劉 權(quán)

(上海浦海測(cè)繪有限公司,上海 201399)

0 引 言

傳統(tǒng)的河床水下地形觀測(cè)主要是測(cè)量各觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置和相應(yīng)的水深,并通過(guò)水位等數(shù)據(jù)來(lái)推算各測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的高程,從而繪制出河床斷面圖或水下地形圖,為進(jìn)行河床沖淤變化分析提供依據(jù)[1]。通過(guò)對(duì)不同時(shí)期的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析,采用一定的算法模型均能得出不同時(shí)期同一區(qū)域的高程變化值,乃至對(duì)河床淤積量的宏觀變化趨勢(shì)進(jìn)行分析[2]。本文基于Surfer軟件,不同于傳統(tǒng)方式,以等值線渲染圖、典型剖面圖、沖淤分析圖三種分析手段相結(jié)合,詳細(xì)介紹了其在河床變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,并做出最后總結(jié)。

1 Surfer概述

Surfer軟件是美國(guó)Golden Software 公司編制的一款繪制三維地形圖的軟件。該軟件具有的強(qiáng)大插值功能和繪制圖件能力[3]。因?yàn)槠鋸?qiáng)大的插值功能,能迅速地將離散點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)插值轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面,已經(jīng)使它成為用來(lái)處理(x,y,z)數(shù)據(jù)的首選軟件[4]。基于Surfer軟件可以輕松制作基底圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、分類(lèi)數(shù)據(jù)圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢(shì)圖、矢量圖以及三維表面圖等不同分析圖,同時(shí)提供了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、平滑、體積計(jì)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、濾波等數(shù)據(jù)分析功能,因此Surfer廣泛應(yīng)用在如氣象、地質(zhì)、測(cè)繪、水文等領(lǐng)域。

Surfer繪制等值線的基本原理:利用空間上若干離散點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù),通過(guò)內(nèi)插法生成一系列光滑曲線即等值線,同一等值線上所代表的屬性值是處處相等的。[5]繪制等值線,需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化,即采用一定的網(wǎng)格化方法對(duì)不規(guī)則分布的原始離散點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行插值,生成指定規(guī)則間距的數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)不同期的數(shù)據(jù),亦可對(duì)兩期格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,如相減即為兩期數(shù)據(jù)高程點(diǎn)之差,可以以此制作沖淤分析圖、沉降曲線圖等,因此,利用Surfer軟件提供的強(qiáng)大功能,可應(yīng)用在工程測(cè)繪中的不同領(lǐng)域。本文以蘆潮港附近河床變形分析為例,介紹其應(yīng)用。

2 應(yīng)用實(shí)例

蘆潮港水閘位于上海市浦東新區(qū)南匯新城鎮(zhèn),該水閘2016年全面建成后,成為該地區(qū)重要的直排河道之一,主要承擔(dān)著浦東新區(qū)南片的防洪、排澇功能。水閘附近河床由于人工開(kāi)啟閉閘門(mén),相比自然沖刷更易受到形變影響,為水閘整體運(yùn)行安全考慮,往往需對(duì)水閘附近的河床長(zhǎng)期進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),并根據(jù)觀測(cè)的數(shù)據(jù),分析河床的演變及形變趨勢(shì)。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

使用Surfer進(jìn)行河床變形觀測(cè)分析,需準(zhǔn)備外業(yè)觀測(cè)的測(cè)量成果數(shù)據(jù),Surfer可識(shí)別多種數(shù)據(jù)格式的離散點(diǎn)數(shù)據(jù),測(cè)量工程中以.dat及.xyz離散點(diǎn)格式較為常見(jiàn),這里以.xyz格式為例,水深數(shù)據(jù)以單波束方式采集,測(cè)線間距5 m,外業(yè)采集數(shù)據(jù)間隔為1 m,經(jīng)內(nèi)業(yè)處理,可輸出為.xyz格式的原始成果數(shù)據(jù),通過(guò)該數(shù)據(jù)建立格網(wǎng),關(guān)鍵步驟為:主頁(yè)-網(wǎng)格數(shù)據(jù)-選取數(shù)據(jù)-確定網(wǎng)格化算法-網(wǎng)格間距-輸出格網(wǎng),如圖1所示。

