一种基于不同比尺河道地形图计算冲淤量的方法与流程

1.本发明是一种基于不同比尺河道地形图计算冲淤量的方法，涉及水利工程、航道整治等相关领域。


背景技术：

2.河道冲淤量是判别河道特性的重要参数，是工程方案布置和河道整治研究的基础数据。河道冲淤量的确定通常采用两次不同时间测量的水下地形图进行对比分析得到，但由于水下地形图的获取较为困难，费时且花费巨大，故而在分析河道冲淤量时常采用已有的水下地形图资料。
3.由于已有的水下地形图资料的测量用途和测量单位通常与现阶段测量的不一致，导致两次测量的地形图的比尺相差较大，如已有的地形图比尺可能是1:10000，而现阶段测量的地形图可能是1:1000。两幅地形图的比尺相差10倍，也就是说两幅地形图的精度以及数据点量存在巨大的差异。
4.传统意义上地形图求解冲淤量是将两张不同地形图数据提取出来，分别插值到同一套网格上，然后在这一套网格上进行冲淤量计算。由于两套原始地形图的高程点数据量不同，插值到同一套网格上的精度也会不同，人为引入了误差，会导致计算的冲淤量误差较大。不同比尺的水下地形图高程点精度存在差异，传统的冲淤量计算方法没有考虑地形图比尺差异的影响，直接将高程数据插值到同一套网格中。由于小比尺模型高程数据点少，插值到网格时，相当于是将小比尺图变为大比尺图，人为增加了不准确的高程信息，导致计算的冲淤量不准确。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于提供一种基于不同比尺河道地形图计算冲淤量的方法，解决和处理河床冲淤量问题，使其能更好服务水利工程实际应用中。
6.为了实现上述目的，本发明的一种基于不同比尺河道地形图计算冲淤量的方法，包括：
7.步骤1，定义大比尺和小比尺地形图，大比尺地形图为地形图a，小比尺地形图为地形图b；
8.步骤2，提取地形图a和地形图b的三维地形数据，并进行编号，地形图a的高程点空间坐标为x1(j)，y1(j)，z1(j)，其中x1(j)、y1(j)代表平面坐标，z1(j)代表高程，编号j为1，2
……
k1；地形图b的高程点空间坐标为x2(i)，y2(i)，z2(i)，其中x2(i)、y2(i)代表平面坐标，z2(i)代表高程，编号为1，2
……
k2；
9.步骤3，计算地形图b中第i#高程点与地形图a中所有点的平面距离d
ij
，下标i表示地形图b中的第i#高程点，下标j表示地形图a中的任意一高程点；
10.步骤4，将地形图a的k1个地形数据点作为数据源，将地形图b的k2个地形数据点作为插值对象；
11.步骤5，重复步骤4中的插值方法，得到地形图b中每一个点的新的高程编号为1，2
……
k2；
12.步骤6，此时，已基于大比尺地形图a与小比尺地形图b构造了新的地形图c，地形图c的高程点空间坐标为x2(i)，y2(i)，编号为1，2
……
k2；新地形图c的比尺、高程点数、高程点位置与小比尺地形图b完全相同，新地形图c的高程与大比尺地形图a的高程一致；
13.步骤7，将地形图c中的散点高程与地形图b中对应的散点高程相减，得到与地形图b比尺、高程点数、高程点位置完全相同的小比尺地形差值图d；
14.步骤8，将需要统计冲淤量的区域划分为不重叠的四边形网格，记录网格节点编号和网格编号；
15.步骤9，以地形差值图d的高程差值为数据源，将其插值到四边形网格节点上，并计算每个四边形网格单元的平均冲淤厚度；
16.步骤10，计算每个四边形网格的面积，将面积与平均冲淤厚度相乘即得到每个四边形上的冲淤体积；
17.步骤11，将每个四边形的冲淤体积相加即得到河道的冲淤体积。
18.进一步地，所述的步骤1中，具体为：设定地形图a的平面比尺为1：n，地形图b的比尺为1：m，n和m均为自然数，若n小于m(即)则称地形图a为大比尺地形图，则称地形图b为小比尺地形图。
