峡谷河道地形数据的不规则三角网构建优化

任 勇，孙振勇，周 威，邹 敏

（1.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010；2. 长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，重庆 400014）

峡谷河道地形数据的不规则三角网构建优化

任 勇1，孙振勇2，周 威2，邹 敏2

（1.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010；2. 长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局，重庆 400014）

针对金沙江河道狭窄多弯，突变点多，条带式分布的地形特点，对不规则三角网（TIN）进行了人工干预和优化，从而快速、合理、 准确地生成等高线。结果表明，合理地确定边界值、适当地优化TIN能快速高效地实现典型峡谷河底地形DEM 建模和等高线自动生成。

峡谷河道；TIN；特性线；等高线

金沙江地形陡峻，河床切割甚深，多呈V型或U型，两岸多为悬崖峭壁；河道弯曲多变，河底地形复杂，存在一些具有特殊结构的特征点、线，如突兀水深、凹崖等[1]。在利用绘图软件基于离散数据构建不规则三角网（TIN）的过程中[2]，如果不能将这些特征点、线的信息有效地利用起来，就会在一定程度上影响 DEM的内插精度，从而导致DEM 显示效果的失真。基于TIN生成的等高线也与实际地形严重不符。

针对金沙江河底地形数据特点，本文提出了一种构建TIN的优化方法。该方法充分考虑了金沙江弯曲带状地形的地貌特征，保证了内插后所得格网数据的精度。本文采用的水深资料为已经过吃水改正、水位改正、声速改正及深度基准统一等前期处理，并验证过的成果资料，故认为其水深数据均为真值。

1 金沙江河底地形数据的特点

常规的内陆水下地形测量采用断面法或散点法，断面法测量时需保持断面与水流方向垂直[3]。金沙江河道地形数据通常采用断面法施测，特殊困难区域采用散点法加以补充。河底地形是按水深点同时辅以水下等高线进行表示的，相对于陆上地形数据而言，河底地形数据略显单一。金沙江河底地形的特点是地形不可见，突变点多；地物单一，通常只有水下测点和等高线；分布不均匀，垂直河流方向上（测点间距）点距较密，顺直河流方向上（断面间距）点距较稀，见表1。在一些复杂地形区域，断面间距和测点间距应适当加密以便反映水下地形特征。

表1 金沙江河道水下地形点间距表/ m

2 构建TIN的原理

根据不规则分布的数据点绘制等高线可采用网格法或TIN法。TIN减少了规则格网的数据冗余，具有精度高和顾及地性线（如断裂线、构造线）等特点，且三角网形态良好，具有可变的分辨率，能较好地表现不规则地貌的形态特征[4]。

针对河底地形数据特性，采用动态距离加权法构建TIN。利用包含插值点三角形的3个已知数据点确定一个平面，从而求出内插点的高程值；再将每一个DEM格网点的高程与其周围的3个点高程进行距离加权平均，认为离中心点越近的参考点对中心点的高程影响越大。设所求的函数形式为：

式中，f^为所求格网点的高程值；G=[gl1，gl2，…，gln]T；g为所选离散点的高程值；AT=[W1/∑Wk，W2/∑Wk， …，Wm/ ∑Wk]；Wk=1.0/d2k；W为距离d函数的权函数[5-6]。

3 优化构建TIN

3.1 TIN边界值的确定

边界值为上限值，指由水深数据生成三角网时所允许的最大三角形边长，通过设置最大边长，可有效控制狭长三角形的生成。边界值的确定往往取决于水下测点的密度与精度，以及建立DEM所用的比例尺要求[7]。边界值设置过小，构建的TIN不够连续，呈锯齿断裂态；边界值设置过大，则弯曲水边线（TIN网边界）附近的三角网过于冗余。依据笔者多年经验，边界值一般设为断面间距的1.5～1.8倍为宜。图1中分别为某河底地形边界值过低、边界值适中、边界值过高时构建的TIN效果。

图1 某水域边界值过低、适中或过高时构建TIN效果图

3.2 TIN边界的优化

水深数据以组为单位或以日期为区域分块，该区域的上下游边界构建TIN时没有约束条件，仅按照边界值规则构建，相邻点间的TIN往往是不合理的，生成的等高线也与实际地形情况不吻合。此外，由于河道为弯曲不规则的条带状区域，水边线和附近的水深数据构建的TIN在弯曲处会越过水边线至陆上，造成DEM边缘错误，水下等高线自动生成至陆上区域。因此，需要在生产三角网时加以编辑，依据河道地形实际规则，采用手工增加特征点、三角形修改、三角网重组等办法，对三角网进行边界优化。图2、图3为某水域优化前后构建TIN及生产的等高线结果对比。

图2 边界优化前构建TIN及生成的等高线效果

图3 边界优化后构建TIN及生成的等高线效果

由图2可知，在未进行边缘优化的情况下，由于边界阈值大于点距值且缺乏约束条件，最下游断面线上的水深点自动寻找相邻点、水边线点生成若干个三角网，使得自动生成的等高线由水边线至河中心深槽呈90°弯曲状，明显与实际地形不符。同理，在弯曲水边处，由于最短距离小于边界阈值，不相邻水边线点跳跃构成三角网，生成的水下等高线与水边线相交并跨至陆上，产生明显的地形错误。通过人工干预优化后的三角网能很好地解决以上问题，图3为优化后构建TIN及生成的等高线图，经验证与实际地形吻合度良好。

3.3 特性线规则优化构建TIN

特性线又名地性线，是指对地形地貌在地表的空间分布特征具有控制作用的线状或面状要素。特性线是构成地表地形与起伏变化的基本骨架[8]。陆上特性线通常为山脊线、山谷线、陡坎或人工地物；河底地形特性线主要包括水边线、凸顶与凹陷点、被水淹没的坎线等。特性线的设置对于地形的正确表达与等高线的生成至关重要。在河间突兀的礁石或不规则水域等地形复杂处，需要以特性线来控制TIN的生成。例如，在小岛或江心洲处，选择水边线为特性线，并勾选特性线的闭合区不构网，则该处陆上范围内均不构网。清华山维EPS2012数字地模模块很好地解决了用特性线来优化构建TIN的问题。图4、5为同一区域进行特性线优化前后构建TIN及生成的等高线效果图。

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：1672-4623（2016）11-0095-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.033

2016-05-04。