技术领域
[0001] 本
发明涉及河床演变过程数据信息可视化研究领域，具体是一种地形数据快速可视化辅助河床演变研究的方法，其充分利用多种计算和绘图
软件各自的特点，相互交叉使用，可减轻技术人员劳动强度，并提高工作效率和计算
精度。
背景技术
[0002] 目前在河道治理规划、采砂规划、护岸工程设计、涉
水建筑物防洪评价论证等理论研究和工程实践中，河床演变过程分析是研究工作中最基本的技术手段之一。通常情况下，传统河床演变过程分析需人工对地形资料进行读取和计算各个典型横断面特征值，同时在EXCEL中对数据资料进行繁琐的计算、绘画典型横断面图以及分析河床冲淤量，该方法中河床冲淤量计算精度与选取的断面间距和人工读取经验有关，空间分析能
力差。对于研究河段顺直且长度短的情况下这种常规方法可行，但针对所需研究河段平面形态复杂且长度长、分析的地形测次多、分析任务重但时间又紧的情况，就存在难以满足工作进度和精度要求的问题。因此，如何高效处理地形数据辅助河床演变过程分析是亟需解决的问题。
发明内容
[0003] 有鉴于此，本发明提供一种地形数据快速可视化辅助河床演变研究的方法，可以实现高效处理地形数据进行河床演变过程分析，有助于为同行研究者在河床演变相关研究工作中为
基础数据采集和后处理工作提供有效、便捷的技术手段。
[0004] 本发明采用如下技术方案实现：
[0005] 一种快速实现河道水下地形数据信息可视化辅助河道演变研究的方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1、根据地形图中特征地形线和实测点层的不同属性特点集中批量采集多年河道不同测次水下地形数据，包括X、Y和Z坐标值；
[0007] 步骤2、完成河床典型横断面基本数据采集工作，集中提取典型横断面起点距和高程数据；
[0008] 步骤3、编制河床典型横断面历年冲淤变化脚本执行文件，在CAD中快速生成河床典型横断面历年冲淤变化图；
[0009] 步骤4、集中计算选取的研究河段典型横断面的特征值，同时采用断面地形法计算河床冲淤量；
[0010] 步骤5、在SURFER软件中采用网格地形法计算研究河段的河床冲淤量，并和断步骤4面地形法计算河床冲淤量进行综合对比，最后确定该河段河床冲淤量；
[0011] 步骤6、绘制不同测次间的河床冲淤变化平面分布
云图。
[0012] 进一步的，步骤1具体为：
[0013] (1)先打开AUTOCAD软件，读取地形图文件，一般地形图的图层包括控制点、首曲线、计曲线、实测点、水边线图层，为保证计算精度，首先需要对地形图进行
整理，保证地形图范围与断面法一致，由于岸上侧点比较稀疏，可根据等高线高程适当内插一些，将地形图中的多余信息图层关闭，仅留取线条和高程点图层，另存为*.dxf文件；
[0014] (2)打开对象名选项中，先将地形中的多段线、特征点用list命令查看各自属性；
[0015] (3)图层名选项中，包括线型、
颜色、
块名；
[0016] (4)将自编可视化主程序文件打开后，在主菜单中选择“断面”，分项选择“读DXF文件”，输入第(2)小步中所取得对象名、图层名、线型名、颜色、块名或高程信息；
[0017] (5)对上步中各种点或线段的信息输入完后，分别点选“三维点”，生成多个对应*.pts数据文件，最后将多个数据文件合并为一个文本文件，以*.txt扩展名格式保存。
[0018] 进一步的，步骤2具体为：
[0019] (1)在EXCEL空白工作薄中输入需要剖的河床典型横断面左右起止点坐标，第一行第一列输入“1”，第一行第二列输入断面数“n”；
[0020] (2)第二行第一列输入断面号，第二行后面四列分别为断面起止点横纵座标值，第二行第6和第7列均输入数值“0”；第三行往下依次类推，输入所有河床典型横断面断面号总数、断面号及断面坐标起止点坐标值；
[0021] (3)输入完横断面断面号、起止点坐标值信息后将该文件另存为扩展名为*.csv的文件，用记事本打开*.csv文件，删掉第一行中尾部出现的一些逗号，点击保存并关闭；
[0022] (4)在主菜单中选择“断面”，分项选择“数据采集”，按左键点选“模型北京坐标”，按左键点选“打开散点”，选择步骤1中第(5)小步中生成的*.txt数据文件；
[0023] (5)按左键点选“采集多断面”，选择要求剖的断面起始点坐标文件，即第(3)步中生成的扩展名为*.csv的文件，按左键点选“保存多断面”；
[0024] (6)在与主程序文件相同文件夹中可查到自动生成的剖分好的断面数据文件，文件名为“输出断面.sec”；