19.进一步地，所述的步骤2中，具体为：对于任意两幅不同比尺的河道地形图，地形图a和地形图b，从cad图中提取两幅地形图的三维地形数据，将小比尺地形图b中的数据点的平面位置作为新构造的地形图c的高程点的位置，保证构造的地形图c的比尺与地形图b相同。
20.进一步地，所述的步骤4中，所述的平面距离d
ij
计算如下：
[0021][0022]
式中，i取值范围1，2
……
k2，j取值范围1，2
……
k1。
[0023]
进一步地，所述的新地形图c高程的计算方法为：选取d
ij
最小的5个点作为数据源，对应的距离和高程分别记为lr和er，r取值为1、2、3、4、5；对地形图b中第i#的高程进行插值，插值方法如下：
[0024][0025]
进一步地，所述的步骤5中，具体为：计算地形图b每一个高程点的高程，得到一批新的高程数据点x2(i)，y2(i)，i是从1，2
……
k2的自然数；此时，已构建了地形图c，地形图c与地形图b的高程点个数相同，平面位置相同；地形图c的高程由于是通过地形图a插值得到的，认为与地形图a的高程相同。
[0026]
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于不同比尺河道地形图计算冲淤量
的方法，在实际情况中，读取相关河床地形图的地形数据；再以大比尺地形图作为数据源，小比尺的地形数据为插值对象，进行插值，将大比尺地形图转化为新的小比尺地形图；基于相同比尺的地形图进行河道冲淤量计算，减少不同比尺地形图计算带来的误差本发明将大比尺模型直接转化小比尺地形图，可以很准确得到小比尺图的高程数据，并构造出河道冲淤变化的小比尺地形图，采用该图可以很准确统计出河道的冲淤变化量。
附图说明
[0027]
图1为一种基于不同比尺河道地形图准确计算冲淤量的流程图；
[0028]
图2为研究区域的四边形网格；
[0029]
图3为不同比尺转换后的河道冲淤变化云图，大于0代表淤积，小于0代表冲刷。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。
[0031]
一种基于不同比尺河道地形图计算冲淤量的方法，包括如下步骤：
[0032]
步骤1：定义大比尺和小比尺地形图。设定地形图a的平面比尺为1：n，地形图b的比尺为1：m，n和m均为自然数，若n小于m(即)则称地形图a为大比尺地形图，则称地形图b为小比尺地形图；
[0033]
步骤2，提取两幅地形图的三维地形数据，并进行编号。对于两幅不同比尺的河道地形图(地形图a和地形图b)，从cad图中提取两幅地形图的三维地形数据，地形图a的总共地形高程点数为k1，地形图b的总共地形高程点数为k2。将地形图a中任意一高程点三维地形数据记为x1(j)，y1(j)，z1(j)，其中x1(j)为地形图a中第j#高程点的x轴方向的坐标，y1(j)为第j#高程点y方向轴的坐标，z1(j)为第j#高程点的高程(即，z轴方向的坐标)。地形图b高程点三维地形数据记为x2(i)，y2(i)，z2(i)，其中x2(i)为地形图b中第i#高程点x轴的坐标，y2(i)为第i#高程点y轴的坐标，z2(i)为第i#高程点z轴的坐标，即地形图b中第i#高程点的高程值。j是从1，2
……
k1的自然数，代表地形图a中点的个数；i是从1，2
……
k2的自然数，代表地形图a和地形图b中点的个数。
[0034]
步骤3，将地形图a的k1个地形数据点作为数据源，将地形图b的k2个地形数据点作为插值对象。
[0035]
步骤4，计算地形图b中第i#高程点与地形图a中所有点的平面距离d
ij
计算如下：
[0036][0037]
式中，i取值范围1，2
……
k2，j取值范围1，2
……
k1，选取d
ij
最小的5个点作为数据源，对应的距离和高程分别记为lr和er，r取值为1、2、3、4、5。对地形图b中第i#的高程进行插值，插值方法如下：