圖1 建立網(wǎng)格數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)列xyz分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的東坐標(biāo)、北坐標(biāo)、高程,可以根據(jù)數(shù)據(jù)格式的不同進(jìn)行選擇,網(wǎng)格化算法即內(nèi)插算法,Surfer中提供了多種不同的算法,一般常用的有克里金值內(nèi)插法、反距離插值法、最小曲率法等,不同算法對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的來(lái)源、用途不同,線性插值三角網(wǎng)法是使用最佳的Delaunay三角形,將連接數(shù)據(jù)點(diǎn)間的連線形成三角形[6],是測(cè)量工程中常用的內(nèi)插方法;網(wǎng)格線幾何特征類(lèi)似南方cass中的方格網(wǎng)算法,即將外業(yè)采集的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)按設(shè)定的方格大小進(jìn)行數(shù)據(jù)插值,這里選擇2 m×2 m間距進(jìn)行格網(wǎng)化;數(shù)據(jù)包外網(wǎng)格自動(dòng)白化,即只對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進(jìn)行格網(wǎng)化,點(diǎn)擊確定,即可保存.grd格式的格網(wǎng)數(shù)據(jù),通過(guò)該格網(wǎng)文件進(jìn)行后續(xù)的河床變形分析。

2.2 河床變形分析

常規(guī)的河床變形分析,以提供河床水下地形圖及固定斷面圖為分析依據(jù),這樣的分析手段單一、缺乏直觀性,使用Surfer可以實(shí)現(xiàn)以下3種方式的河床變形分析:

(1)對(duì)河床水下地形自動(dòng)生成等值線,并進(jìn)行等值線渲染,以不同的顏色分層展示河床的高程分布,可以定性解河床的地形狀況。

(2)建立剖面線即斷面線,自動(dòng)繪制河床斷面圖,分析比較多期的觀測(cè)數(shù)據(jù),可以定量了解固定斷面的地形變化。

(3)通過(guò)兩期格網(wǎng)數(shù)據(jù)做差,獲得河床沖淤分析圖,可以全面、定量地了解河床的地形變化,對(duì)河床的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

2.2.1 等值線渲染圖對(duì)比分析

本次觀測(cè)范圍位于水閘南側(cè),東西寬約60 m,南北長(zhǎng)約300 m,使用Surfer將格網(wǎng)文件生成等值線圖,步驟為主頁(yè)-等值線-選擇格網(wǎng)文件。對(duì)等值線圖進(jìn)行渲染、設(shè)置顏色分層、添加基底文件等操作后,分別得到2020年11月及12月的河床等值線渲染圖(圖2-圖3)。從2020年11月等值線渲染圖中,可清楚直觀地看到水閘南側(cè)河床的地形特征。消力池高程-3 m ～-4 m之間,消力池南北兩側(cè)為護(hù)坦,高程-2 m ～-3 m,往南約90 m地形較平緩,高程范圍-1 m～-2 m,之后地形出現(xiàn)較明顯變化,由-2 m高程逐漸減小至-3 m以下,延續(xù)至閘室以南280 m處,并且出現(xiàn)3處高程低于-4 m的區(qū)域,由北至南,區(qū)域一,東西長(zhǎng)約15 m,南北長(zhǎng)約30 m,面積約280 m2,區(qū)域二呈南北狹長(zhǎng)形,南北長(zhǎng)約65 m,東西較寬處約13 m,面積約380 m2,區(qū)域三呈錐型,北側(cè)窄,南側(cè)寬,南北長(zhǎng)約32 m,東西較寬處約16 m,面積約260 m2。河床兩側(cè)的灘地亦清晰可辨。

圖2 2020年11月河床等值線渲染圖

對(duì)比2020年11月河床等值線渲染圖(圖2),2020年12月圖中明顯的變化為3處高程低于-4 m的區(qū)域消失,河床其他區(qū)域變化并不明顯(圖3)。

