变分析是从空间尺度分析河床在不 同时期内的变化差异。主要包括纵向变形分析与平面变形分析。 纵向变形分析是分析河床在不同时期内的冲淤变化。主要是根据历年来实测 的河道地形数据绘制河床高程变化图。将不同时期的变化图叠加在一起就可以清 楚的显示河床纵向的冲淤变化。如河床高稗逐年抬高，说明河段该时期内河床在 不断淤积；相反，河床高程逐年降低，说明河段该时期内河床在不断的冲刷。 平面变形分析是分析河床在不同时期内的平面位置位移变化。主要依据实测 的河道地形图进行。将测绘的历次地形图套绘在同一图纸上，然后进行比较，即 可清楚的显示出河床、f 面变形的趋势。根据研究问题的不同，一般下面变形分析 的对象和范围也不同。如果要了解全河段的平而变形，就需要套绘全河段的地形 图，如果只要了解局部地形要素，如岸边线、深泓线、边潍、心洲等的5 f 面变形， 可以只套绘这些局部位置的地形图。 2 2 2 空间分析方法 空间分析( s p a t i a la n a l y s i s ，s a ) 是地理学的精髓，是为解答地理空间问题 而进行的数据分析与挖掘。r o b e r th a i n i n g 曾经对空间分析给出如下定义：“空 间分析是基于地理对象的空间布局的地理数据分析技术” 3 q o 空间分析涉及地理 空间数据的分析、计算、表达等内容，与一般的数据分柝方法不同，它强调事件 或参数的时空变化。空间目标是空间分析的具体研究对象。空间目标具有空间位 置、分布、形态、空间关系( 距离、方位、拓扑、相关场) 等基本特征。不同类 型的空间目标具有不同的形态结构描述。空间分析的分析结果依赖于事件的空间 分布，其根本目标是建立有效的空间数据模型来表达地理实体的时空特性，从而 反映地理实体的内在规律和变化趋势。空间分析是基于地理对象的位置和形态特 征的空间数据分析技术，其口的在于提取和传输空间信息；是地理信息系统的主 要特征，同时也是评价一个地理信息系统功能的主要指标之一：是各类综合性地 学分析模型的基础，为人们建立复杂的空间应用模型提供了基本方法p ”。 传统的空间分析方法包括空间信息量算、空间信息分类、空间信息叠加、网 络分析、邻域分析、地统计分析等多方面。空问插值、探测性数据分析、解释性 分析和确定性数据分析等技术也在不断发展和完善口3 1 。 1 0 第二皋河槽演史空h j 分析建模 2 2 3 空间数据模型 地理信息系统要对自然对象进行描述、表达和分析，首先要建立合理的数据 模型以存储地理对象的位置、属性以及动态变化等信息，合理的数据模型是进行 空间分析的基础c 卅。而空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分 析技术，空间分析方法必然要受到空间数据表示形式的制约和影响。因此在研究 空间分析时，就必须要先考虑卒间数据表示方法和数据模型。 空间数据表示的基本任务是将以图形模拟的空间物体表示成计算机能够接 受的数字形式。空问数据通常分为栅格模型和矢量模型两种基本的表示模型，此 外还有三维数据模型、时空数据模型等等。空间数据模型基本内容包括【”】： ( 1 ) 栅格数据模型。地理空间被划分成规则单元，每个单元称为一个像元， 空间位置由像元的行列号表示。像元的大小反映数据的分辨率，空间物体由若干 像元隐含描述。 ( 2 ) 矢量数据模型。地理空间被看成一个区域，地理要素存在其问。在矢 量模型中，各类地理要素根据其空问形态特征分为点、线、面三类，对实体实施 位置显式、属性隐式的描述。 ( 3 ) 其它数据模型。现在应用的主要有三维数据模型和时空数据模型。三 维数据模型对空间实体的描述在几何坐标上增加了第三维的信息，即垂向坐标信 息。在现在成熟的g i s 软件中，三维数据模型仍为由二维数据添加第三维数据作 为属性而形成，被称为2 5 维数据模型。时空数据模型是对地理对象的表述加入 时间维参数，建立能够对空间对象进行时白j 和空间全面动态描述的数据模型。 2 2 4 空间分析数据源 河道原始数据格式有多种，目前用于转换g i s 数据使用较多的主要包括：河 道测点数据、c a d 测幽与遥感影像。 ( 1 ) 河道测点数据是最原始的河道地形数据，来源于河道实地测量。测点 的经纬坐标由g p s ( 全球定位系统) 提供。测点高程值是测船在该点的水深、实 测水位及其基准面的换算值，水深由测深声纳获取。原始测点数据经过整理后一 般以文本文件或e x c e l 文件存储。测点文件记录了每个测点的x 、y 、z 坐标值， 格式比较简单，内容单一。 河海大学硕士论文 ( 2 ) c a d 测图是河道监测管理部门根据不同时期的河道地形测量数据绘制 的河道电子地图，是目前比较常用的河道地形图。c a d 测图上的内容比较丰富， 有原始测点高程数据、地形等高线，另外还有河道工程建筑物的平面位置图，如 码头、丁坝等。虽然c a d 与g i s 具有一定相似性，如都有空间坐标系统，都能 描述图形数据的拓扑关系，但存在很大差异。