Surfer11.0软件在水利工程测量数据中的应用

张义宇

（广东省水文局茂名水文分局，广东 茂名 525000）

Surfer11.0软件在水利工程测量数据中的应用

张义宇

（广东省水文局茂名水文分局，广东 茂名 525000）

通过RTK GPS对地形测量，取得地形坐标、高程数据，以文件形式存储，在进行数据共享及数据分析时，使用Surfer绘制图件、数据分析和建模等功能，应用在水下土方计算、3D建模、空间分析。以某一河底断面为工程实例，分析该软件在水下土方计算中的优势及发展趋势。实践证明Surfer软件方便、直观、高效的特点完全可以满足水文工作中绘制专业图形的需要，在测量地形、计算土方、建3D模型实现三维地质建模方面有着广阔的应用前景。

地形测量；分析；建模；土方；水文

随着我国水利水电事业的快速发展，水文工程测量面临着任务多、时间短、质量要求高的挑战。在水文测验河道，由于雨水冲刷，断面变化情况复杂，而淤泥（土方）堆积影响水文测验及航道通行，通过RTK、测深仪与Surfer软件的相结合，能初步确认河底的大致地貌，运用曲面建模功能计算土方、测量纵断面高程，提高土方计算精度、提高经济效益，并通过3D图形探索河底变化情况，为水文测验提供参考，实现计算自动化。

1 软件介绍

Surfer地理信息软件(简称Surfer)是美国Golden公司开发的制作等值线图和三维地形图软件，与其他相关的地理信息软件相比，具有操作简单、绘图功能强大的特点，目前广泛应用于环境、地理等学科。本文利用Surfer对河道建立实际河段的数字地形模型，为基于三维地形表面模型的各种过程分析创造条件。

Surfer 具有的强大插值功能和绘制图件能力，使它成为用来处理XYZ数据的首选软件，是地形分析必备的专业成图软件。可以轻松制作基面图、数据点位图、分类数据图、等值线图、线框图、地形地貌图、趋势图、矢量图以及三维表面图等。软件提供11种数据网格化方法，包含几乎所有流行的数据统计计算方法；提供各种流行图形图像文件格式的输入输出接口以及各大GIS软件文件格式的输入输出接口，大大方便了文件和数据的交流和交换；提供新版的脚本编辑引擎，自动化功能得到极大加强。

2 数据收集

2015年11月5 日对茂名地区某一河段长300米进行河底地形测量，其断面上游2km为电站，下游50 米为拦河坝，由于拦河坝关系长年中高水位，拦河坝附近容易造成淤积。使用天宝RTK结合测试仪进行测量。架设基站对不少于三个水准点的坐标、高程进行校正，设置好参数，开始采集数据。在这过程密切注意测深仪的变化情况。共取得数据138组，部分测量数据见表1。

表1 测量坐标与高程

3 建立地形等值线图及土方计算

3.1 3D渲染、等值线建立

传统的手段多采用地形断面法，受操作人员的技术水平、设备配置以及在空间分析上的局限性等影响，这种方法在实际应用中存在计算精度不够高、空间分析能力差、工作效率不高等弱点。要准确弄清河道的冲淤分布及其变化，需要采取新的手段和方法。采用Suefer对地形进行分析，因河底表面状况不一，因此采用克里金插值法又称空间自协方差最佳插值法，是一种最优内插法。克里金插值法广泛地应用于地下水模拟、土壤制图等领域，是一种很有用的地质统计格网化方法。根据收集数据空间位置不同、样品间相关程度的不同，对每个样品品位赋予不同的权，进行滑动加权平均，以估计中心块段平均品位。空间位置属性在空间位置上的变异分布。确定对一个待插点值有影响的距离范围，然后在范围内的采样点来估计待插点的属性值。考虑了信息样品的形状、大小及与待估计块段相互间的空间位置等几何特征以及品位的空间结构之后，为达到线性、无偏和最小估计方差的估计，而对每一个样品赋予一定的系数，是一种光滑的内插方法，其内插的结果可信度较高。通过Surfer 对测量河底地形进行渲染及配置等区线见图1。

图1 河底地形渲染及配置等区线图

3.2 断面线分析

在Surfer中的网格文件里通过对数据数值化，沿着指定的直线创建一系列数据点文件来建立截面切片，切片的数据可以绘成剖面图显示在Surfer之中，或者用多个剖面图组合来显示一个横截面，通过等区线数值化，取得断面线分布情况，其坐标、高程见表2。