2.2.2 典型剖面分析

通過(guò)等值線渲染圖,可以定性地了解河床的地形變化,卻無(wú)法做到定量分析,這是由于1 m的等值線間隔設(shè)置,對(duì)于河床的細(xì)微變化之處難以精確體現(xiàn)。Surfer中同樣提供了剖面圖的繪制,以反映河床中所需了解的重要剖面細(xì)微變化,繪制典型剖面圖的步驟為圖形工具-剖面圖,分別在3處明顯變化區(qū)域建立剖面線,截取兩期的觀測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)比,剖面線位置如圖2、圖3所示。

剖面一(圖4)兩側(cè)斜坡呈西側(cè)陡,東側(cè)緩的形態(tài),西側(cè)斜率約1∶1.25,東側(cè)斜率約1∶5,對(duì)比兩期數(shù)據(jù),西側(cè)斜坡沖刷,沖刷幅度不等,最大刷深約1.2 m,沖刷范圍寬約5 m,東側(cè)無(wú)明顯沖淤變化;剖面中部13 m～35 m,出現(xiàn)較明顯的淤積跡象,尤其在13 m～30 m范圍,高程由-4.1 m淤積至-3.6 m附近,淤積約0.5 m。

圖4 剖面圖一

剖面二(圖5)與剖面一(圖4)形態(tài)大致相同,西側(cè)陡,東側(cè)緩,東西兩側(cè)斜率與剖面一(圖4)近似,剖面中部17.5 m～40 m范圍淤積較為明顯,高程由-4.1 m淤積至-3.6 m附近,淤積約0.5 m。

剖面三(圖6)與剖面一(圖4)、剖面二(圖5)相比,中部22 m～35 m區(qū)域淤積更為明顯,高程由-4.7 m淤積至-3.6 m附近,最大淤積約1.1 m,東西兩側(cè)斜坡變化不明顯。

圖6 剖面圖三

2.2.3 沖淤分析

通過(guò)等值線渲染圖及典型剖面分析,可以定性判斷河床區(qū)域內(nèi)的深淺變化以及定量分析特定剖面的高程變化,要全面、定量了解河床內(nèi)區(qū)域整體變化,需制作沖淤分析圖。沖淤變化圖就是任意兩次測(cè)量的地形變化量圖。使用沖淤變化圖可以總體直觀地描述出兩次水下地形測(cè)量間地形沖淤變化的位置、范圍和沖淤變化量。[7]使用Surfer制作沖淤變化圖的關(guān)鍵步驟為:網(wǎng)格-數(shù)學(xué)-選擇兩期格網(wǎng)(A與B),以本期數(shù)據(jù)與上期做差即(A-B),獲得沖淤變化格網(wǎng)圖,經(jīng)過(guò)等值線渲染,即可得到兩期觀測(cè)的沖淤變化圖(圖7)。

通過(guò)沖淤變化圖,可以清楚明顯地看到兩期河床的沖淤變化,其中正值為淤積,負(fù)值為沖刷。河床北側(cè)(閘室以南)120 m基本無(wú)變化;河床中部至南側(cè)有明顯的淤積跡象,淤積范圍呈北側(cè)窄、中南側(cè)寬的尖頭形態(tài),南北長(zhǎng)約180 m,東西較寬處約30 m,面積近4 000 m2,范圍內(nèi)大部淤積0.2 m～0.5 m之間,部分零散區(qū)域超過(guò)0.5 m,分布較分散,其中河床南端淤積范圍及幅度較大,面積達(dá)到350 m2,淤積0.5 m至1.2 m,最大淤積超過(guò)1 m;河床東西兩側(cè)灘地有小幅度的沖刷現(xiàn)象,沖刷0.2 m～0.5 m之間,由于河床西側(cè)的邊坡較陡,受潮流(漲跌)影響,在中南側(cè)出現(xiàn)一南北狹長(zhǎng)分布的沖刷帶,南北長(zhǎng)約130 m,東西寬5 m～10 m,沖刷帶部分區(qū)域刷深超過(guò)0.5 m,分布在南北兩側(cè),其中南側(cè)面積較大,約130 m2,最大刷深1.2 m,出現(xiàn)在北側(cè)(剖面一穿過(guò)區(qū)域),范圍較小。

