专利名称：用于数字岸线演变分析的正交断面方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及GIS (地理信息系统)与海岸工程相结合的应用技术领域，尤其涉及一种计算岸线冲淤演变分析的正交断面方法及自动化的岸线演变分析系统。
背景技术：
精确分析和掌握历史岸线的演变规律，有助于评估和预测未来岸线的变化趋势，对于海岸带规划和管理具有重要意义。由于岸线的几何形态是各种动力要素综合作用的结果，因此在海岸工程技术领域相对于水动力模型而言，通过对岸线变化进行建模来间接地研究内在的海岸侵蚀过程就成为一种广泛应用和便于实现的方法。而且，随着遥感技术的快速发展，从遥感影像上获取数字岸线变得更加容易，精度也越来越高，因而数字岸线的演变分析日益得到更为广泛和深入的应用。 在现有的数字岸线演变分析方法中，断面法是最常用的对岸线变化进行建模的方法之一。《海洋学报》1992年第14巻第3期中"黄河口区域演变的预测研究" 一文介绍了一种中心辐射状断面方法，其构成方法是从用户选定的基点出发做直线与岸线相交，不足之处是该方法仅适用于对形状较为规则的扇形三角洲海岸进行分析，无法用于其它海岸类型；美国地质调查局(USGS)网站2009年发布的报告"Digital ShorelineAnalysis System(DSAS)version 4. O-AnArcGIS extension for calculating shorelinechange"("数字岸线分析系统4.0-计算岸线变化的一个ArcGIS扩展")公开了一种垂直断面方法，其构成方法是垂直于用户选定的海岸基线等间距地做直线与岸线相交，不足之处是该方法仅适用于简单平直岸线的分析，对于复杂的非平直岸线则无法得到可靠的结果。尤其是，随着可获得数据空间精度的提高，数字岸线的复杂度和对分析结果精度的要求也随之不断提升，这成为传统的断面方法所面临的主要挑战之一。另一方面，在实际应用当中也缺乏有针对性的分析工具，通常的做法是通过大量的手工作业，同时借助其它分析软件如ArcGIS、M即Info、 Excel等的功能分步骤地实现，工作效率、计算精度都无法适应当前大规模业务化应用的要求。此外，海岸带是社会经济发展的敏感地带，海岸带的演变规律不应当仅限于专业人士所了解，更需要为普通公众所认识和关注，因此有必要发展公众易于认知的方式来展示海岸带演变的专业信息，而目前仍缺乏类似的系统方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种对各种类型岸线具有普适性的正交断面方法，并且利用GIS技术和图形学的方法，整合断面构造、统计分析、结果展示、生成分析报告等处理步骤，建立了数字岸线演变分析系统，实现了整个业务流程的自动化。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的 本发明的第一特征是提供了一种用于数字岸线演变分析的正交断面生成方法，包括以下步骤 (1)、生成虚拟岸线
将基线包括在岸线当中，设有n条岸线可以利用，实现步骤如下 a)如果岸线之间有交点，以交点为界将对应岸线打断为多个岸线段；岸线之间无
交点，则只有从起点到终点一个岸线段； b)从向岸或向海一侧出发，将最靠近向岸或向海一侧的岸线段重新连接为一条新"岸线"，依此类推，直到距离向岸或向海一侧最远的岸线段被重新连接；这样将原有岸线重新组合为n条彼此不相交但存在公共点的新"岸线"； c)从空间上相邻的每两条新"岸线"的起点出发，以公共点为界，从起点到第一个
公共点为第一段、从第一个公共点到第二个公共点为第二段、……、从最后一个公共点到终
点为最后一段；若无公共点，则只有从起点到终点一段；把每一段对应的两条线段都等分
