基于dem的城市道路渠网化排水通道制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于DEM的城市道路渠网化排水通道制作方法，属于市政工程信息技术与地理信息系统技术交叉领域。本专利从内涝仿真模型构建的需求出发，基于城市道路的高精度DEM模型，将城市道路矢量面层区域划分为高精度的规则网格，并于交点处生成节点矢量图层；通过道路DEM提取节点地面高程值，沿道路中线，选择节点并拟合道路纵断面曲线方程；计算拟合道路纵断面曲线的斜率，依据设定阀值选择道路纵断面特征地形点；依据道路纵断面特征地形点划分道路渠网断面；依据地形特征提取算法，选择道路各断面的特征点，最终实现一维道路渠网化排水通道的构建。方法快速、准确地构建出与道路地形变化相符的一维排水渠道，在满足水力模型模拟精度的要求下，将极大地简化城市防涝规划调整工作的开展。
【专利说明】基于DEM的城市道路渠网化排水通道制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于DEM的城市道路渠网化排水通道制作方法，属于市政工程信息技术与地理信息系统技术交叉领域。
【背景技术】
[0002]近年来，城市区域的内涝灾害频发，基于地理信息系统和水力模型的内涝数值仿真模拟技术已在城市地表淹水情景模拟以及排水防涝规划方面得到了广泛的应用。城市地形的竖向规划是城市防涝工程体系建设的最主要部分，通过地形竖向调整，使得城市道路发挥排水通道的作用，引导超标降雨形成的地表径流排入下游水体或蓄水设施是防涝工程体系常用的工程措施之一。
[0003]目前，传统的城市道路竖向均是以地形栅格数字高程模型(DEM)进行描述，但平面二维栅格化的表达难以应用于对其断面尺寸及竖向的规划和调整，每次微调道路断面的尺寸或竖向高程时，若采用栅格DEM模型进行表达，则均需要重现提取地形高程点进行空间插值计算，该过程繁琐且复杂，不利于规划调整工作的高效开展。
[0004]城市道路在防涝工程体系中发挥的作用主要是充当渠网化的排水通道，根据实际道路的地形特征，同一段道路具有相同的横断面形式以及不同的纵断面坡度变化，其地表的二维水流运动可近似为一维明渠流动。因此，将二维的道路数字高程模型简化为一维渠道，在满足水力模型模拟精度的要求下，将极大地简化城市防涝规划调整工作的开展。如何根据高精度的道路DEM模型，快速、准确地构建出与其地形变化相符的一维渠道将是本专利重点阐述的内容。
[0005]本专利从内涝仿真模型构建的需求出发，基于城市道路的高精度DEM模型，将城市道路矢量面层区域划分为高精度的横竖向规则网格，并于规则网格交点处生成节点矢量图层；通过道路DEM提取节点地面高程值，沿道路中线，选择节点并拟合道路纵断面曲线方程；计算拟合道路纵断面曲线的斜率，依据设定阀值选择道路纵断面特征地形点；依据道路纵断面特征地形点划分道路渠网断面；依据地形特征提取算法，选择道路各断面的特征点，最终实现一维道路渠网化排水通道的构建。
【发明内容】
[0006]本发明主要为解决当前基于传统的道路DEM模型开展城市防涝规划调整工作难度高，操作繁琐复杂的缺点，提出了一种基于城市道路高精度DEM模型构建出渠网化排水通道的处理方法。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]基于DEM的城市道路渠网化排水通道制作方法，所述方法依次包含以下步骤:
[0009](I)基于城市道路矢量多边形面层，划分精度为0.1m?Im的规则网格。基于规则网格，于交点处构建节点矢量图层，节点图层对象需包括属性字段:地面高程、X坐标和Y坐标，上述字段均设置为双精度数据类型；[0010](2)基于道路高精度数字高程模型，提取节点图层对象地面高程值，提取方法为基于被采样节点的空间XY坐标，使用双线性插值法内插节点的高程数值；
[0011](3)道路纵断面曲线的拟合；
[0012](3.1)基于道路矢量多边形图层，连接节点图层对象，绘制道路中心线的线层矢量图层，对道路横断面形式发生变化以及多道路交汇的情况，需划分为多个道路中心线矢量对象；
