城市地表水系的栅格dem模型差分计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种城市地表水体的栅格DEM模型差分计算方法。根据河道测绘的河道底坡与河道堤岸的高程数据，从河道底坡及河道堤岸的真实情况出发，对反映水系特貌的区域，做精细化处理。河道底坡采用纵断面局部高程变化曲线拟合方法进行加密处理，河道堤岸由等高线及其坡度与实测数据进行加密处理，构建出能反映河道底坡与河道堤岸真实状况的高精度城市地表水系DEM。
【专利说明】城市地表水系的栅格DEM模型差分计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及城市地表水系的栅格DEM模型差分计算方法，属于市政工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002]数字高程模型(Digital Elevation Models, DEM)是利用数值方法来表达地表形态的主要方法，其广泛应用于三维地形建模、可视性分析、地形特征提取、水文分析、洪水淹没分析等诸多工程应用领域。目前常用的DEM数据结构包括规则格网DEM和不规则三角网(Triangulated Irregular Network, TIN)以及等高线(Contour)等。高精度水系的 DEM 可以精确的表达出河道或湖泊的范围和深度，为研究河道的水文条件，分析洪水淹没等提供了便利。根据河道测绘的河道底坡与河道堤岸的高程数据，从河道底坡及河道堤岸的真实情况出发，对反映水系特貌的区域，做精细化处理，河道底坡采用纵断面局部高程变化曲线拟合方法进行加密处理，河道堤岸由等高线及其坡度与实测数据进行加密处理，构建出能反映河道底坡与河道堤岸真实状况的高精度水系DEM。
【发明内容】
[0003]针对上文所描述的水系情况，为了准确构建水系高精度DEM，从而方便对河道进行水文分析、洪水淹没分析等，本发明涉及一种城市水系高精度DEM的制作方法，属于市政工程【技术领域】。其构造过程主要涉及:利用坠子或超声波测位仪测量河道底坡和河道堤岸尽量多的高程点数据；根据实测河道底坡高程数据应用横、纵断面局部高程变化曲线拟合方法进行加密处理，从而使生成的河道底坡DEM更加平缓，坡度和拱度使河道底坡更逼真，大幅度提高模型精度；根据实测河道堤岸实测数据，对于堤岸纵向采取等高线拟合，即河道堤岸纵向高程相等，对于河道堤岸横向断面，采取堤岸坡度加密法，相隔0.5米——I米设置一个加密点；输入加密点高程数据，使用ARCGIS中的3D Analyst模块中的TIN to Raster功能，生成DEM。该方法阐述了一种城市水系的高精度DEM制作方法，可以精确反映河道的真实的地形貌特征，并为研究河道水文参数提供了直观依据。该方法可用于分析河道洪水淹没、内涝积水等模型软件，因此，本方法具有很好的应用前景。
[0004]本发明的技术方案如下:
[0005]一种城市地表水系的栅格DEM模型差分计算方法，其特征在于:所述方法具体步骤如下:
[0006](I)利用坠子或者超声波测位仪测量河道底坡与河道堤岸的高程数据，精度尽可能高。对于河道底坡和河道堤岸的交界点(边坡点)的高程数据应尽可能多的测得。
[0007](2)加密河道底坡高程点。首先拟合河道底坡纵断面曲线，可利用实测的河道边线高程对河道底坡局部纵断面进行曲线拟合，进而加密河道底坡边线高程数据。以河道底坡边线所在纵断面为例，y轴表示底坡长度，z轴表示高程，建立直角坐标系。拟合曲线方程如图2示。之后，再对高程点进行修正，使之回归到拟合曲线上。考虑各纵断面曲线形状相同，只是截距不同，则可得其他纵断面曲线可表示为:
[0008]z = 0.000002y3+0.00003y2-0.007y+b (b 为截距)
[0009]这样，根据某一横断面上任意一个高程点即可得到该点所在纵断面曲线方程，实现纵断面的高程加密。
[0010](3)获得河道底坡的纵断面曲线之后，需将增设的高程点位置在地图上显示出来，可利用CAD中偏移、定距等分、复制等功能对线条分割，并结合ArcGIS的拓扑功能快速生成加密点，并输入高程数据。加密点的密度应视河道底坡的坡度情况而定。当坡度较小时，采用小密度加密，即沿断面曲线方向每隔Im到5m增加一个高程点；当底坡坡度较大时，适当增大密度，可每隔0.1?0.5m增加一个高程点，使生成的河道底坡更加平缓，以符合真实情况。