[0025] (7)在EXCEL界面下打开“输出断面.sec”，选择“逗号”分隔符打开该数据文件，最后得到的河床典型横断面起点距和高程数据。
[0026] 进一步的，步骤3具体为：
[0027] (1)将上述步骤2中第(7)小步中生成的河床横断面数据先在EXCEL工作簿中根据不同的断面号分别存成相应的数据文件，每个工作簿中包含同一典型横断面不同年份相应的横断面起点距和高程值数据，第一行数据为断面号，第二行为河床地形第一个测次的年月时间信息，第三行为断面剖分的总点数，第四行为断面起点距，第五行为断面相应高程，第六行为第一个测次的年月时间信息，以下依次类推输入所有测次的断面起点距和高程信息；
[0028] (2)将每个断面对应的工作簿分别存成相应的*.dat文件，点击“套汇横断面”应用程序文件，出现“输入数据文件名”对话框，根据提醒依次输入前面生成的*.dat文件和年份总数，按回车键后自动在文件夹中生成“H21”脚本文件；
[0029] (3)打开CAD软件，点击“工具”菜单栏，选取“运行脚本”，选择上步中生成的“H21”脚本文件；
[0030] (4)CAD界面中将出现典型横断面历年冲淤变化图，并附有相应横纵座标轴、图名和图例，在CAD中根据实际需要对线型和颜色等信息进行
修改。
[0031] 进一步的，步骤4具体为：
[0032] (1)先将研究河段某一年份测次的各个典型横断面起点距和高程数据在各自的工作簿中按照横断面数据格式图的格式排列好，图中第一行第一列为断面号，第二行第二列为断面起点距个数，第一行中其它列数均为起点距，第二行第二列及其后面的列数分别为与第一行起点距相应的高程值；
[0033] (2)在EXCEL工作薄中将断面号、断面间距、计算水位和水下地形资料测量时间按照下面的格式输入横断面河相关系计算表中，将
鼠标放到第一个断面号单元格上，在主菜单中选“文件”，点“打开”，运行自编好的文件名为“personal.xls”的宏文件；
[0034] (3)在主菜单中选“工具”，点“宏”，选择运行宏名“personal.xls！河相关系系数”，接着在对话窗口中选择断面数据表名，最后点“run”即可，得到河相关系表；
[0035] (4)采用断面法计算研究河段的河床冲淤量。
[0036] 进一步的，步骤5具体过程为：
[0037] (1)根据步骤1中第(5)步得到的*.txt扩展名格式文件将冲淤计算中需要的首次和第二次地形数据文件均另存为扩展名为*1.bln和*2.bln的文件；
[0038] (2)将需要计算冲淤分布变化的范围边界线坐标数据文件另存为扩展名为“bln”的文件“边界线.bln”；
[0039] (3)打开Surfer主程序，点“网格”菜单，选择“数据”选项，选择初始首次地形*1.bln格式文件，对网格线素几何学中将地形图中X和Y的最大、最小值、间距分别输入；两次测图的网格X、Y的最大、最小值选择一致，网格尺寸可选择；选中克里格网格化方法。单击“高级选项”，进入后对“搜索椭圆”中的半径1和半径2分别根据地形图的测图精度进行选择，确定后得到初始网格地形*1.grid文件，同理生成第二次网格地形*2.grid文件；
[0040] (4)打开Surfer主程序，点“3D表面图”工具栏按钮，选择上一步中生成的网格地形数据文件，可相应绘出由网格文件生成的三维表面图，便于检查异常高程点；
[0041] (5)打开Surfer主程序，点“网格”菜单，选择“白化”选项，先选打开需要白化的地形数据文件*1.grid，再选打开边界线.bln，保存生成白化后网格地形文件out1.grid，同理生成白化后的地形数据文件out2.grid；
[0042] (6)打开Surfer主程序，点“网格”菜单，选择“体积”选项，；
[0043] (7)打开网格文件；
[0044] (8)“上表面”中选择计算水位常数，“下表面”选择地形网格文件，点击“确定”，生成网格体积计算文件，文件中“正体积[挖方]”即为计算水位下的槽蓄量；
[0045] (9)同一研究河段两个不同测次同一计算水位下的槽蓄量差值即为该计算水位条件下该研究河段的河床冲淤量；
[0046] (10)根据上述步骤4中采用断面地形法计算的河床冲淤量和本次计算的河床冲淤量成果，采用算术平均法最后确定本河段不同测次间河床冲淤量数值，在EXCEL中绘制不同测次间河床冲淤量变化图。
[0047] 进一步的，步骤6具体为：
[0048] (1)打开Surfer主程序，点“网格”菜单，选择“数学”选项，在“输入网格文件A”中打开文件out1.grid，在“输入网格文件B”中打开文件out2.grid，在“输入函数中”中填写“C＝B-A”，在输出网格文件中填写保存的文件名和输出地址，选择确定；打开Surfer主程序，点“地图”菜单，选择“等值线图”选项和“新建等值线图”，打开输出网格文件out.grid，得到不同测次间河床冲淤变化分布等值线图；