[0013](3.2)道路纵断面曲线的拟合需首先构建出沿道路方向和竖向高程的直角坐标系，采用局部多项式法对同一道路中心线矢量图层对象所连接的高程点的高程值进行回归分析和曲线拟合，拟合曲线方程形式为η次代数多项式H=h⑴=Bfa1X+- +anXn ；
[0014]η次代数多项式的选择为从低次至高次进行优选，以曲线拟合的确定系数大于
0.9为优选标准。通过构建最小二乘法的法方程组，矩阵求解出多项式的各项参数％、
an，从而得到表征道路纵断面地形变化的η次多项式方程；
[0015](4)设置间隔Λ X=0.1，计算拟合道路纵断面曲线的斜率h' (X)，设定阀值TR，TR值的大小来源于城市道路纵坡设计规范，其值设置为0.01，依据阀值选择道路纵断面特征地形点，纵断面特征地形点满足lh' (X)I≥TR或h'⑴=0;
[0016](5)依据选择的道路纵断面特征地形点，作道路中心线垂线并编号作为渠网断面划分，基于渠网断面对 节点图层进行局域搜索，对节点图层进行所属断面的分组划分；
[0017](6)对同一渠网断面节点，依据Douglas-Peucker算法,选择道路横断面的特征占.[0018]对于任一渠网断面节点，执行下述递归计算过程:
[0019](6.1)对渠网断面节点计算任意两节点间距离，最大距离的两个节点，如P和Q设为边缘节点组，连接边缘节点作直线PQ ；
[0020](6.2)计算其他节点到PQ的垂直距离，选择距离最大的点，如该点为Pi,其距离为Di;
[0021](6.3)依据所定精度限差δ，δ值的设定来源于道路横向断面设计规范，设置其值为0.1米，比较δ与Di值大小，若Di小于精度限差，则特征点提取完毕且选择的特征点仅为边缘节点P和Q，若Di大于精度限差，则节点Pi增补为特征点，作直线段PPi和直线段PiQ,分别返回步骤6.2，执行递归计算过程；
[0022]有益效果:
[0023]1.采用本发明的构建方法，能够根据高精度的道路DEM模型，快速、准确地构建出与其地形变化相符的一维渠道，可满足城市内涝规划模型的应用需求。
[0024]2.常规道路栅格DEM模型难以应用于对其断面尺寸及竖向的规划和调整，本专利将二维的道路数字高程模型简化为一维渠道，在满足水力模型模拟精度的要求下，将极大地简化城市防涝规划调整工作的开展。
[0025]3.本专利通过地形特征提取算法，在最大程度的保留了原地形特征的基础上，减少了所需的数据量，而无需耗费极大的存储资源和计算资源进行道路排水通道的空间描述以及对其的模拟计算。
【专利附图】
【附图说明】:[0026]图1为本发明“基于DEM的城市道路渠网化排水通道制作方法”工作的流程示意图。
【具体实施方式】:
[0027]本发明的具体实施流程如图1所示，包括以下步骤:
[0028](1)在ArcGIS地理信息系统平台下，基于城市道路矢量多边形面层，划分横竖向高精度规则网格，网格精度设置为0.1m~lm。基于规则网格，于交点处构建节点矢量图层，节点图层对象需包括属性字段:地面高程、X坐标和Y坐标，上述字段均设置为双精度数据类型；
[0029](2)基于道路高精度数字高程模型，提取节点图层对象地面高程值，提取方法为基于被采样节点的空间XY坐标，使用双线性插值法内插节点的高程数值，通过ArcGIS地理信息系统平台下的“Extract Values To Points”工具可快速实现；
[0030](3)基于道路矢量多边形图层，连接节点图层对象，绘制道路中心线的线层矢量图层，对道路横断面形 式发生变化以及多道路交汇的情况，划分为多个道路中心线矢量对象；
[0031](4)道路纵断面曲线的拟合首先构建出沿道路方向和竖向高程的直角坐标系，采用局部多项式法对同一道路中心线矢量图层对象所连接的高程点的高程值进行回归分析和曲线拟合，拟合曲线方程形式为η次代数多项式H=h (X) =Bc^a1X+…+anXn ；
[0032]η次代数多项式的选择为从低次至高次进行优选，以曲线拟合的确定系数大于
0.9为优选标准。通过构建最小二乘法的法方程组，矩阵求解出多项式的各项参数％、af..an，从而得到表征道路纵断面地形变化的η次多项式方程；
