周洪葉，鄭淑倩（.同濟(jì)大學(xué)，上海，0009；.浙江華東測(cè)繪地理信息有限公司，浙江杭州，3004）

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壩前淤積及壩后沖刷監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

周洪葉1，鄭淑倩2
（1.同濟(jì)大學(xué)，上海，200092；2.浙江華東測(cè)繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014）

壩前淤積及壩后沖刷監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)以多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)為重要數(shù)據(jù)源，采用C#結(jié)合ArcEngine組件式開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下沖刷淤積變化的智能化監(jiān)測(cè)分析。該系統(tǒng)已投入觀音巖水電站應(yīng)用，結(jié)果表明該系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)水下信息挖掘和提取方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

水下地形；沖刷淤積；庫容曲線；組件式開發(fā)

0　引言

水庫作為重要的水利工程，起到蓄水發(fā)電、提供生活和飲用水源、灌溉、水上運(yùn)輸、防洪調(diào)度和調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等重要作用。但是庫區(qū)蓄水往往會(huì)帶來泥沙沉積的困擾，尤其在我國(guó)河流泥沙含量較高的地區(qū)，水庫淤積現(xiàn)象普遍存在。庫內(nèi)淤積對(duì)水利水電工程的安全運(yùn)行構(gòu)成直接的威脅，在水庫上游河道，淤積抬高河床，坡降和流速減小，河槽過水能力降低。在水庫下游河道，水庫下泄清水，下游河床由于沖刷而普遍下切，水位隨之下降，不利于大壩和沿河建筑物的基礎(chǔ)。因此，若能及時(shí)獲知水下地形時(shí)空變化情況，對(duì)保障水利設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)庫區(qū)淤積及壩后沖刷基本采取斷面測(cè)量或地形測(cè)量方式進(jìn)行，管理單位對(duì)測(cè)繪報(bào)告采取分期存放。在進(jìn)行淤積分析時(shí)，常規(guī)方法主要對(duì)最近期和首期資料進(jìn)行對(duì)比分析并出具報(bào)告，無法直觀地獲取淤積和沖刷部位及量的描述。本系統(tǒng)通過對(duì)多期地形數(shù)據(jù)的比較分析，可快速獲取沖刷淤積量，還能通過三維展示，直觀并定位定量地展現(xiàn)沖刷淤積分布情況。

1　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

1.1系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過對(duì)需求分析的歸納整理，壩前淤積及壩后沖刷監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)分4個(gè)功能區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

（1）數(shù)據(jù)管理：采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 2008管理水下地形數(shù)據(jù)；

（2）地圖基本操作：支持?jǐn)?shù)據(jù)瀏覽以及信息查詢等基本操作；

（3）分析計(jì)算：實(shí)現(xiàn)地理空間分析、壩前淤積監(jiān)測(cè)分析、壩后沖刷監(jiān)測(cè)分析、庫容曲線計(jì)算等功能；

（4）三維展示：構(gòu)建水下三維場(chǎng)景，并支持多角度多方位的場(chǎng)景展示。

1.2軟件支撐環(huán)境

該系統(tǒng)支持Windows XP以及Windows7操作系統(tǒng)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server 2008管理水下地形數(shù)據(jù)集。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面主要基于Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺(tái)，采用C#結(jié)合ArcEngine組件式開發(fā)技術(shù)。

1.3數(shù)據(jù)管理

本系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)源包括研究區(qū)水下多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)集和斷面復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)。兩者通常以文本形式存儲(chǔ)，適用于數(shù)據(jù)量較少的情況。但面對(duì)多區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)方法暴露出易丟失、查找過程耗時(shí)長(zhǎng)等弊端。因此，系統(tǒng)采用SQL Server 2008對(duì)不同區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分庫管理。另外，在定制數(shù)據(jù)管理方案時(shí)，根據(jù)多波束數(shù)據(jù)和斷面復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)各自的特性，采用了不同的管理方式：多波束采集的數(shù)據(jù)量往往較大，需要為每一次的測(cè)量成果分別建立數(shù)據(jù)表，并記錄各個(gè)點(diǎn)的（X，Y，Z）空間坐標(biāo)信息；斷面復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，可以將所有信息存儲(chǔ)在一張表中，每條記錄對(duì)應(yīng)指定時(shí)刻某個(gè)斷面所有點(diǎn)的距離、高程信息（詳見表1）。