为数个小段，依次对应，将等分后对应小段的端点分别相连构成直线段；再将构成的所有直
线段等分，得到多个中间点，将相应的中间点相连即得到对应的中间"岸线"； d)所有新"岸线"与中间"岸线"共同构成虚拟岸线，虚拟岸线的条数记为m; (2)、构造正交断面 a)从第一条虚拟岸线即基线出发，按距离基线由近及远的顺序依次为第二条虚拟岸线、第三条虚拟岸线，直到最后一条虚拟岸线； b)首先，在第一条虚拟岸线上选择一个点记为PpP工所在的直线段记为k，在第二条虚拟岸线上与相邻的直线段记为L2， 与L2的交点或者延长线的交点记为0，以0为圆心，线段为半径构造一个圆，圆与L2的交点记为P2， k与L2之间所夹的圆弧记为l^ ;
c)然后，从^出发，在第二条和第三条虚拟岸线之间按照步骤b同样方法构造圆
弧/^ ，依此类推，直到最后一条虚拟岸线，分别构造圆弧iy^ 、尸4尸5 、......《;
_ ^^;^w-^ ^ '""------'、 d)连接圆弧i^1、尸;尸4 、《尸5 、 ......、 ,即构成一条正交断面； (3)、从基线起点开始，沿基线等间距地重复步骤(2)构造每一条正交断面，直到基线的终点，完成所有正交断面的构造。 所述步骤(2)中两条相邻虚拟岸线所夹的圆弧，可以用连接圆弧两端点的直线、内接折线或外切折线近似实现。 所构造的正交断面与基线和所有的岸线正交。 本发明的第二特征是提供了一种数字岸线演变分析系统，由以下模块构成
(1)、参数设置模块用于设置基线参数、岸线参数、断面参数和交点参数；
(2)、构造断面模块用于设置断面输出路径、断面名称、是否反转基线方向，并根据所设置的参数生成相应的断面； (3)、计算统计模块用于选择断面图层、置信水平及统计方法参数，并根据所设置的参数计算统计出相应的岸线变化率及其对应的统计量； (4)、结果展示模块用于展示输出计算得到的最终结果，包括断面动态、岸线变化率和统计报告文本； (5)、动态模拟模块用于岸线演变过程的模拟。
本发明的进一步措施是 所述参数设置模块，其中设置基线、岸线参数包括选择基线图层、岸线图层，以及岸线图层的年份字段和误差字段；设置断面参数包括选择断面类型为垂直断面或正交断面、设置断面间距和断面长度、选择断面方向为左、右或自动检测；设置交点参数包括选择 交点为最近交点或者最远交点。 所述构造断面模块，用于根据所设置的参数生成对应的垂直断面或正交断面；如 果所生成断面的方向不能够与岸线相交，则可以选择反转基线方向重新生成，并能够根据 用户指定的路径和断面名称，将所生成的断面保存为独立文件。 所述计算统计模块，用于选择所要计算的断面图层、指定置信水平、并选择端点 法、线性回归和加权线性回归三种统计方法中的一至三种方法进行计算统计，并输出交点 数据表和结果数据表； 其中交点数据表包括每条岸线与断面的交点坐标、每个交点沿断面到基线的距 离等数据信息；结果数据表包括根据用户所选择的方法计算得到的结果端点法的计算结 果为利用端点法得到的岸线变化率；线性回归和加权线性回归方法的计算结果包括各自对 应的岸线变化率，以及f、估计标准差、用户指定置信水平下的斜率标准差。
所述结果展示模块，用于生成统计报告文本和交互式展示最终的输出结果，包括 岸线变化率图、断面动态图和统计报告文本； 其中岸线变化率图，可以选择由用户所指定统计方法中的任意一种进行展示，并
且岸线变化率为正值和负值的点分别用不同的颜色进行标记；选择关联地图，则地图窗口
中岸线变化率为正值和负值的断面分别显示为岸线变化率图中对应点的标记颜色，并且选
择其中一个断面，岸线变化率图中的对应点被高亮显示，同时显示对应的岸线变化率数值；
岸线变化率图可以输出为jpeg、bmp、png、gif和封装式PostScript图片； 其中断面动态图，可以选择由用户所指定统计方法中的任意一种进行展示，也可
