張紅忠,崔龍,唐新軍
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052)
基于DEM的泥石流堆積物產(chǎn)量計算方法的探討
張紅忠?,崔龍,唐新軍
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830052)
分析、討論了泥石流堆積物產(chǎn)量的各種計算方法,并基于DEM法的計算原理,針對新疆烏恰縣境內(nèi)泥石流堆積物產(chǎn)量進(jìn)行了實際計算,證明了DEM法在計算泥石流堆積物產(chǎn)量中的可行性。
泥石流堆積物產(chǎn)量;數(shù)字高程模型;不規(guī)則三角網(wǎng);體積;DEM;TIN
新疆地處歐亞大陸腹地,由于三山加兩盆的特殊地貌條件及溫帶大陸性氣候的影響,導(dǎo)致該地區(qū)干旱少雨,森林、草地嚴(yán)重退化。特別是山區(qū),地勢險峻,山體坡度大,其上植被極不發(fā)育,致使巖石破碎裸露,生態(tài)環(huán)境極為脆弱。同時由于山區(qū)降水比較集中,致使我區(qū)泥石流也比較發(fā)育,成為一種常見的自然災(zāi)害,其發(fā)展的范圍和頻率逐年增大,所帶來的危害也越來越嚴(yán)重。因此,開展泥石流災(zāi)害的監(jiān)測與防治,不僅對保障人民生命和財產(chǎn)安全具有十分重要的現(xiàn)實意義,而且對泥石流研究也具有重要價值。泥石流堆積物產(chǎn)量作為泥石流研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一,無論是對泥石流成因的分析、發(fā)育程度的判斷,還是對泥石流可能的災(zāi)害規(guī)模預(yù)測都具有重要參考價值。
泥石流堆積物產(chǎn)量是指一次泥石流發(fā)生后在地表形成的泥沙淤積層的總量,即體積。泥石流堆積物產(chǎn)量的計算,主要是利用泥石流發(fā)生前、后的地形圖,在計算范圍內(nèi)根據(jù)泥沙淤積層的厚度來進(jìn)行計算,常用的方法有格網(wǎng)法、斷面法、數(shù)字高程模型(DEM)法。
圖1 格網(wǎng)法計算原理
1.1 格網(wǎng)法
首先在地形圖上根據(jù)泥石流堆積物范圍繪制方格網(wǎng),方格網(wǎng)邊長可根據(jù)計算精度要求及地形圖比例尺自行確定。利用地形圖上的等高線或高程點分別求出方格網(wǎng)各角點在泥石流發(fā)生前、后的不同高程,兩個高程之差即為該角點處泥沙淤積層的厚度。任意一個格網(wǎng)的體積為:
則整個泥石流堆積物產(chǎn)量為:
格網(wǎng)法計算原理簡單明了,易于計算機編程,缺點是計算精度偏低,無論是采用四角棱柱計算還是采用三角棱柱計算,精度均不理想。一般適用于地面平坦、精度要求不高場地,多用于概算。
圖2 斷面法計算原理
1.2 斷面法
在地形圖上,以一定的間距等分場地,將場地劃分為若干相互平行的橫截面,兩個相鄰斷面間體積:
其中:Vi為任意兩個相鄰斷面間體積;
Si、Si+1為任意兩條相鄰斷面面積;
DEF、ABC為泥石流發(fā)生前、后的地面線;
h為相鄰斷面間距。
整個泥石流堆積物產(chǎn)量為:
斷面法計算簡單,精度取決于橫斷面密度,其缺點是求面積工作量大,數(shù)據(jù)容易在計算時帶來較大的誤差,特別是地形較復(fù)雜時,算出的面積值誤差會很大。一般只適用于山地及高差變化比較大、自然地面較復(fù)雜的狹長地帶。
1.3 數(shù)字高程模型(DEM)法
數(shù)字高程模型(DEM)是數(shù)字地面模型(DTM)的一種,DEM以數(shù)字的形式按一定的結(jié)構(gòu)組織在一起,表示實際地形的高低起伏等特征。DEM主要有規(guī)則格網(wǎng)(Grid)與不規(guī)則格網(wǎng)兩種表現(xiàn)形式,而不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)是不規(guī)則格網(wǎng)中最重要的一種形式。TIN通過由不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點生成的連續(xù)三角面來逼近地形表面。從表達(dá)地形信息的角度而言,TIN模型的優(yōu)點是它能以不同層次的分辨率來描述地形表面,即TIN的三角形隨點集密度變化而變化,當(dāng)點集密集時生成的三角形小而密,稀疏時生成的三角形大而疏。這與實際的地形特征恰好一致,因其能夠較好地反映實際地形信息而得以廣泛使用,其函數(shù)表示如下:
