河口沖淤量計算分析論文

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前言

GIS是計算機科學、地理學、測量學、地圖學等多門學科綜合的技術。GIS作為處理地理數據的輸入、輸出、管理、查詢、分析和輔助決策工具，以其出色的數據集成和空間數據處理及可視化表現能力，為我們管理和分析各種資料提供了一種有效的手段。

以往的沖淤定量計算往往采用物理模型和數學模型的方法。物理模型的直觀性強，對工程結構近區模擬的準確性高，但它受比尺的限制，在大型工程中投資較大。數學模型投資較小，但它的前處理需要花費很多時間和精力，其結果也僅僅是一大堆的數據，無法直觀的顯示結果。

筆者想利用GIS出色的數據輸入能力和空間數據處理加快和改善沖淤計算中數據前處理的工作，利用GIS豐富的可視化表現能力是計算結果的表現跟直觀，例如結果表現為一張沖刷和淤積的分層設色圖。筆者試圖找到GIS支持下的沖淤定量計算通用的方法并開發出單機環境下專門的軟件。

1研究現狀

自上世紀90年代起，中國GIS技術步入實用化和產業化階段，國內一些研究人員開始研究利用GIS技術研究海岸與河口的沖淤計算，岸灘演變情況。趙庚星、張萬清等（1999）利用遙感和地理信息系統技術研究了黃河口1986年5月至1996年10月淤積與侵蝕面積的變化及其空間動態[1]。吳華林、沈煥庭等（2002）依據1842~1997年10幅不同年代的長江口海圖資料，利用GIS和數字化儀進行處理，建立不同時期的長江口水下數字高程模型，以此作為基礎資料，從橫剖面、深泓線縱剖面、平面變化等不同角度對對長江口攔門沙地區灘槽演變、岸線侵蝕、沙島形成與變遷等進行研究。通過計算河槽容積，實現對不同時段泥沙沖淤量的計算[2]。鞏彩蘭、惲才興（2002）利用地理信息系統軟件強大的數據輸入和空間數據分析功能，將長江口南港1988年至2000年的海圖數字化，通過最小距離內插得到柵格水深圖，并且通過相鄰兩年海圖對應位置水深值相減，得到河床沖淤變化圖，在此基礎上定量分析成形沙體的特征，河道容積變化、河道淤積部位和底沙輸移路線、預測下一年河道淤積部位、輸沙率等[3]。通過他們的實踐研究表明GIS技術是定量研究泥沙沖淤的一種有效手段。

2研究方法和步驟初定

（1）通過美國ESRI公司的地理信息系統軟件“ARCINFO”的數據輸入功能，將研究區域的多年海圖數字化，獲取帶有每個點的水深值和線段屬性信息的矢量數據；

（2）在ARCINFO中將比例尺統一和并將水深統一訂正至理論深度基面；

（3）利用ARCVIEW中擴展的3DAnalyst模塊和SpatialAnalyst模塊，通過對原始測點三角網插值，產生不規則三角網模型(TIN)，繼而轉化成柵格數據模型(GRID)，該GRID具有數字高程模型(DEM)的特性，建立了DEM；還可以在DEM的基礎上，生成等深線，三維地形模型；

（4）在（3）得到的GRID的基礎上，發揮MATLAB軟件的矩陣運算功能將兩年的水深圖上相同位置的水深值相減，得到沖淤演變圖，并以不同色標或不同的圖案表示沖刷或淤積的范圍和等級，還可以得到沖淤3D分布圖；

（5）在（3）得到的三維地形模型上作橫剖面，縱剖面，得到橫斷面和縱剖面的水深形態圖，分別得到不同方向的沖淤變化。

（6）沖淤體積計算。在MATLAB中先求出單元大小，和高程矩陣中所有的高程值作乘法運算，即為計算體積。兩個不同年代的體積的差即得出沖淤的體積變化。

（7）為了圖件編輯和打印方便，將水深圖和沖淤圖轉到ARCINFO的圖象編輯、顯示軟件“ArcView”進行整飾處理。

（8）在MATLAB中將得到的水下地形圖捕捉成幀，生成沖淤動畫。

該研究方法中，（1）~（3）步為數據前處理過程，（4）~（6）步為沖淤計算過程，（7）和（8）步為計算結果的呈現過程。通過這種研究方法得到的沖淤計算結果的呈現比較直觀。由于缺乏水深圖資料，還不能充分對實踐該研究方法的遇到的細節性問題做出探討，但是總體上來講這種研究方法是可行的。