在g i s 中空间拓扑关系复杂。在 c a d 中空间拓扑关系简单，仅限于对象坐标位置关系，对象间的拓扑关系实际 上不存在。 ( 3 ) 遥感影像是通过卫星遥测的河道地形栅格数据，包括各种刁i 同分辨率 的遥感影像数据。其本身就是g i s 空间分析的数据源之一，同时也是提取其它数 据的来源。 2 2 5 空间数据整编 在河道监测管理部门中，从有史以来的河道整治过程中，积累了大量河床演 变的历史资料，在河槽演变的空间分析中，首先要对现有条件下的数据进行整编， 并对不矧类型的数据进行配准、叠加，使之适应g i s 空间分析的需要。由于河道 地形有其自身的特点，在进行数据整编时要注意适应。数据整编获得可以使用的 数据，存入空间数据库，供演变分析使用。 ( 1 ) 根据河道测点数据生成不规则三角网( t i n ) 和规则嘲格( r a s t e r g r i d ) 。 由离散点生成t i n 的方法有多种，无论是何种算法，最终连成的三角网的 外围边界均为包含所有离散点的最小凸多边形，该多边形也称为离散点的凸壳。 实际的河道三角网模型边界为一般多边形，常见的边界形状是凹多边形，如果用 边界为凸壳的模型来表达边界为凹多边形的模型，则在凹进的区域内，由于没有 采样数据点而产生较大的失真。而且河道中存在大量的洲、岛以及浅滩，这些地 方也都没有对应的测点信息，进而造成数据失真。因此在河道三角网生成过程中 要进行填岛处理( 即将岛内的数据删除) 和边界处理( 即将凹多边形凹边端点的 连线删除) 【3 6 1 。 直接由离散点生成r a s t e r 的方法主要有：反距离权重法、克里格( k r i g i n g ) 方法、样条函数法和邻域法。由于r a s t e r 是规则网格，在同样初始条件的离散点 分别生成t i n 和r a s t e r 时，t i n 的插值方法精度较高，所以在实际运用中，所 需要的r a s t e r 数据由离散点生成的t i n 数据转换得到。 1 2 第二学河槽演变空h j 分析建横 ( 2 ) 从c a d 图的获取等高线数据和河道岸边线数据。 将c a d 图的地理坐标进行配准，从中提取河道岸边线。 在g i s 空间分析中，等高线是很重要的数据来源。c a d 图中绘制的等高线 包含了制图员对地形的制图综合，比从t i n 或r a s t e r 通过插值方法生成的等高 线更为合理、更准确。但c a d 图仅仪只是幽形，没有g i s 数据的地理坐标和高 程属性，且在绘制过程中，由于种种原因存在等高线断开的情况，需要断线重连 和等高线赋高程值。 通过基于最短距离和最小角度约束的断线连接技术，即完全基于线与线之间 的空间位置关系，将距离最近，沿延长线方向角度变化最小的线进行连接【”。再 通过该区域的t i n 对连接好的等高线赋高程值。 ( 3 ) 从遥感影像提取水边线等信息。 2 3 河床深泓线提取方法 在不l 可的研究中河床深泓线有不同的意义和作用。在水文学中深泓线定义为 “河道各横断面最大水深点的连线”【刈。在以往的 床演变与河道整治中，人工绘 制的深泓线并非是河道各横断面最大水深点的连线，但却能够很好的反映河道的 河势走向。因此，在河床演变和河道整治分析中，河床深泓线是指河流在河道中 主要流经路线在河床中的痕迹。 河床深泓线实际是由一系列的深泓点构成，根据不同精度的数字地形数据和 不同的提取精度要求，获取深泓点并确定它们之间的连接关系，最终获得河床深 泓线。河床深泓线能够通过河道地形的空间分析较好的获得，并为河槽演变分析 提供依据。 2 3 1 栅格d e m 搜索法 由于栅格数据属性显式、位置隐式的特点，可获得整个河道地形r a s t e r g r i d 的每个网格的商程值，建立二维高程矩阵。从中选取一个搜索的初始点，一般选 取二维矩阵中高程最低的点，即整个河道地形的最深点作为初始点，从初始点开 始搜索，提取河床深泓线。 根据不同河段的流向情况，搜索分为向上游和向下游两个方向，循环依次前 进，达到边界条件后停止。紧邻搜索出发点栅格的点不能在一定范围内反映地形 河海大学硕士论文 变化的趋势，经过试验，在搜索时跳跃一格可以获得较好的搜索效果。上下游方 向是针对某个河段的，在实际的搜索操作中，搜索方向可分为东、东南、南、西 南、西、西北、北和东北八个方向，分别编号为1 到8 ( 图2 1 ) 。 6 7 8 5心1 432 图2 - 1 搜索方向示意图 一步搜索的有效范围是一个1 3 1 3 的网格矩阵。每次搜索某个方向五个点， 查看初始点这个方向上五个点的高程，分别为x l 到x 5 ( x 表示搜索方向) ，选取 高程最低的点为备选的深泓线上的点，同时也作为下一次搜索的起始点，前后两 点的连接方向作为下一次搜索的方向。如果同时向8 个方向搜索，很容易出现绕 圈的混乱情况，因此，在往某个固定的方向搜索时，其反方向是不被选取作为下 一阶段的搜索方向的，所以8 个不同的搜索初始方向决定了不同的搜索点原则。 