王 燕，楊國飛，王兆亮

（中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008）

長江河道橫斷面形態(tài)分析

王 燕，楊國飛，王兆亮

（中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇徐州 221008）

提取河道不同時(shí)期、不同位置斷面可了解河流沖淤與河勢。由河道點(diǎn)數(shù)據(jù)通過Spline插值生成DEM，利用ISurface接口提取斷面線生成斷面，根據(jù)斷面面積變化進(jìn)行沖淤分析。與長江澄通段實(shí)際河勢對比顯示，河段四處提取的斷面能很好地反映河勢變化。

河流斷面；ArcEngine；斷面分析

90年代起，國內(nèi)一些研究人員開始研究利用 GIS技術(shù)研究斷面分析與河床的沖淤計(jì)算，岸灘演變情況。GIS中主要用數(shù)字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）數(shù)據(jù)來描述地面起伏狀況，它們可以用于提取各種地形參數(shù)，如坡度、坡向、粗糙度等，并可進(jìn)行通視分析、斷面提取等應(yīng)用分析[1]。傳統(tǒng)河床演變分析方法中的斷面分析主要是針對固定斷面來進(jìn)行,分析過程是根據(jù)固定斷面的實(shí)測地形資料繪制河道斷面圖，處理數(shù)據(jù)的工作量較大，分析依賴斷面實(shí)測資料的完整性[2]。近來提取斷面所采用的方法有雙線性插值法[3]、CAD編程輸出法[4]、斷面自動(dòng)識別法[5]等，這些方法數(shù)據(jù)復(fù)雜，算法繁瑣，實(shí)際應(yīng)用中的適應(yīng)性受到限制。本文以ArcEngine為開發(fā)平臺，利用其強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)斷面的提取。此方法具有工作量小，耗費(fèi)低、實(shí)現(xiàn)迅速等優(yōu)點(diǎn)。

1 澄通段概況

本文以長江澄通段為研究對象。長江澄通河段上起鵝鼻咀，下至徐六涇,全長96.8 km。該河段受徑流和潮汐雙重作用，具有河道寬闊彎曲、漢道眾多、水沙動(dòng)力條件復(fù)雜、河道沖淤多變等特點(diǎn)。近年來局部水域已出現(xiàn)了一些不利于河勢穩(wěn)定、防洪（潮）安全以及兩岸國民經(jīng)濟(jì)設(shè)施正常運(yùn)行的新變化，因此，迫切需要根據(jù)新的情況，研究澄通段近年來的沖淤變化，為沿岸地區(qū)經(jīng)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造有利的河勢條件。

2 方法及實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

河道斷面依賴于原始河道野外點(diǎn)布設(shè)實(shí)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)進(jìn)一步的插值處理，生成連續(xù)的地形數(shù)據(jù)。常用來進(jìn)行斷面提取的數(shù)據(jù)主要有DEM、等高線、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN Triangulated IrregularNetwork）等。

本文以長江澄通段實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用 ArcEngine提供的IInterpolationOp2接口插值生成DEM。IInterpolationOp2接口對象類封裝了所有插值方法（如圖1所示），比較常用的有反距離權(quán)重插值（IDW）和克呂格插值（Krige），樣條插值（Spline）廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械工程中。以Spline插值方式為例（見式（1）），需設(shè)置好插值所需的參數(shù)和環(huán)境參量。

圖1 IInterpolationOp2接口類的不同插值方法

pFCD為待插值的點(diǎn)數(shù)據(jù)，esriGeoAnalysisRegularizedSpline為樣條函數(shù)插值的類型，pOutputDatasetpline為插值結(jié)果（如圖2所示）。通過多次分析比較，較為理想的插值模型為輸出半徑為20m的Spline插值。

2.2 提取河道斷面

Arc Engine開發(fā)包提供了斷面獲取模型，通過ISurface獲得的斷面線是帶有Z|M值的三維多義線，斷面線的可視化界面是平面的Mapcontrol控件，三維的斷面線無法顯示出縱向的起伏變化。因此先獲取斷面點(diǎn)集中各點(diǎn)的Z值和X值，重新定義點(diǎn)的平面坐標(biāo)，以距離左岸邊界線的距離為X值，以Z值作為Y值。為突出效果將各點(diǎn)坐標(biāo)整體放大25倍；由投影過的點(diǎn)生成多義線[6]，形成一條不封閉的斷面線。