基于此可判斷,本期水閘南側(cè)河床相比上期有較明顯的沖淤現(xiàn)象,表現(xiàn)為東西兩側(cè)灘地沖刷,沖刷幅度0.2 m～1 m之間,沖刷的泥沙向河床內(nèi)流動(dòng),同時(shí)由于地處出海口附近,受潮流影響,造成中南部不同程度淤積,淤積幅度0.2 m～1.2 m之間,河床南端淤積相對(duì)較大,在0.5 m～1.2 m范圍,河床北側(cè)相比上期無(wú)明顯變化,后期應(yīng)當(dāng)繼續(xù)關(guān)注中南部河床及兩側(cè)灘地的沖淤變化。

2.3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

基于Surfer,通過(guò)實(shí)例以等值線渲染對(duì)比分析、剖面分析、沖淤分析3種分析手段相結(jié)合,可以直觀、定量、全面地了解河床的地形狀況及沖淤變化情況,3種手段各有優(yōu)劣(表1),在實(shí)際工作中可根據(jù)不同需要進(jìn)行選擇。

表1 3種分析手段對(duì)比

使用Surfer進(jìn)行河床變形分析,應(yīng)注意以下4個(gè)方面:

(1)格網(wǎng)數(shù)據(jù)制作是后續(xù)河床變形分析的關(guān)鍵步驟,格網(wǎng)內(nèi)插是對(duì)外業(yè)采集離散數(shù)據(jù)的重排序生成,不同的插值方法對(duì)數(shù)據(jù)的算法不同,應(yīng)根據(jù)需要使用合理的插值方法,格網(wǎng)大小的選擇,則直接反映地形的不同表現(xiàn)程度,格網(wǎng)越小,地形表現(xiàn)越細(xì)致,但同時(shí)生成的等值線也越彎曲,在作者多次嘗試的經(jīng)驗(yàn)中,河床變形建議使用克里金值內(nèi)插法或者線性插值三角網(wǎng)內(nèi)插法,格網(wǎng)大小的選擇以不大于2倍外業(yè)采集的數(shù)據(jù)間隔為宜。

(2)使用Surfer進(jìn)行沖淤分析的兩期格網(wǎng)大小(網(wǎng)格線幾何特征)應(yīng)相同,否則無(wú)法進(jìn)行做差處理(沖淤分析),考慮到兩期采集的數(shù)據(jù)范圍有所不同,相比前期應(yīng)適當(dāng)對(duì)本期數(shù)據(jù)進(jìn)行多刪少補(bǔ),并進(jìn)行范圍白化處理。

(3)在邊坡較陡或深坑等地形突變較大的區(qū)域,外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行加密測(cè)量,補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù),這樣在內(nèi)業(yè)處理(格網(wǎng)內(nèi)插)時(shí)能更好地反映真實(shí)的地形狀況。

(4)使用Surfer制作橫斷面圖,其優(yōu)勢(shì)為根據(jù)剖面的預(yù)設(shè)參數(shù)(如圖幅橫縱寬度、線型、顏色等)自動(dòng)生成,然而其對(duì)橫縱比例的設(shè)置并不友好,無(wú)法自由設(shè)置,對(duì)于需要固定比例的出圖,目前則無(wú)法勝任。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于Surfer通過(guò)等值線渲染圖、典型剖面圖、沖淤分析圖3種分析方式相結(jié)合,直觀、準(zhǔn)確、全面地展示了蘆潮港水閘南側(cè)兩期的河床變形情況,以此為基礎(chǔ),通過(guò)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè),繪制河床動(dòng)態(tài)變化圖,對(duì)分析預(yù)測(cè)河床的形變及演變規(guī)律,提供一定的參考價(jià)值,方便相關(guān)部門(mén)分析決策,同時(shí)對(duì)其他的類(lèi)似水下地形監(jiān)測(cè)具有很好的借鑒意義。