基于GIS的河道可视化及断面提取方法研究

耿　敬，郑天驹，李明伟，张清明

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001；2.黑龙江省松花江航运建设管理中心，哈尔滨 150001)



科技成果

基于GIS的河道可视化及断面提取方法研究

耿敬1，郑天驹1，李明伟1，张清明2

(1.哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨 150001；2.黑龙江省松花江航运建设管理中心，哈尔滨 150001)

摘要：地理信息系统(GIS)是地理学与计算机信息科学的有机结合，具有强大的可视化功能，在空间分析方面优势尤为显著。文章在对以往研究学习的基础上，对利用GIS和CAD软件进行河道三维可视化及断面提取的技术流程进行了系统的分析，并深入研究了流程的关键技术，同时，对流程在操作过程中可能遇到的问题及解决办法进行了讨论。以松花江依兰段河道地形测量数据为例，利用GIS和CAD软件建立了河道三维可视化数字模型，并提取河道断面信息，验证了技术流程的可行性。

关键词：地理信息系统；河道可视化；断面提取；DEM数据

0引言

河道断面数据是研究河道演变、洪水淹没及冲淤变化的基础，是航道整治以及沿河流域规划等工程设计必不可少的底层数据。传统方法利用CAD格式的数据进行河道断面信息提取存在精度低、连续性差且工作量大的不足。地理信息系统(GIS)是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展建立起来的一门学科，具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能，自身具有一定结构，是一个完整的系统[1]。GIS拥有强大的空间分析能力，能够将河道的几何形态数据(包括CAD数据、遥感数据等)处理整合，建立三维可视化数字模型，由一系列地面点(x，y)位置及其相联系的高程Z组成[2]，利用可视化数字河道模型可以直观、便捷的提取河道指定位置的断面数据信息，同时为跨河大桥选址、航电枢纽建设、河道的综合治理、规划和开发提供决策依据。

目前，地理信息化系统在河道可视化及断面提取方面应用的研究已取得一定成绩。刘畅等人提出一种在ArcGIS平台上将二维散点地形图转换成DEM(数字高程模型)并提取河道断面地形数据的方法[3]。王伟等人利用GIS建立河道可视化模型，对河道槽蓄量、冲淤量、冲淤厚度进行计算，使河道演变分析由传统手工或简单的计算统计发展到计算机系统性处理与智能分析，实现了质的飞跃[4]。张献志等人基于GIS组件的内置工具和模块，采用将二维断面线进行TIN的三维表面内插法实现河道任意断面数据的半自动提取，并探讨了转换过程中存在的问题及相应的解决措施[5]。王铁军等人分析了CAD到GIS的数据转换过程中容易出现的问题，并总结了为克服这些问题而在数据生产、转换的各个步骤上应采取的措施，提出CAD与GIS生产建设中目前存在的问题及解决的思路[6]。贺巧宁基于ArcGIS Engine通过二次开发实现了河道断面生成与数据获取，并对DEM、TIN与等高线提取的河道断面高程数据的差异进行了讨论，解决了传统河床演变断面分析必须立足固定断面的局限[7]。杨婷利用AutoCAD.NET API二次开发，提出一套快速提取高程信息的技术及其实现流程[8]。

文章研究了基于GIS和CAD软件对河道可视化模型建立与断面提取的方法与技术流程，并以松花江依兰河段为研究区，对该地区数字地形生成过程中参数的选取及可能出现的相关问题进行了讨论，实现了河道的可视化以及任意断面信息快速提取，为河道水动力数值模拟计算及工程可视化管理平台建设提供基础数据。