[0049] (2)在生成的河床冲淤分布图上点击鼠标右键，选择“属性”，在“常规”选项中，对填充等值线和颜色比例选中，选择平滑等值线。在“等级”选项中对“线条”点击左键，在“属性”中选择“分级”，点击“颜色”，选择载入“rainbown.clr”，在“等级”选项中对“填充”点击左键，在“前景色”和“背景色”中分别点左键进入，选择载入“rainbown.clr”，应用确定，即可得到反映不同测次间的河床冲淤变化平面分布云图。
[0050] 本发明拟针对河道水下地形实现快速高效完成基础数据的采集、计算和可视化工作，包括采集多年河道不同测次河道水下地形X、Y和Z坐标数据和典型横断面起点距和高程值数据、计算或绘制河床横断面历年高程变化、典型断面特征值、河床冲淤量、河床冲淤变化平面分布情况等，有助于为同行研究者在河床演变相关研究工作中为基础数据采集和后处理工作提供有效、便捷的技术手段。
附图说明
[0051] 图1是本发明河床典型横断面断面号总数、断面号及断面坐标起止点坐标值格式图；
[0052] 图2是本发明河床典型横断面剖分结果数据格式图；
[0053] 图3是本发明某一典型河床横断面数据格式图；
[0054] 图4是本发明某一典型河床横断面历年冲淤变化图；
[0055] 图5是本发明某一年份测次各个典型横断面数据格式图；
[0056] 图6是本发明某一测次各个典型横断面河相关系计算表；
[0057] 图7是本发明某一测次各个典型横断面河相关系计算结果表；
[0058] 图8是本发明读入实测点X、Y文件，选择网格间距示意图；
[0059] 图9是本发明由网格文件生成的三维表面图；
[0060] 图10是本发明打开体积计算界面文件；
[0061] 图11是本发明选择网格文件；
[0062] 图12是本发明选择计算上、下表面；
[0063] 图13是本发明体积计算报告；
[0064] 图14是本发明不同测次间河床冲淤量变化柱状图；
[0065] 图15是不同测次间河床冲淤厚度变化平面分布云图；
[0066] 图16是本发明地形数据快速可视化辅助河床演变研究的方法其中一个
实施例的流程示意图。
具体实施方式
[0067] 下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0068] 本发明拟针对河道水下地形实现快速高效完成基础数据的采集、计算和可视化工作，包括采集多年河道不同测次河道水下地形X、Y、Z坐标数据以及典型横断面起点距和高程值数据，计算河床横断面历年高程变化、典型断面特征值、河床冲淤量，绘制河床冲淤变化平面分布情况等。有助于为同行研究者在河床演变相关研究工作中为基础数据采集和后处理工作提供有效、便捷的技术手段。
[0069] 结合图16所示，本发明其中一个实施例提供一种地形数据快速可视化辅助河床演变研究的方法，包括如下步骤：
[0070] 步骤1、根据地形图中特征地形线和实测点层的不同属性特点集中批量采集多年河道不同测次水下地形数据，包括X、Y和Z坐标值。具体过程如下：
[0071] (1)先打开AUTOCAD软件，读取地形图文件。一般地形图的图层包括控制点、首曲线、计曲线、实测点、水边线等图层。为保证计算精度，首先需要对地形图进行整理，保证地形图范围与断面法一致。由于岸上侧点比较稀疏，可根据等高线高程适当内插一些。将地形图中的多余信息图层如植被、堤线等图层关闭，仅留取线条和高程点图层，另存为*.dxf文件；
[0072] (2)打开对象名选项中，先将地形中的多段线、特征点用list命令查看各自属性，对于首曲线或计曲线的对象名包括Lwpolyline、Polyline等，对于点属性为块的实测点层的对象名可用Iinsert，此外还有Point、Text，对于二维多段线的对象名可选Vertex；
[0073] (3)图层名选项中，包括线型(如6641，6642)、颜色(如5，10)、块名；
[0074] (4)将自编可视化主程序文件打开后，在主菜单中选择“断面”，分项选择“读DXF文件”，输入第(2)步中所取得对象名、图层名、线型名、颜色、块名或高程等信息等属性；
[0075] (5)对上步中各种点或线段的信息输入完后，分别点选“三维点”，生成多个对应*.pts数据文件，最后将多个数据文件合并为一个文本文件，以*.txt扩展名格式保存。
[0076] 步骤2、完成河床典型横断面基本数据采集工作，集中提取典型断面起点距和高程数据。具体过程如下：