[0011](4)加密河道堤岸高程点(内插法)。河道堤岸纵向为一圈圈的等高线，等高线上已知一个高程点的实测数据，即可加密河道堤岸纵向曲线。利用河道堤岸横向断面坡度，对河道堤岸横断面进行加密。每隔0.5米——I米内插一个高程点(小坡度采取I米，大坡度采取0.5米)，
[0012]则对于未知高程点在已知高程点下坡的情况(图3):
[0013]H = h-sin Θ *L
[0014]H:未知点高程h:已知点高程Θ:两点间的坡度L:两点间的距离
[0015]对于未知高程点在已知高程点上坡的情况(图3):
[0016]H，= h+sin Θ *L’
[0017]H’:未知点高程h:已知点高程Θ:两点间的坡度L’:两点间的距离
[0018](5)输入加密高程点数据，利用ARCGIS中的3D Analyst模块中的TIN to Raster功能，生成河道DEM。
[0019]与传统的水系EffiM制作方法相比，本专利提出的方法具有如下优点:
[0020](I)利用纵断面曲线拟合河道底坡，可以真实地反映底坡平缓的状态，使得DEM更加准确反映现实；
[0021](2)利用等高线加密河道堤岸纵断面，利用坡度加密河道堤岸横断面，客观反映堤岸真实情况，使得DEM更加准确反映现实。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明城市地表水系的栅格DEM模型差分计算方法过程示意图。
[0023]图2是拟合河道底坡纵断面曲线图。
[0024]图3是未知高程点在已知高程点上下坡的情况示意图。
【具体实施方式】
[0025]如图1所示，本发明的城市地表水系的栅格DEM模型差分计算方法，具体步骤如下:
[0026](I)利用超声波定位仪测量河道底坡与河道堤岸高程数据；
[0027](2)加密河道底坡高程点，可利用实测的河道边线高程对河道底坡局部纵断面进行曲线拟合，进而加密河道底坡边线高程数据。
[0028](3)获得河道底坡的纵断面曲线之后，将增设的高程点位置在地图上显示，利用CAD中偏移、定距等分、复制等功能对线条分割，并结合ArcGIS的拓扑功能快速生成加密点，并输入高程数据。
[0029](4)利用河道堤岸等高线和坡度加密河道堤岸高程点。
[0030](5)输入加密高程点数据，利用ARCGIS中的3D Analyst模块中的TIN to Raster功能，生成河道DEM。
【权利要求】
1.城市地表水系的栅格DEM模型差分计算方法，其特征在于，步骤如下: 1)测绘高程点数据； 2)加密河道底坡高程点:首先拟合河道底坡纵断面曲线，利用实测的河道边线高程对河道底坡局部纵断面进行曲线拟合，进而加密河道底坡边线高程数据；以河道底坡边线所在纵断面为例，y轴表示底坡长度，z轴表示高程，建立直角坐标系；再对高程点进行修正，使之回归到拟合曲线上；考虑各纵断面曲线形状相同，只是截距不同，则其他纵断面曲线表示为:
z=0.000002y3+0.00003y2-0.007y+b b为截距 这样，根据某一横断面上任意一个高程点得到该点所在纵断面曲线方程，实现纵断面的高程加密； 3).加密河道堤岸闻程点:河道堤岸纵向为一圈圈的等闻线，等闻线上已知一个闻程点的实测数据，即可加密河道堤岸纵向曲线；利用河道堤岸横向断面坡度，对河道堤岸横断面进行加密；每隔0.5米一I米内插一个高程点， 则对于未知高程点在已知高程点下坡的情况: H=h-sinΘ*L H:未知点高程h:已知点高程Θ:两点间的坡度L:两点间的距离 对于未知高程点在已知高程点上坡的情况:
H，=h+sin Θ *L， H’:未知点高程h:已知点高程Θ:两点间的坡度L’:两点间的距离 4).生成水系DEM。
【文档编号】G06F17/50GK104008225SQ201410144019
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】周玉文, 刘畅, 赵见, 刘子龙, 唐颖, 王宏利 申请人:北京工业大学