1研究区概况

松花江流域位于我国东北地区，地理位置为E119°52′～132°31′、N41°42′～51°38′。松花江为黑龙江右岸的一大支流，流域东西长920 km，南北宽1070 km，流域面积56.59×104km2，占整个黑龙江流域面积的30%，占我国境内黑龙江流域面积的63%。行政区划属黑龙江省、吉林省、内蒙古自治区和辽宁省，其中内蒙古自治区占27.4%，吉林省占24.1%，辽宁省占0.1%，其余均属黑龙江省，占全流域面积的48.4%，主要为嫩江左岸及松花江干流部分[9]。

松花江干流哈尔滨以上为平原区，坡度较缓，河道比降为0.05‰，滩地较宽阔，有湿地和牛轭湖，河道主槽宽一般为400m～600m，平槽时平均水深4m～7m；哈尔滨至佳木斯段为高平原和丘陵山区，河谷狭窄；在牡丹江口上游为三姓浅滩，长约41 km，该处河宽2000m左右，岛屿众多、水流分散、河床比降较陡，河床底质为坚硬的板岩、砂岩和花岗岩，水深较其它河段为浅，一般只有1.2m～1.3m，枯水期仅有0.8m左右；佳木斯以下为低平原区，属三江平原一部分，河道宽阔，主槽宽达1500m～2000m，平槽平均水深2m～3m，河道中有沙洲，河槽滞蓄能力较大[10]。

研究区域位于依兰县境内，松花江干流牡丹江汇合口上游1000m处，下距依兰县城2.5 km，上距哈尔滨市330 km(航道距离)。上游约81.5 km处为通河水文站，通河水文站至依兰坝址之间无大支流汇入，下游2.8 km处为依兰水文站。地理位置见图1。

图1　松花江依兰段遥感影像图

2数据预处理与研究方法

2.1数据的预处理

河道的数据通常以纸质地形图或CAD地形图保存。纸质地形图需要进行空间校正、矢量化处理，ArcGIS自带的ArcScan可直接对纸质地图的扫描文件进行矢量化处理，但对地形图本身的标注规范及图片质量要求较高，很多地形图无法处理或处理后出现大量错误，因此现在仍多采用人工矢量化。考虑到目前大多数河道实测信息多以CAD电子文件格式存储，本文仅以松花江依兰段河道CAD数据实现河道可视化过程为例，对纸质地形图的矢量化不再进行讨论。该段河道10年内未出现显著变化，故使用该段河道2006年1:2000地形图数据进行研究。

数据处理的目的是从原始数据中提取出可用于在ArcGIS中建立河道数字高程模型及可视化所需的数据信息。处理过程中，若一个河道的信息保存在多份图纸中，需首先在CAD中对地图形进行拼接处理，随后删除无关图层、填充符号等冗余数据。完成后使用ArcGIS、南方CASS9.0提取等高线与高程点数据。保存数据时选用高斯克吕格投影坐标系中的Beijing 54坐标系，转换后的高程点和等高线的属性表中必须得包含高程信息字段且有具体值，否则需结合注记，对高程信息进行补充。下面对等高线与高程点的提取进行介绍。

2.1.1等高线的处理

经过初步处理的CAD数据仍可能存在问题，对于容易混淆的各种线状符号，如航标符号、与等高线相交的线等应将之删除。等高线指的是地形图上高程相等的相邻各点所连成的线，应该为闭合曲线[11]。在本研究中，等高线可能由于标注信息、丁坝存在的原因而间断。对于因标注信息而间断的等高线，参照临近的等高线形状将其重新连接；对于因研究区丁坝间断的等高线，因为在1∶2 000比例尺的地形图中丁坝的外形特征已经可以较为明显的表达，同时丁坝的位置与高程对航电枢纽工程有着重要的影响，故予以保留，将间断的等高线与丁坝相连。完成以上处理后，参照地形图对ArcMap中的等高线数据进行推算并赋予高程值。

当遇到地形图的部分等高线高程值无法确定时，可依据高程点数据进行参考。随后将等高线属性表中多余字段删除，只保留高程字段，将长度过小与无意义的线条删除。最后检查每个线要素，将同一条等高线连接起来，确保每条等高线都是一条连续的一条闭合线。至此，获得带有高程信息的等高线数据。