以由用户指定置信水平进行展示；断面动态图直接与结果数据表和地图关联，选择结果数
据表中的一条记录，显示对应的断面动态图，地图窗口中对应的断面被选中；选择地图窗口
中的一个断面，显示对应的断面动态图，结果数据表中对应的记录被选中；断面动态图可以
输出为jpeg、bmp、png、gif和封装式PostScript图片； 其中统计报告文本，内容包括计算岸线总长度、断面间距；用户所选每一种计算
统计方法各自对应的总体最大、最小和平均岸线变化率，淤涨岸段总长度、最大、最小和平
均淤涨速率，侵蚀岸段总长度、最大、最小和平均侵蚀速率；以及无计算结果岸段长度。 所述动态模拟模块，假定相邻两个时间点之间岸线匀速演变，进而采用变形
(Morphing)技术实现岸线冲淤演变过程的模拟，并可以对模拟过程进行控制； 与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明的正交断面方法可以适用于不同
类型的岸线，对于平直岸线，所构造出来的断面接近于垂直断面，而对于复杂的非平直岸
线，所构造的断面正交于每一条岸线，其方向与岸线的自然演变模式相吻合，提高了岸线变
化率计算的可靠性；本发明的岸线演变分析系统，利用GIS技术和图形学的方法实现了岸
线演变分析整个处理流程的自动化，降低并消除了手工作业的强度和主观性，提高了工作 效率，保证了计算结果的精度和可靠性，也使得计算结果具有可比较性；同时采用二维图表 与地图关联的方式，以及动态模拟的方式对结果进行展示，增强了专业数据信息的直观性， 使结果易于为非专业用户所理解。
图1是本发明虚拟岸线生成示意图 图2是本发明构造正交断面示意图 图3是本发明数字岸线演变分析系统流程图 图4是本发明需要用户指定的主要参数示意图 图5是本发明所生成的正交断面图 图6是本发明岸线变化率图与地图关联展示图 图7是本发明岸线动态图与地图关联展示图 图8是本发明岸线演变过程模拟图
具体实施例方式
为方便说明具体实施方式
，下面以上海市崇明东滩非平直岸线为例，结合附图对 本发明作进一步详细描述。 崇明东滩的岸线是典型的非平直岸线，如图5所示，本例中采用了 05/18/1987、 12/04/1990、04/06/1995、 11/08/1998、 10/21/2003、04/20/2006六个时间点的数据，由于该 岸段的水动力条件复杂，6条岸线存在彼此相交的情况。
正交断面生成方法，步骤如下 a)首先生成虚拟岸线，参阅图l，其中上下最外侧的虚拟岸线应与原始岸线的位 置重合，为便于说明，分别将它们向上下两侧平移了一段距离；本例中(图5)，包括基线需 要处理7条岸线，步骤为 (1)、获取7条岸线的所有交点，其中基线与岸线之间没有交点，以交点为界将相 交的岸线打断为各自对应的岸线段； (2)、按照从基线向海的顺序，依次将岸线段重新连接为彼此不相交仅存在公共点 的7条新"岸线"； (3)、参阅图l，从空间上相邻的每两条新"岸线"的起点出发，以公共点为界，从起
点到第一个公共点为第一段、从第一个公共点到第二个公共点为第二段、……、从最后一个
公共点到终点为最后一段；如果无公共点，则只有从起点到终点一段；把每一段对应的两
条线段等分为相同的份数，依次对应，将端点分别相连构成直线段；再将构成的所有直线段
等分，得到多个中间点，将相应的中间点相连即得到对应的中间"岸线"； (4)、所有新"岸线"与中间"岸线"共同构成虚拟岸线。 b)在虚拟岸线的基础上构造正交断面，请参阅图2，构造方法如下 (1)、从第一条虚拟岸线即基线出发，按距离基线由近及远的顺序依次为第二条虚