圖2 Spline插值結(jié)果分級渲染圖

為得到斷面需添加0m線封閉斷面線。0m線表示海平面，也是海岸線[7]。這里0 m 線是指靜止的河流鏡面。將生成的斷面保存到數(shù)據(jù)庫中，為斷面分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 斷面沖淤分析

在決策應(yīng)用中，人們想知道哪個(gè)岸邊發(fā)生了沖淤，以期為后期的水工建筑修建和坡岸護(hù)理提供幫助[7]。文中定制一條分界線，稱為中央垂線（指經(jīng)過斷面 0 m線中點(diǎn)與河底垂直的線段），以此垂線為中心，左邊為河流左岸，右邊為河流右岸，通過計(jì)算左右岸斷面面積的變化了解沖淤情況[8]。對長江澄通河段一點(diǎn)位的斷面進(jìn)行沖淤分析，結(jié)果如表1所示。

表1 斷面的沖淤變化

前后期斷面總體呈淤積趨勢，其中右岸沖刷，左岸淤積。斷面線投影過程中已將坐標(biāo)擴(kuò)大25倍，數(shù)值具有參考價(jià)值。

2.4 斷面形態(tài)研究

在如圖3所示的4個(gè)點(diǎn)位截取斷面，1號點(diǎn)河段順直，2號點(diǎn)深泓位于右岸，3號點(diǎn)深泓位于左岸，4號點(diǎn)河道呈分汊游蕩形態(tài)。

圖3 斷面線分布圖

圖4中各斷面按順時(shí)針向分別對應(yīng)于圖3中四處的斷面。左上角的斷面較為對稱，對應(yīng)的河道應(yīng)為順直型；右上角的斷面形態(tài)呈現(xiàn)不對稱三角形，深泓點(diǎn)位于河流左岸，對應(yīng)的河道應(yīng)向左岸彎曲；左下角的斷面較為平緩，高程變化不大，但在右岸有最深點(diǎn)，對應(yīng)的河道彎向右岸；右下角的斷面沒有規(guī)則的幾何形態(tài)，呈現(xiàn)出游蕩型斷面，對應(yīng)的河道形狀為游蕩形態(tài)。結(jié)合圖 3可知，文中所采取的斷面提取方式是正確可靠的，由其得出的河勢變化與實(shí)際情況一致。

圖4 1-4號點(diǎn)位斷面形態(tài)圖

3 結(jié) 語

本文從河道DEM數(shù)據(jù)中提取出了河道斷面,并進(jìn)行斷面沖淤分析；根據(jù)斷面形態(tài)推測河勢，得出結(jié)果與實(shí)際相符，證實(shí)文中斷面提取方法是合理的。基于斷面的分析功能還有很大的提升空間，可把分析工具分成更多模塊系統(tǒng)，如坡度穩(wěn)定性分析、深泓線擺動(dòng)分析、斷面形狀與坡度穩(wěn)定性之間的關(guān)系分析等。

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[8] Haining Robert.Spatial Data Analysis[M].Cambridge University Press,2003

Cross-section Morphology Analysisof the Yangtze River

by WANG Yan

Extracting different historical period cross-sections at different locations could capture river flushesand siltation。Thispaperachieved creating DEM by the river point data through the Spline interpolation,extracting the cross section lines by using the ISurface interface to generate sections,implementing flushes and siltation analysisby copulating the cross-sections'areas.Theshapeof cross-sections,extracted atdifferent locations in the Yangtze River,according to theactualstyleof riverpotentialevolution,react the river situation very well.

cross-section，A rcEngine，cross-section analysis （Page:120）

P258

B

1672-4623(2011)02-0120-02

2010-11-08

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40901191）。

王燕，碩士，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)二次開發(fā)。