[0033](5)设置间隔Λ X=0.1，计算拟合道路纵断面曲线的斜率h' (X)，设定阀值TR，TR值的大小与道路纵坡设计规范相关，通常设置为0.01，依据阀值选择道路纵断面特征地形点，纵断面特征地形点满足|h' (X) I≥TR或h'⑴=0 ;
[0034](6)依据选择的道路纵断面特征地形点，作道路中心线垂线并编号作为渠网断面划分，基于渠网断面对节点图层进行局域搜索，对节点图层进行所属断面的分组划分；
[0035](7)对同一渠网断面节点，依据Douglas-Peucker算法,选择道路横断面的特征占.[0036]对于任一渠网断面节点，执行下述递归计算过程:
[0037](7.1)对渠网断面节点计算任意两节点间距离，最大距离的两个节点，如P和Q设为边缘节点组，连接边缘节点作直线PQ ；
[0038](7.2)计算其他节点到直线PQ的垂直距离，选择距离最大的点，如该点为Pi，其距离为Di ；
[0039](7.3)依据所定精度限差δ，δ值的选择与道路横向断面设计规范相关，通常设置为0.1米，比较δ与Di值大小，若Di小于精度限差，则特征点提取完毕且选择的特征点仅为边缘节点P和Q，若Di大于精度限差，则节点Pi增补为特征点，作直线段PPi和直线段PiQ,分别返回步骤6.2，执行递归计算过程。
【权利要求】
1.基于DEM的城市道路渠网化排水通道制作方法，其特征在于: 所述方法依次包含以下步骤: (1)基于城市道路矢量多边形面层，划分精度为0.1m~Im的规则网格；基于规则网格，于交点处构建节点矢量图层，节点图层对象需包括属性字段:地面高程、X坐标和Y坐标，上述字段均设置为双精度数据类型； (2)基于道路高精度数字高程模型，提取节点图层对象地面高程值，提取方法为基于被采样节点的空间XY坐标，使用双线性插值法内插节点的高程数值； (3)道路纵断面曲线的拟合； (3.1)基于道路矢量多边形图层，连接节点图层对象，绘制道路中心线的线层矢量图层，对道路横断面形式发生变化以及多道路交汇的情况，需划分为多个道路中心线矢量对象； (3.2)道路纵断面曲线的拟合需首先构建出沿道路方向和竖向高程的直角坐标系，采用局部多项式法对同一道路中心线矢量图层对象所连接的高程点的高程值进行回归分析和曲线拟合，拟合曲线方程形式为η次代数多项式H=h⑴=Bfa1X+- +anXn ； η次代数多项式的选择为从低次至高次进行优选，以曲线拟合的确定系数大于0.9为优选标准；通过构建最小二乘法的法方程组，矩阵求解出多项式的各项参数％、B1; ; ;an，从而得到表征道路纵断面地形变化的η次多项式方程； (4)设置间隔ΛΧ=0.1，计算拟合道路纵断面曲线的斜率h' (X)，设定阀值TR，TR值的大小来源于城市道路纵坡设计规范，其值设置为0.01，依据阀值选择道路纵断面特征地形点，纵断面特征地形点满足|h' (X) I≥TR或h'⑴=0 ; (5)依据选择的道路纵断面特征地形点，作道路中心线垂线并编号作为渠网断面划分，基于渠网断面对节点图层进行局域搜索，对节点图层进行所属断面的分组划分； (6)对同一渠网断面节点，依据Douglas-Peucker算法,选择道路横断面的特征点； 对于任一渠网断面节点，执行下述递归计算过程: (6.1)对渠网断面节点计算任意两节点间距离，最大距离的两个节点，如P和Q设为边缘节点组，连接边缘节点作直线PQ ； (6.2)计算其他节点到PQ的垂直距离，选择距离最大的点，如该点为Pi,其距离为Di ； (6.3)依据所定精度限差δ，δ值的设定来源于道路横向断面设计规范，设置其值为0.1米，比较δ与Di值大小，若Di小于精度限差，则特征点提取完毕且选择的特征点仅为边缘节点P和Q，若Di大于精度限差，则节点Pi增补为特征点，作直线段PPi和直线段PiQ,分别返回步骤6.2，执行递归计算过程。
【文档编号】G06F17/50GK103927418SQ201410149299
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月12日 优先权日:2014年4月12日
【发明者】周玉文, 刘子龙, 刘畅, 唐颖, 赵见, 王宏利 申请人:北京工业大学