拟岸线、第三条虚拟岸线，直到最后一条虚拟岸线； (2)、首先，在第一条虚拟岸线上选择一个点记为Pl， Pl所在的直线段记为b，在第 二条虚拟岸线上与相邻的直线段记为L2， 与L2的交点或者延长线的交点记为0，以0为 圆心，线段为半径构造一个圆，圆与L2的交点记为P2， b与L2之间所夹的圆弧记为^ ;
(3)、然后，从^出发，在第二条和第三条虚拟岸线之间按照步骤(2)同
样的方法构造圆弧jy^ ，依此类推，直到最后一条虚拟岸线，分别构造圆弧jy^ 、<formula>formula see original document page 8</formula> (4)、连接圆弧《/>2 、尸;g 、《4、、《—,尸 ，即构成一条正交断面。
c)从基线起点开始，沿基线以2000m的间距重复步骤b构造每一条断面，直到基线 的终点，共构造17条正交断面。如图5所示，可以发现，对于下方较为平直的岸段，正交断 面接近于直线，并且所有的正交断面与基线和每一条岸线都正交，正交断面的方向与岸线 的自然演变方向一致。 作为编程实现的近似算法，上述步骤b实现方法中两条相邻虚拟岸线之间的圆弧 可以用连接圆弧两端点的直线、内接或外切折线所代替，也可以采用其它将圆弧离散化的 方法。 以上述正交断面生成方法为基础，本发明的数字岸线演变分析系统(参阅图3)， 对实施例(崇明东滩)进行岸线演变分析的步骤如下 (1)、加载基线和岸线数据，进行参数设置，参阅图4。选择基线图层、岸线图层，年
份字段、误差字段，系统默认年份字段和误差字段名称分别为Date」Uncy，如果岸线图层中
对应的字段名称与系统默认值一致，年份字段和误差字段将自动加载，否则需要用户指定；
选择断面类型为正交断面、断面间距为2000m;选择正交断面，断面长度和断面方向参数将
不可用；如果断面类型选择垂直断面，可以根据岸线所跨越的横向空间范围确定断面长度，
根据基线的方向，以及基线与岸线的位置关系确定断面方向；选择交点参数为最近交点或
最远交点，如果一条断面与一条岸线存在多于一个交点的情况该选择将生效。 (2)、构造断面。选择断面图层的输出路径，系统默认值为岸线数据所在的路径；指
定断面名称；在参数设置中选择正交断面，该处反转基线方向不可用；在垂直断面的情况
下，如果生成的断面与岸线不相交，则可以选择反转基线方向重新生成断面。所生成的正交
断面请参阅图5。 (3)、计算统计。选择断面图层为"构造断面"步骤所指定的断面名称；选择置信水 平和计算方法，计算方法包括端点法、线性回归方法和加权线性回归方法，可以选择一到三 种方法，置信水平将用在线性回归方法和加权线性回归方法当中。本步骤计算完成，系统将 默认生成断面与岸线的交点数据表和计算统计结果数据表，并保存在"构造断面"步骤所指 定路径中。其中，端点法的计算结果为利用端点法得到的岸线变化率；线性回归和加权线性 回归方法的计算结果包括各自对应的岸线变化率，以及1 2、估计标准差、用户指定置信水平 下的斜率标准差。 (4)、结果展示。岸线变化率图展示计算得到的岸线变化率结果(参阅图6);断面 动态图展示任意一条断面对应于所选计算方法的统计分析情况(参阅图7);生成统计报告 将对所选每一种计算方法得到整个岸线的总体情况，以及淤涨岸段和侵蚀岸段的情况进行 汇总输出； 其中，岸线变化率图可以选择由用户所指定统计方法中的任意一种进行展示，并 且岸线变化率为正值和负值的点分别用不同的颜色进行标记；选择关联地图，则地图窗口 中岸线变化率为正值和负值的断面分别显示为岸线变化率图中对应点的标记颜色，并且选 择其中一个断面，岸线变化率图中的对应点被高亮显示，同时显示对应的岸线变化率数值； 岸线变化率图可以输出为jpeg、bmp、png、gif和封装式PostScript图片；