图2 - 2 向东搜索时下一点示意图 1 4 第二章河槽浈变空h j 分析建模 图2 3 向东北搜索时下一点示意图 当搜索方向为向东时，不允许下一个搜索方向向两，如果卜一步搜索方向为 函南向时改为向南，为西北向时改为向北( 图2 - 2 ) 。当搜索方向为向东北时，不 允许下一个搜索方向向西南，如果下一步搜索方向为西向时改为向西e ，为南向 时改为向东南( 图2 - 3 ) 。其它六个方向依次类推。在设定局部搜索方向和初始点 后，栅格d e m 搜索法可以用于局部的副槽搜索；通过对初始点的选取，也可以 用于提取整个河段的深泓线( 图2 - 4 ) 。 图2 - 4 从最深点用搜索法提取深泓线结果图 栅格d e m 搜索法最主要的缺陷是从思路上讲，缺乏大局观，在用于整个河 段提取深泓线时需要人工干预，一般用于局部的副槽搜索。为弥补以一卜的缺陷， 河海大学硕士论文 建立了i 旦| 退机制。在某些方向选择节点上的错误，会将搜索方向带入一个较浅的 区域，这时需要设定同退的高程，向后同退搜索的若干个点，返同后改变节点的 搜索方向，重新开始搜索。 2 3 2 闭合等高线端点法 闭合等高线端点法参考了人绘制河床深泓线的思路。首先获得河道所有的闭 合等高线，建立闭合等高线的拓扑关系，包括等高线之间的包含关系、上下游关 系以及并列关系。然后有找等高线的几何形态的特征点，按照前面的拓扑关系连 线获得河流槽线。可直接获得主槽、副槽关系。 ( 1 ) 闭合等高线端点的确定 在数字地形中线是由一系列的点构成的，等高线也小例外，再加上一些数学 方法的平滑、弯曲构成各种各样的线。可以认为闭合等高线是由一系列的点按顺 时针或逆时针的顺序连接而成，闭合等高线的端点可以近似认为就存在于这些端 点中。这些端点按构成等高线的顺序连接成一个多边形，通过这个概化的多边形 来通过程序确定闭合等高线的端点。 从最概括的状态来看这个等高线多边形是x 方向长度占优还是y 方向长度 占优( 图2 5 ) 。通过等高线的形状判断，大致确定了等高线顶点的方位是在闭合 等高线的左右方向还是上下方向，也可能存在两个端点分别是x 方向占优和y 方向占优的情况，则分别在占优的方向考虑。通过占优方向的角度比较，获得两 个深泓点。在获取角度时，要注意整个闭合等商线的连线旋转方向，注意多边形 本角和3 6 0 度的补角的关系：同时，在进行角度比较时，对于两点距离特别靠近 的情况要剔除一点，而避免这种角度判断错误。此时获得的深泓点还没有上下游 关系，还需要在确定等高线拓扑关系时通过判断与父节点等高线上下游深泓点的 关系来判断。 ( x 型等高线) 图2 - 5 等高线形状类型 ( y 型等高线) ( 2 ) 闭合等高线的拓扑关系 通过等高线的包含关系，建立树型结构的索引，通过这个索引来确定搜索出 的等高线应该如何连接。建立的索引是个多叉树，从上向下高程依次变深，树的 每一层的高程相同。搜索时从最下层搜索开始，同父节点的等高线之问提取的深 泓线先连。 由于a r c g i s 本身的属性表不能体现等高线之间的拓扑关系。在等高线图层 的属性表中添加p a r e n t o i d 字段( 如表2 1 ) ，用来记录包含本等高线的外圈等高 、 线的o b j e c t i d ，使不同高程的闭合等高线能建立相互之间的包含关系。 o a j e c t i d1 0 b j e e li d el g - e o m e t r 7 i d t o r ti i t t t g e r c o x t t o _ t r d o u b l s h p t l e n t h d o l b l h r e a t o r dl o n gi n t l s r 表2 - 1 等高线图层属性表字段 通过o b j e c t i d 和p a r e n t o i d 两个字段，可以建立所有等高线之间的包含和 被包含的拓扑关系。在程序中建立如下结构的基础类c t r e e n o d e ： c l a s sc t r e e n o d e ：p u b l i cc o b j e c t 河海大学硕士论文 p u b l i c ： c t r e e n o d e 0 p f i r s t c h i l d = n u l l ； p n e x t s i b l i n g = n u l l ； p p a r e n t = n u l l ； v i r t u a l - - c t r e e n o d e 0 ； p u b l i c ： c t r e e n o d e + p f i r s t c h i l d ；本节点的第一个孩子节点 c t r e e n o d e + p n e x t s i b l i n g ；本节点的第一个兄