2.1.2高程点的处理

为了获得高精度的数字地形，在生成数字地形时添加高程点作为对等高线的补充。大多数CAD地形图并未给高程点赋值，而是采用在点的旁边设置文本标注的方式，为了能够在ArcGIS中建立三维地形，需进行赋值操作。将注记的内容赋给高程点的方法有很多，本文选择使用地形图专业处理软件南方CASS9.0生成的高程点数据，将高程值保存在Z字段中，而非通过ArcToolBox中的数据转换功能得到高程点数据，主要原因是实践发现在CASS下可以更好、更快、更准确的实现将注记文字的高程信息赋给高程点。将赋值后的高程点数据添加到ArcMap中，对高程信息的准确性进行检查，并将生成的高程点数据导出为.shp格式，从而获得带有高程信息的点数据。

2.2研究方法

文章以河道CAD地形图为原始数据，提出的河道可视化及断面提取方法主要研究了河道数字高程模型生成及断面提取实现等关键问题，给出了包含数据预处理、河道地形图等高线与高程点的提取、TIN数据的生成、DEM数据的生成、河道可视化及断面提取的方法与技术流程。技术路线见图2。

3数字地形数据生成

3.1河道TIN数据生成

TIN是由不规则三角网构成的一种矢量数据，是三维空间中的分块线性模型，在整个区域中是连续的，但不可导[12]。我们可以根据这些三角网来显示三维立体地形。TIN相当于是对采样点的一个平面三角剖分，因而它是一个连通平面图。TIN模型的优点是能以不同层次的分辨率来描述地形表面，可有效避免平坦处的数据冗余。利用提取获得的等高线数据和高程点数据，生成河道TIN数据，等高线的高程使用高程字段值，高程点的高程使用Z字段值。有时候可能由于等高线或高程点赋值错误导致生成的TIN面异常，这时候可以在ArcScene中加载生成TIN面，调整夸张系数为20或更大，以方便观察，加载等高线数据，并在Base Height中选择use a constant value or expression，将高程显示设置为elevation，使两者拟合，通过叠加观察找出影响精度的等高线或高程点并删除。获得的TIN数据见图3。

图2技术路线图

图3河道TIN地形数据

3.2河道DEM数据生成

TIN数据能够较好地表示复杂地形，以该格式存储的三维地形信息具有较好的显示效果。但由于其存在数据结构复杂，不便于规范化管理，难以与矢量和栅格数据进行联合分析，在后续的应用中存在诸多不便，需将TIN经3D Analyst模块，转换生成河道DEM栅格数据，CELLSIZE是栅格像元的大小采样距离，直接影响转换得到DEM的分辨率及文件大小[13]，经过试验，在本研究中大小设置为5，既满足了地形数据的精度要求，又保证了加载速度。随后对获得的河道DEM栅格数据进行垂直高程夸张、高程重新配色、渲染与光照调整等操作，完成可视化河道生成。

4河道断面信息提取

4.1断面信息提取

4.1.1提取指定位置断面

3D Analyst工具可提取河道指定位置的断面信息。断面可沿在横穿河道的任意线要素生成，在ArcMap中，使用3D Analyst模块功能创建目标位置断面图的表面并进行线插值，在河道数据表面点击创建断面多段线，完成后创建断面。在属性栏中，可更改断面图的布局。

4.1.2特征点生成断面

按照特定位置高程点生成断面图需要提取沿线特征点或沿某一走向特定位置点的高程。当提取的特征点为线要素的折点时，直接调用Features-Feature Vertices to Points命令；当提取的特征点需满足某种特定距离要求时，如：沿水流动力轴线，每隔5 m提取1个特征点，可先创建一个点图层，在开启编辑的状态下，选中生成点的参考线，然后选择Construct Points设置相关参数，即可沿线提取满足某种特定条件的点要素。将提取的特征点和DEM数据加载到ArcMap中，从DEM中提取高程值赋予特征点，提取出的高程存储在Raster Value字段中。生成河道断面图使用ArcGIS创建图表功能中的创建断面线功能，使DEM断面线的横轴为距离第1个点之间的距离，纵轴为高程值。