表2 坐标与高程

图2 地形断面剖面图

3.3 土方（体积）和表面积的计算

土方、面积计算在工程量计算、水库淹没分析等应用中非常重要。通常采用近似的方法计算体积，由于空间曲面的表示方法的差异，近似的计算方法也不一样，Surfer同时采用三种方法计算体积:梯形法(trapezoidal Rule) 、辛普森法(Simpson’s Rule)和辛普森3/ 8 法(Simpson’s 3/ 8 Rule)进行计算，通过规则对生成网络数据分别进行体积计算，最后取平均值。由于测量河道下游建有拦河坝，造成下游高程比上游高0.74m，其平均高程为95.8m，利用Surfer软件根据平均高程95.28m，计算95.28m以上体积及表面积。

表3 体积与表面积

由于泥沙运动，河道地形容易随着上游泥沙运动而改变，如何精确计算是一项困难的事情，借助RTK GPS技术，将Surfer软件应用于水下地形面积计算，极大提高工作效率，减少人为误差，并能形成三维模拟地貌，具有直观性，在水文地形测量中能起积极作用。

3.4 Surfer软件的应用

2016年5月20日，茂名信宜受弱冷空气和切变线共同影响，降特大暴雨。信宜站最大1小时、3小时降雨量接近200年一遇，最大6小时、12小时降雨量均超过200年一遇。鉴江上游及信宜城区、北界河发生了罕见洪涝灾害，达百年一遇，运用山洪灾害调查数据对信宜地区进行Surfer 3D地形建模，可通过立体图形直观分析雨量分布，（由茂名水文分局提供雨量数据，见表4、图3）。

表4 雨量数据

对雨量数据进行等值线、三维模型生成，进行直观判别雨量大小。

图3 雨量数据进行等值线、三维模型图

4 结语

（1）使用Surfer软件绘制某流域雨量等值线图，对于雨量等值线图可以直观、快速判断产生洪水的暴雨中心位置，对开展水库调度的预报和预泄工作将有很大的帮助。采用相对地理坐标数据进行等值线图绘制，还可以通过各雨量站点经纬度值作为坐标参数进行雨量等值线图的绘制，也可以结合某地区行政地图绘制该地区某时段的雨量等值线图。

（2）水下地形面积土方计算，极大提高工作效率，减少人为误差，并能形成三维模拟地貌具有直观性，在水文地形测量中能起积极作用。

（3）Surfer软件应用于水文测量，大大提高了工作效率，具有速度快、效果好等特点，能够满足防汛工作对时效性的要求，同时根据绘制，可作为资料分析和资料整编的手段，对水文、防汛管理工作有着切实的现实意义。

[1]白世彪.Surfer 10地学计算机制图[M].北京：科学出版社，2012.

[2]李德仁.空间数据挖掘理论与应用（第二版）[M].北京：科学出版社，2013.

[3]詹道江，叶守泽.程水文学[M].北京：中国水利水电出版社，2001.

[4]孙淑丽.数字高程模型测绘技术及其在水利行业的应用[J].河南水利，2003，(3):9.

The Application of Surfer11.0 Software to Water Conservancy Engineering Survey

ZHANG Yi-yu
(Maoming Hydrology Bureau of Guangdong Provincial Bureau of Hydrology, Maoming 525000, China)

Topographic survey is conducted by GPS RTK, with spatial data of the terrain obtained and stored as files.For data sharing and analysis, functions such as drawings, data analysis and modeling of Surfer 11.0 are adopted to underwater earthwork calculation, 3D modeling, and spatial analysis. With a river section as an example, advantages and development trend of the software in the calculation of water under the earth are illustrated. Practice has proved the convenience, visualization and efficiency of Surfer 11.0, which can ensure that the software fully meets the need of professional graphics rendering of the hydrological work, and will be helpful in topographic survey, earthwork calculation, 3D modeling, and eventually 3D geological modeling.

topographic survey; analysis; modeling; earthwork; hydrology

TV221

：A

：1672-2841（2016）04-0020-03

2016-11-05

张义宇，男，助理工程师，主要从事水文水资源，水利工程测量工作。