其中:xi,yi為地面上任意一點的平面坐標(biāo);
Zi為點(xi,yi)對應(yīng)的高程。
DEM法計算泥石流堆積物產(chǎn)量的基本原理是基于二重積分。如圖3所示,泥石流堆積物產(chǎn)量計算范圍相當(dāng)于xoy平面上的區(qū)域D,P2、P1分別對應(yīng)于泥石流發(fā)生前、后的地面。用均勻柵格將地面等分,設(shè)DEM分辨率(柵格大小)為S,P1對應(yīng)的地面方程為:
P2對應(yīng)的地面方程為:
圖3 DEM法計算原理
則圖3中所示曲頂柱體體積為:
當(dāng)柵格很小時,由于f(xi,yi)連續(xù),對于同一個小區(qū)域來說,f(xi,yi)變化很小,這時小曲頂柱體可近似看作平頂柱體,此時體積公式變?yōu)?
整個泥石流堆積物產(chǎn)量為:
DEM法的計算雖然較復(fù)雜,但可通過程序或軟件進(jìn)行求解,常見的地理信息系統(tǒng)(GIS)軟件如ArcGIS、MapGIS、SurperMap、GeoStar、MapInfo等,均可實現(xiàn)此功能,計算時只需輸入相關(guān)參數(shù),即可快速得到運算結(jié)果,人工干預(yù)少,計算精度高。理論上說,基于DEM的體積計算法適用于任何地形。
通過以上對比可發(fā)現(xiàn),DEM法由于較強的適用性、較高的計算精度,非常適宜泥石流堆積物產(chǎn)量的計算。下面通過一工程實例來說明DEM法的具體運用。
2.1 計算區(qū)域介紹
本次計算區(qū)域選在新疆烏恰縣境內(nèi)克孜河恰爾阿依格爾溝入河口處,工程區(qū)中心位于E80°38′37″、N39°38′22″,泥石流堆積物產(chǎn)量的計算范圍為圖4中所示多邊形。
圖4 工程區(qū)計算范圍
2.2 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備及轉(zhuǎn)換
泥石流發(fā)生區(qū)域有2006年8月1∶5 000及2007年10月1∶2 000數(shù)字地形圖各一份,將其Point數(shù)據(jù)及PolyLine數(shù)據(jù)依次加載進(jìn)入ArcGIS中,經(jīng)檢查無誤后轉(zhuǎn)換為ArcGIS中通用的shapefile格式,共生成四個shapefile要素類。
2.3 DEM數(shù)據(jù)的生成
利用轉(zhuǎn)換的Point與PolyLine數(shù)據(jù)共同來生成DEM,這樣更接近于實際地表,能夠較好地表現(xiàn)出地表坡度的突變,如陡坎、懸崖等。生成的DEM如圖5~圖8所示。
圖5 泥石流發(fā)生前地表三維模型
圖6 泥石流發(fā)生前地表TIN模型
圖7 泥石流發(fā)生后地表三維模型
圖8 泥石流發(fā)生后地表TIN模型
2.4 泥石流堆積物產(chǎn)量的計算
選用ArcGIS中的Cut/Fill工具,Before surface指定為泥石流發(fā)生前生成的DEM數(shù)據(jù),After surface指定為泥石流發(fā)生后生成的DEM數(shù)據(jù)。生成圖9所示柵格圖,圖中深色部分表示淤積深度大于零的區(qū)域,淺色部分表示淤積深度小于零(即沖刷)的區(qū)域。打開圖9所示柵格圖屬性表(Attribute Table),可查看包括柵格數(shù)、柵格面積、體積等數(shù)據(jù)在內(nèi)的詳細(xì)信息,如圖10所示。表中VOLUME字段即泥石流發(fā)生前、后地表各區(qū)域體積的變化量,小于零表示淤積,大于零表示沖刷。對該表VOLUME字段值按大于零、小于零兩種情況分別進(jìn)行統(tǒng)計,可得到泥石流發(fā)生范圍內(nèi)總的沖刷量為108 737.281 m3,淤積量為1 459 190.964 m3。
圖9 計算結(jié)果柵格圖
圖10 柵格屬性表
現(xiàn)采用格網(wǎng)法,以不同方格大小,利用手工進(jìn)行了重新計算,計算結(jié)果如表1所示。
從上表1可看出,當(dāng)手工計算采用的方格逐漸減小時,計算的結(jié)果逐漸趨近于ArcGIS計算的結(jié)果,但計算工作量顯著增大,計算成本遠(yuǎn)高于ArcGIS。以上的對比說明,基于DEM數(shù)據(jù)計算泥石流堆積物產(chǎn)量在效率上具有手工計算無法比擬的優(yōu)勢,在精度上是可信的。