其中，断面动态图可以选择由用户所指定统计方法中的任意一种进行展示，也可 以由用户指定置信水平进行展示；断面动态图直接与结果数据表和地图关联，选择结果数 据表中的一条记录，显示对应的断面动态图，地图窗口中对应的断面被选中，选择地图窗口 中的一个断面，显示对应的断面动态图，结果数据表中对应的记录被选中；断面动态图可以 输出为jpeg、bmp、png、gif和封装式PostScript图片。 此外，可以利用动态模拟模块对岸线的冲淤演变过程进行模拟，请参阅图8。该模 块假定相邻两个时间点之间岸线匀速演变，并在此基础上采用变形(Morphing)技术实现。 首先，选择岸线图层和模拟的时间间隔，进行数据初始化；初始化完成之后，会显示岸线演 变的起止时间；设置播放速度，开始岸线冲淤演变过程的模拟，模拟过程当中显示当前模拟 岸线的时间，并可以实时改变播放速度、暂停或重新开始。
权利要求
一种用于数字岸线演变分析的正交断面生成方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)、生成虚拟岸线将基线包括在岸线当中，设有n条岸线可以利用，实现步骤如下a)如果岸线之间有交点，以交点为界将对应岸线打断为多个岸线段；岸线之间无交点，则只有从起点到终点一个岸线段；b)从向岸或向海一侧出发，将最靠近向岸或向海一侧的岸线段重新连接为一条新“岸线”，依此类推，直到距离向岸或向海一侧最远的岸线段被重新连接；这样将原有岸线重新组合为n条彼此不相交但存在公共点的新“岸线”；c)从空间上相邻的每两条新“岸线”的起点出发，以公共点为界，从起点到第一个公共点为第一段、从第一个公共点到第二个公共点为第二段、……、从最后一个公共点到终点为最后一段；若无公共点，则只有从起点到终点一段；把每一段对应的两条线段都等分为数个小段，依次对应，将等分后对应小段的端点分别相连构成直线段；再将构成的所有直线段等分，得到多个中间点，将相应的中间点相连即得到对应的中间“岸线”；d)所有新“岸线”与中间“岸线”共同构成虚拟岸线；(2)、构造正交断面a)从第一条虚拟岸线即基线出发，按距离基线由近及远的顺序依次为第二条虚拟岸线、第三条虚拟岸线，直到最后一条虚拟岸线；b)首先，在第一条虚拟岸线上选择一个点，为第一点，该点所在的直线段为第一直线段，在第二条虚拟岸线上与第一直线段相邻的直线段为第二直线段，第一直线段与第二直线段的交点或者延长线的交点，为第一交点，以该交点为圆心，该交点到第一点的线段为半径构造一个圆，圆与第二直线段的交点为第二点，第一直线段与第二直线段之间所夹的圆弧为第一圆弧；c)然后，从第二点出发，在第二条和第三条虚拟岸线之间按照步骤b同样的方法构造第二圆弧，依此类推，直到最后一条虚拟岸线，分别构造第三圆弧、第四圆弧……；d)依次连接所构造的全部圆弧即构成一条正交断面；(3)、从基线起点开始，沿基线等间距地重复步骤(2)构造每一条正交断面，直到基线的终点，完成所有正交断面的构造。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中两条相邻虚拟岸线所夹的 圆弧，用连接圆弧两端点的直线、内接折线或外切折线来近似实现。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所构造的正交断面与基线和所有的岸线正交。
4. 一种数字岸线演变分析系统，其特征在于该系统包括以下模块(1) 、参数设置模块用于设置基线参数、岸线参数、断面参数和交点参数；(2) 、构造断面模块用于设置断面输出路径、断面名称、是否反转基线方向，并根据所 设置的参数生成相应的断面；(3) 、计算统计模块用于选择断面图层、置信水平及统计方法参数，并根据所设置的参 数计算统计出相应的岸线变化率及其对应的统计量；(4) 、结果展示模块用于展示输出计算得到的最终结果，包括断面动态、岸线变化率和统计报告文本；(5)、动态模拟模块用于岸线演变过程的模拟。