以上2种断面提取方式可基本满足河道分析工作的所有断面数据提取需要。将河道DEM数据与遥感影像进行地理配准后，即可根据需求提取任意坐标处的河道断面信息，断面数据不再受到实测固定断面资料的局限。在后续研究中亦可将多年的数据全部进行数字化处理，获得多组不同时间的河道断面数据。

4.2河道断面拓扑关系图

拓扑是描述地理空间关系的模型，一种维护地理空间实体间空间几何关系的机制。河道断面拓扑关系主要用来描述河道断面的上下游关系，拟在通过河道断面对象的空间位置，结合河道中心线或深槽线，将河道断面对象之间的上下游关系建立起来(图4)。并利用获得的断面及其拓补关系，建立河道数值模型。

5结论

河道断面信息用途广泛，传统的获取方法多存在耗时长、不准确、存在重复性工作等不足。本文深入研究了基于GIS的实现河道可视化及断面地形数据提取的方法，通过数据处理手段，提取CAD地形图中的等高线与高程点并赋值，将二维数据转化为GIS中的三维数据，并联合两者生成河道可视化数字高程模型，信息更为可靠。以松花江依兰段河道的CAD地形图原始数据为例，使用该方法完成了地形信息数字化与河道三维地形数据生成，利用生成的地形提取了河道断面数据，将获得的河道断面数据以上下游为序建立联系，为坝址料场位置的选择及工程可视化管理平台建设提供基础数据。该方法通过可视化手段直观地表达河道地形信息并对所需信息进行提取，可作为洪水演进模拟、河道演变预测分析、航道整治冲淤分析等提供技术支撑。

图4　河道断面拓扑关系图

参考文献：

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Research of River Course Visualization and Section Extraction Method based on GIS

GENG Jing1;ZHENG Tian-ju1;LI Ming-wei1and ZHANG Qing-ming2

(1.Ship Engineering Institute Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Heilongjiang Provincial Songhua River Shipping Construction Management Center，Harbin 150001，China)

Abstract：Geographic information system is the organic combination of geography and computer information science，having a powerful visual function，particularly advantageous in spatial analysis.Based on the learning to previous studies，GIS and CAD software were used to analyze systematically the technical process and section extraction of three-dimensional visualization of river course，and the key technique of process was researched deeply，meanwhile，the problems that may be met possibly during the process of operation and solved method were discussed in the paper.Taking the topographic survey data of river course at Yilan river section along the Songhua River as the example，GIS and CAD software were used to set up the three-dimensional visualization digital model and extract the section information of river course，verifying the feasibility of technical process.

Key words：geographic information system；visualization of river course；section extraction；DEM data

中图分类号：TV147

文献标识码：A

[作者简介]耿敬(1968-)，女，江苏宜兴人，教授，硕士生导师，研究方向为河海及水利工程设计理论与建造技术、智能航道技术；郑天驹(1990-)，男，河南郑州人，硕士研究生；李明伟(1984-)，男，内蒙古通辽人，博士后，研究方向为河海与水利工程；张清明(1965-)，男，黑龙江哈尔滨人，研究员级高工，主要从事航电枢纽建设管理工作。

[基金项目]国家自然科学基金(51509056);交通运输部信息化技术研究项目(2014364554050);中国博士后基金面上资助项目(2015M571394);黑龙江省博士后资助经费(LBH-Z14059);中央高校基本科研业务费专向资金资助(HEUCF150108)。

[收稿日期]2016-01-16

文章编号：1007-7596(2016)03-0001-05