基于DEM數(shù)據(jù)計算泥石流堆積物產(chǎn)量,計算精度理想,成果可靠,自動化程度較高,但在實際應(yīng)用時需注意以下幾點:
(1)泥石流發(fā)生前、發(fā)生后地形圖的計算區(qū)域及相應(yīng)的坐標(biāo)系、高程系應(yīng)完全一致,否則在計算時會產(chǎn)生較大的粗差。
(2)計算所用地形圖在轉(zhuǎn)入ArcGIS前應(yīng)進(jìn)行必要的檢查,如檢查各高程點、等高線的Z值是否等于相應(yīng)的高程,此外應(yīng)將與計算無關(guān)的線條及符號刪除,如各種地形線,地類界,建筑物等等。
(3)本計算中在調(diào)用Cut/Fill工具時曾對比了輸入不同柵格分辨率(Output cell size)情況下的計算結(jié)果和精度,發(fā)現(xiàn):在柵格分辨率大于所用地形圖比例尺精度時,柵格分辨率輸入值越小計算精度越高,但當(dāng)柵格分辨率小于所用地形圖比例尺精度時,較小的柵格分辨率輸入值并不能提高計算精度。因此,在輸入柵格分辨率時應(yīng)根據(jù)所用地形圖的比例尺及等高距等情況酌情輸入,輸入過小數(shù)值無助于精度的提高。
計算結(jié)果的對比 表1
[1] 湯國安,楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京:科學(xué)出版社,2006
[2] 吳秀芹.ArcGIS 9地理信息系統(tǒng)應(yīng)用與實踐[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007
[3] 宋小冬,鈕心毅.地理信息系統(tǒng)實習(xí)教程[M].北京:科學(xué)出版社,2007
[4] 朱長青,史文中.空間分析建模與原理[M].北京:科學(xué)出版社,2006
[5] 慕永峰,朱昌勇,李建.三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)DTM的土方計算及應(yīng)用[J].測繪工程,2000,9(1):52~56
[6] 柳長順,齊實,杜麗娟.土地整理項目土方量計算方法[J].中國水土保持科學(xué),2003,1(2):77~79
[7] 劉春涌,許英,鄭潔.新疆泥石流成因類型和分布規(guī)律[J].新疆環(huán)境保護(hù),2000,22(1):020~025
[8] 馬東濤,崔鵬,楊坤.新藏公路新疆段泥石流災(zāi)害初探[J].干旱區(qū)地理,2003,26(4):349~354
[9] 柳長順.Arcview在土地整理項目土方量計算中的運用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2003,19(2):224~227
Based on the Debris Flow Deposits DEM Calculation Method of Production
Zhang HongZhong,Cui Long,Tang XinJun
(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China)
This paper discussed the production of debris flow deposits of various calculation methods.And the calculation method based on the principle of DEM.Wuqia County in Xinjiang for debris flow deposits yield a practical calculation.DEM method proved debris flow deposits in the calculation of the feasibility of production.
Debris flow deposits yield;Digital elevation model;Irregular triangular;Volume;DEM;TIN
1672-8262(2010)06-103-04
P209
B
2010—06—27
張紅忠(1976—),男,助教,主要從事地理信息系統(tǒng)及遙感方面的教學(xué)和研究。
新疆水利水電工程重點學(xué)科項目資助(xjzdxk-2002-10-05)