5. 根据权利要求4所述的分析系统，其特征在于所述参数设置模块中，设置基线、岸线 参数包括选择基线图层、岸线图层以及岸线图层的年份字段和误差字段；设置断面参数包 括选择断面类型为垂直断面或正交断面、设置断面间距和断面长度、选择断面方向为左、右 或自动检测；所述设置交点参数包括选择交点为最近交点或者最远交点。
6. 根据权利要求4所述的分析系统，其特征在于所述构造断面模块中，根据所设置的 参数生成相应的端面为垂直断面或正交断面；若所生成断面的方向不能够与岸线相交，则 选择反转基线方向重新生成，并根据用户指定的路径和断面名称，将所生成的断面保存为 独立文件。
7. 根据权利要求4所述的分析系统，其特征在于所述计算统计模块，用于选择所要计 算的断面图层及指定置信水平采用端点法、线性回归法和加权线性回归法中的一种至三种 方法进行计算统计，并输出交点数据表和结果数据表；所述交点数据表包括每条岸线与断面的交点坐标、每个交点沿断面到基线的距离数据 信息；所述结果数据表包括根据用户所选择的方法计算得到的结果端点法的计算结果为利 用端点法得到的岸线变化率；线性回归法和加权线性回归法的计算结果包括各自对应的岸 线变化率，以及f、估计标准差、用户指定置信水平下的斜率标准差。
8. 根据权利要求4所述的分析系统，其特征在于所述结果展示模块，用于展示输出计 算得到的最终结果，包括岸线变化率图、断面动态图和统计报告文本所述岸线变化率图，选择由用户所指定统计方法中的任意一种进行展示，并且岸线变 化率为正值和负值的点分别用不同的颜色进行标记；选择关联地图，则地图窗口中岸线变 化率为正值和负值的断面分别显示为岸线变化率图中对应点的标记颜色，并且选择其中一 个断面，岸线变化率图中的对应点被高亮显示，同时显示对应的岸线变化率数值；岸线变化 率图可以输出为jpeg、bmp、png、gif和封装式PostScript图片；所述断面动态图，选择由用户所指定统计方法中的任意一种进行展示或由用户指定置 信水平进行展示；断面动态图直接与结果数据表和地图关联，选择结果数据表中的一条记 录，显示对应的断面动态图，地图窗口中对应的断面被选中；选择地图窗口中的一个断面， 显示对应的断面动态图，结果数据表中对应的记录被选中；断面动态图可以输出为jpeg、 bmp、 png、 gif和封装式PostScript图片；所述统计报告文本，内容包括计算岸线总长度、断面间距；用户所选每一种计算统计方 法各自对应的总体最大、最小和平均岸线变化率，淤涨岸段总长度、最大、最小和平均淤涨 速率，侵蚀岸段总长度、最大、最小和平均侵蚀速率；以及无计算结果岸段长度。
9. 根据权利要求4所述的分析系统，其特征在于所述动态模拟模块，假定相邻两个时 间点之间岸线匀速演变，采用变形技术实现岸线冲淤演变过程的模拟，并对模拟过程进行 控制。
全文摘要
本发明公开了一种用于数字岸线演变分析的正交断面方法及系统，旨在提供一种适用于不同岸线类型的断面方法和自动化程度高、计算结果可靠、并能有效展示岸线演变数据信息的系统；本发明利用GIS技术和图形学的方法，通过整合参数设置、构造断面、计算统计、结果展示、动态模拟等模块建立技术方案，实现了整个业务流程的自动化。利用本方法及系统，可显著提高工作效率和业务化水平，并能够增强行业数据信息的易于理解性，可以为河口海岸工程、科研领域及相关决策部门提供服务。
文档编号G06F17/30GK101702169SQ20091019870
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月12日 优先权日2009年11月12日
发明者吴稳, 周云轩, 李行, 沈宏, 袁庆 申请人:华东师范大学