表1　斷面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式說明Table 1 Note on the storage format of the sectional data

系統(tǒng)結(jié)合多波束測(cè)深技術(shù)以及ArcEngine組件式開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“生成點(diǎn)shp文件→構(gòu)建TIN→輸出DEM”，最終得到的DEM是水下地形變化監(jiān)測(cè)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2　應(yīng)用功能的開發(fā)

2.1沖刷淤積量的計(jì)算

沖刷淤積量是評(píng)價(jià)庫區(qū)水下地形變化的重要參數(shù)。在壩前淤積及壩后沖刷監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)中，采用了剖面法和模型法來計(jì)算沖刷淤積量。

2.1.1剖面計(jì)算法

剖面計(jì)算法的基本原理是通過比較庫區(qū)內(nèi)多個(gè)斷面不同時(shí)期的曲線圖，計(jì)算出各個(gè)斷面沖刷區(qū)和淤積區(qū)的分界點(diǎn)，從而得到每個(gè)斷面位置對(duì)應(yīng)的沖刷面積和淤積面積，相鄰兩個(gè)斷面采用梯形面積計(jì)算法統(tǒng)計(jì)該區(qū)段的沖刷量、淤積量，最終將各區(qū)段的統(tǒng)計(jì)值累加得到整個(gè)庫區(qū)的沖刷淤積量。

斷面法通常以人工計(jì)算為主，過程復(fù)雜易出錯(cuò)，直接影響了結(jié)果的可靠性。本系統(tǒng)一方面采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)統(tǒng)一管理斷面復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)源的完整性，另一方面，系統(tǒng)支持?jǐn)嗝娣ㄓ?jì)算沖刷淤積量，可使操作人員從繁瑣的統(tǒng)計(jì)工作中解脫出來，大大提高工作效率。

2.1.2模型計(jì)算法

數(shù)字地面模型是地貌形態(tài)的離散表示，地表任一特征內(nèi)容（如土壤類型、植被、高程）均可作為DTM的特征值。以高程為特征值的DTM稱為數(shù)字高程模型（DEM），用（x，y，z）數(shù)字形式坐標(biāo)表達(dá)區(qū)域內(nèi)的地貌形態(tài)。DEM不僅適用于各種工程規(guī)劃和地形分析，也常用于土方工程量、河道淤積量的計(jì)算。

模型計(jì)算法以兩期DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過對(duì)應(yīng)像元求差（現(xiàn)有DEM-原有DEM，像元值為正表示淤積，像元值為負(fù)表示沖刷）獲取沖刷區(qū)和淤積區(qū)的空間格局。最終整個(gè)庫區(qū)的沖刷淤積量則分別由沖刷區(qū)、淤積區(qū)對(duì)應(yīng)的高程差乘以各自所占的面積得到。計(jì)算公式如下：

式中，∑ΔZ表示沖刷（淤積）區(qū)所有像元的高程差累加。

DEM具有點(diǎn)密度大且能提供任意位置高程的特點(diǎn)，保證了沖刷淤積計(jì)算結(jié)果的精度。

2.2沖刷淤積空間格局分析

準(zhǔn)確掌握水下地形變化的時(shí)空分布特征可為做好水利工程設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)工作提供保障。以觀音巖水電站2013年和2014年的多波束測(cè)量成果為數(shù)據(jù)源，并采用模型法計(jì)算沖刷淤積量。

圖1和表2顯示了沖刷淤積區(qū)在各有效高程差區(qū)間內(nèi)的像元數(shù)及所占面積，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，研究區(qū)水下地形變化以泥沙淤積現(xiàn)象為主，面積比例達(dá)12.47%，而沖刷區(qū)僅占了2.86%，且高程變化集中在（-1，0）以及（0，6）區(qū)間，所占面積分別為84 925 m2和428 250 m2。圖2展示了觀音巖水電站2013～2014年間水下沖刷淤積的空間分布情況，地勢(shì)低的區(qū)域地形變化較明顯。