但是這種研究方法，得利用到ARCINFO、ARCVIEW、MATLAB三種軟件，因為ARCINFO和ARCVIEW都是ESRI公司的產品，數據和模型的導入導出比較方便，但要將地形數據的方便導入到MATLAB中還要近一步研究，另外還要解決在MATLAB中三維地形的影象圖貼圖的問題。

因此，筆者想在單機環境下開發一個專門針對海岸和河口沖淤計算的軟件，目標主要是能實現上述的（3）~（8）這個過程。

3系統的開發設想

3.1系統詳細功能

系統按初步設想的菜單編排的詳細功能描述如下：

1、系統

系統菜單提供對應用程序進行介紹和常用管理的一些功能，包括系統簡介、打印、輸出圖像、重新啟動系統、退出等。

系統簡介以文字的形式敘述系統的開發背景、整體概況、數據信息、功能、軟硬件平臺等內容，使用戶對系統有總體的了解。打印可以讓用戶把當前地圖窗口的內容在打印機上輸出。輸出圖像可以把地圖窗口中的所有內容復制成圖像并保存。當系統打開窗口過多而致使界面凌亂時，可以點擊重新啟動系統菜單，應用程序將重新初始化。退出菜單可以關閉系統。

2、操作

該菜單實現系統操作的絕大部分功能，工具條上的地圖操作按鈕和屬性操作按鈕都要能在該菜單中找到。主要包括鷹眼、選擇、放大、縮小、移動、全圖、返回、標注、定位等。鷹眼、選擇、放大、縮小、移動、全圖、返回這七個菜單的功能與一般的地理信息系統平臺的類似。標注可以將地圖窗口中任意對象的屬性臨時顯示出來，也可以通過取消標注菜單清除所有的標注。定位可以將地圖窗口中心位置定位到用戶指定的坐標點。

3、研究區域概況

考慮影響河口的主要因素，如來水來沙、海岸動力包括波浪、潮流、余流等，可將這些信息加入該系統，利用該菜單項來管理這些數據，以便為用戶沖淤結果分析提供資料。

4、水下地形模擬

該菜單是實現對水下地形的模擬，包括生成不規則三角網(TIN)，轉化成柵格數據模型(GRID)，生成等深線，生成三維地形模型。這些功能的實現都要開發人員通過一定的算法實現。

5、沖淤計算

該菜單功能包括生成沖淤2D演變圖、生成沖淤3D分布圖、生成橫斷面水深形態圖、生成縱剖面水深形態圖、沖淤體積計算、水下地形演變動畫。這些功能的實現也要通過一定的算法實現。

6、窗口

該菜單為標準的Windows菜單，提供在打開多個子窗體時對窗體進行排列的功能，包括水平排列、層疊排列，與ArcView中窗口排列的功能類似。同時提供當前打開的所有窗體的列表。

7、幫助

幫助功能塊提供了系統所有操作過程的詳細說明，可方便地實現在線幫助。

3.2系統開發的軟件平臺

筆者根據自己熟悉的軟件及其功能，初步擬定為：

操作系統：MicrosoftWindows2000

開發工具：MicrosoftVisualBasic6.0

利用組件：ESRIMapObjects2.1

數據庫：MicrosoftAccess2000

3.3補充

系統的設計與開發要遵循系統工程的原理，以免耗費過多的精力。筆者打算把系統開發的主要精力放在水下地形模擬和沖淤計算的算法上，經過初步的嘗試，在VB環境下，已實現了通過測點生成delaunay三角網和通過規則GRID生成三維地形圖。所以說開發這個系統是完全可行的。

4結語

文章提出的沖淤定量計算方法可適用于海岸、河口、內河、航道的泥沙計算，這樣做可以避免考慮數學模型方法中要考慮的一些產生沖淤的因素，內河與河口沖淤的不同成因可以不考慮。本文對GIS支持下的泥沙沖淤定量計算進行了探討，試圖找到一個通用的方法并開發出單機環境下專門的軟件的。要實現本文提出的設想還需進一步的摸索實踐，并在實踐中不斷提高和更新一些方法。

參考文獻：

[1]趙庚星，張萬清，李玉環，等．GIS支持下的黃河口近期淤、蝕動態研究［J］．地理科學，1999，5：442~445．

[2]吳華林，沈煥庭，胡輝，等．GIS支持下的長江口攔門沙泥沙沖淤定量計算．海洋學報，2002，3：84~93.

[3]鞏彩蘭，惲才興．應用地理信息系統研究長江口南港底沙運動規律．水利學報，2002，4：18~22．