[0038][0039]
步骤5，重复步骤3中的插值方法，计算地形图b每一个高程点的高程，可得到一批
新的高程数据点x2(i)，y2(i)，i是从1，2
……
k2的自然数。此时，已构建了地形图c，地形图c与地形图b的高程点个数相同，平面位置相同；地形图c的高程由于是通过地形图a插值得到的，可认为与地形图a的高程相同。
[0040]
步骤6：此时，已将大比尺地形图a转化为与小比尺地形图b比尺、高程点数、高程点位置完全相同的小比尺地形图c；
[0041]
步骤7，将地形图c中的散点高程与地形图b中对应的散点高程相减，得到与地形图b比尺、高程点数、高程点位置完全相同的小比尺地形差值图d；
[0042]
步骤8，将需要统计冲淤量的区域划分为不重叠的四边形网格，记录网格节点编号和网格编号。
[0043]
步骤9，以地形差值图d的高程差值为数据源，将其插值到四边形网格节点上，并计算每个四边形网格单元的平均冲淤厚度。
[0044]
步骤10，计算每个四边形网格的面积，将面积与平均冲淤厚度相乘即可得到每个四边形上的冲淤体积。
[0045]
步骤11，将每个四边形的冲淤体积相加即得到河道的冲淤体积。
[0046]
本发明对于任意两幅不同比尺的地形图，该方法首先将大比尺地形图a转化为与小比尺地形图b的高程点数、高程点位置完全相同的小比尺地形图c；将地形图c中的散点高程与地形图b中对应的散点高程相减，得到与地形图b比尺、高程点数、高程点位置完全相同的小比尺地形差值图d；根据地形差值图d计算河道的冲淤量。本发明，将大比尺模型直接转化小比尺地形图，可以很准确得到小比尺图的高程数据，并构造出河道冲淤变化的小比尺地形图，采用该图可以很准确统计出河道的冲淤变化量。
[0047]
实施例
[0048]
一种基于不同比尺河道地形图计算冲淤量的方法，包括如下步骤：
[0049]
步骤1，对于给定的两幅地形图a(比尺为1：1000)和地形图b(比尺为1：10000)。分别提取地形图a和地形图b的所有高程数据点。将地形图a中任意一高程点三维地形数据记为x1(j)，y1(j)，z1(j)；地形图b高程点三维地形数据记为x2(i)，y2(i)，z2(i)，其中地形图a的高程数据点有k1个，地形图b的高程点个数为k2个。由于地形图a是大比尺地形图，地形图b是小比尺地形图，故k1大于k2。
[0050]
步骤2，将地形图a的k1个地形数据点作为数据源，将地形图b的k2个地形数据点作为插值对象。
[0051]
步骤3，计算地形图b中i#高程点与地形图a中所有点的平面距离d
ij
计算如下：
[0052][0053]
式中，i取值范围1，2
……
k2，j取值范围1，2
……
k1，选取d
ij
最小的5个点作为数据源，对应的距离和高程分别记为lr和er，r取值为1、2、3、4、5。对图2中i#的高程进行插值，插值方法如下：
[0054][0055]
步骤4，重复步骤3中的插值方法，计算地形图b每一个高程点的高程，可得到一批
新的高程数据点x2(i)，y2(i)，i是从1，2
……
k2的自然数。此时，已构建了地形图c，地形图c与地形图b的高程点个数相同，平面位置相同。此时，已将地形图a的比尺转化为与地形图b比尺相同的地形图c。
[0056]
步骤5，将需要统计冲淤量的区域划分为不重叠的四边形网格，记录网格节点编号和网格编号。
[0057]
步骤6，以地形差值图d的高程差值为数据源，将其插值到四边形网格节点上，并计算每个四边形网格单元的平均冲淤厚度。
[0058]
步骤7，计算每个四边形网格的面积，将面积与平均冲淤厚度相乘即可得到每个四边形上的冲淤体积。
[0059]
步骤8，将每个四边形的冲淤体积相加即得到河道的冲淤体积，最后计算得到整个区域淤积量为10.1万m3。