圖1　沖刷淤積區(qū)像元分布圖Fig.1 Distribution of the pixel of erosion and deposition area

表2　沖刷淤積區(qū)面積分布統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of the distribution of erosion and deposition area

圖2　沖刷淤積區(qū)空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of erosion and deposition area

2.3庫容計(jì)算及庫容曲線繪制

庫容曲線是獲取水庫蓄水量以及水量平衡計(jì)算的重要資料，是水庫優(yōu)化調(diào)度、保持合理防洪庫容和興利庫容的基礎(chǔ)。因此，庫容的計(jì)算精度直接影響著水庫的防洪安全、發(fā)電以及灌溉。

系統(tǒng)支持?jǐn)嗝娣ê湍Ｐ头ㄓ?jì)算庫容。其中模型法以DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以獲取任意水位對(duì)應(yīng)的投影面積和庫容，也可指定水位高程以及變化步長(zhǎng)，分別繪制投影面積和庫容隨水位的變化曲線，可任意設(shè)定步長(zhǎng)大小，以保證庫容（面積）曲線的精度。圖3顯示了觀音巖水電站2013年水庫水位-庫容曲線圖與水庫水位-面積曲線圖。

圖3　庫容（面積）曲線圖Fig.3 Curve of storage capacity and area

2.4剖面曲線提取

研究庫區(qū)的剖面曲線有助于認(rèn)識(shí)水下地形變化的過程。系統(tǒng)可獲取庫區(qū)任一斷面位置的高程曲線，同時(shí)也可對(duì)同一斷面位置不同時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。圖4（a）用直線標(biāo)示了斷面位置，圖4 （b）則為該斷面對(duì)應(yīng)的高程變化曲線。

2.5三維展示

系統(tǒng)通過拉伸DEM高程對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)水下地形三維顯示，見圖5（a）。用戶可自定義瀏覽線路，并沿線瀏覽水下地形空間變化，達(dá)到三維體驗(yàn)效果。另外，大壩與水下地形的無縫銜接使兩者間位置關(guān)系一目了然，可為大壩的運(yùn)行維護(hù)工作提供參考。

圖4　斷面曲線圖Fig.4 Sectional curve

圖5　三維展示效果圖Fig.5 Effect map of 3D display

3　結(jié)語

通過對(duì)庫區(qū)地形的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合ArcEngine 和SQL Server，開發(fā)了壩前淤積及壩后沖刷監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)。本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作流程簡(jiǎn)單規(guī)范，用戶體驗(yàn)度較好。采用SQL Server數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了對(duì)庫區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，保障了數(shù)據(jù)的安全性、完整性、準(zhǔn)確性，同時(shí)也解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享的問題。壩前淤積及壩后沖刷監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)應(yīng)用GIS強(qiáng)大的空間分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了沖刷淤積等信息的自動(dòng)提取，將人員從大量的重復(fù)勞動(dòng)中解脫出來，一方面提高了辦公效率，另一方面也保障了統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。這項(xiàng)成果可以在其他庫區(qū)的監(jiān)測(cè)管理中推廣使用。

［1］陳良進(jìn).河道清淤工程淤泥方量計(jì)算方法的探討［J］.浙江水利科技，2015，43（1）：58-59.

［2］范俊武，李婷婷.斷面法在河道溝渠土方量計(jì)算中的應(yīng)用［J］.門窗，2012（10）：171-172.

The management information system can be used in monitoring of underwater erosion and deposition.The point cloud collected by multi-beam sounding system are treated as experimental data，and the programming language of C#is integrated with the technology of ComGIS to develop the system. Now the system has been in operation at Guanyinyan hydropower station，which is proved to be reliable and effective in information extraction.

underwater terrain；erosion and deposition；storage curve；technology of ComGIS

TV697.2

B

1671-1092（2016）02-0033-04

2016-03-10

周洪葉（1995-），女，浙江杭州人，同濟(jì)大學(xué)學(xué)生，測(cè)繪與地理信息專業(yè)。

作者郵箱：hongye_zhou0414@hotmail.com

Title：Development and application of the management information system for underwater change monitoring//by ZHOU Hong-ye and ZHENG Shu-qian//Tongji University