[0077] (1)在EXCEL空白工作薄中输入需要剖的河床典型横断面左右起止点坐标，第一行第一列输入“1”，第一行第二列输入断面数“n”；
[0078] (2)第二行第一列输入断面号，第二行后面四列(即第2～第5列)分别为断面起止点横纵座标值(一般为1954北京平面
坐标系相应数值，以下同)，第二行第6和第7列均输入数值“0”；第三行往下依次类推，输入所有河床典型横断面断面号总数、断面号及断面坐标起止点坐标值，如图1所示；
[0079] (3)输入完横断面断面号、起止点坐标值等信息后将该文件另存为扩展名为*.csv的文件，用记事本打开*.csv文件，删掉第一行中尾部出现的一些逗号，点击保存并关闭；
[0080] (4)在主菜单中选择“断面”，分项选择“数据采集”，按左键点选“模型北京坐标”，按左键点选“打开散点”，选择第8步中生成的*.txt数据文件；
[0081] (5)按左键点选“采集多断面”，选择要求剖的断面起始点坐标文件(即第3步中生成的扩展名为*.csv的文件)，按左键点选“保存多断面”；
[0082] (6)在与主程序文件相同文件夹中可查到自动生成的剖分好的断面数据文件(文件名为“输出断面.sec”)；
[0083] (7)在EXCEL界面下打开“输出断面.sec”，选择“逗号”分隔符打开该数据文件，最后得到的河床典型横断面起点距和高程数据格式如图2所示。
[0084] 步骤3、编制河床典型横断面历年冲淤变化脚本执行文件，在CAD中快速生成河床典型横断面历年冲淤变化图。其步骤如下：
[0085] (1)将上述步骤2中第(7)小步中生成的河床横断面数据先在EXCEL工作簿中根据不同的断面号分别存成相应的数据文件，每个工作簿中包含同一典型横断面不同年份相应的横断面起点距和高程值数据，第一行数据为断面号，第二行为河床地形第一个测次的年月时间信息(注意需将起点距变化范围最大的某一测次数据放在第一组数据中，可保证横坐标轴的完整性)，第三行为断面剖分的总点数，第四行为断面起点距，第五行为断面相应高程，第六行为第一个测次的年月时间信息，以下依次类推输入所有测次的断面起点距和高程信息，输入数据格式见图3；
[0086] (2)将每个断面对应的工作簿分别存成相应的*.dat文件。点击“套汇横断面”应用程序文件，出现“输入数据文件名”对话框，根据提醒依次输入前面生成的*.dat文件和年份总数，按回车键后自动在文件夹中生成“H21”脚本文件；
[0087] (3)打开CAD软件，点击“工具”菜单栏，选取“运行脚本”，选择上步中生成的“H21”脚本文件；
[0088] (4)CAD界面中将出现典型横断面历年冲淤变化图，并附有相应横纵座标轴、图名和图例等，可在CAD中根据实际需要对线型和颜色等信息进行修改(效果图见图4)。
[0089] 步骤4、集中计算选取的研究河段典型横断面的特征值，同时采用断面地形法计算河床冲淤量。其计算过程如下：
[0090] (1)先将研究河段某一年份测次的各个典型横断面起点距和高程数据在各自的工作簿中按照图5中的格式排列好，图中第一行第一列为断面号，第二行第二列为断面起点距个数，第一行中其它列数均为起点距，第二行第二列及其后面的列数分别为与第一行起点距相应的高程值；
[0091] (2)按照图6中的格式，在EXCEL工作薄中将断面号、断面间距、计算水位和水下地形资料测量时间按照下面的格式输入表中，将鼠标放到第一个断面号单元格上，在主菜单中选“文件”，点“打开”，运行自编好的文件名为“personal.xls”的宏文件；
[0092] (3)在主菜单中选“工具”，点“宏”，选择运行宏名“personal.xls！河相关系系数”，接着在对话窗口中选择断面数据表名，最后点“run”即可。得到的河相关系表如图7所示；
[0093] (4)采用断面法计算研究河段的河床冲淤量。根据两个地形测次得出的容积即槽蓄量，可计算相应的河床冲淤量。断面间距越小其河床冲淤量计算值越准，一般情况下断面间距选0.5倍河宽以内其计算成果与网格地形法误差较小。
[0094] 步骤5、在SURFER软件中采用网格地形法计算研究河段的河床冲淤量，并和断步骤4面地形法计算河床冲淤量进行综合对比，最后确定该河段河床冲淤量。其具体过程如下：
[0095] (1)根据步骤1中第(5)小步得到的*.txt扩展名格式文件将冲淤计算中需要的首次和第二次地形数据文件均另存为扩展名为*1.bln和*2.bln的文件。
[0096] (2)将需要计算冲淤分布变化的范围边界线坐标数据文件另存为扩展名为“bln”的文件“边界线.bln”。
[0097] (3)打开Surfer8.0主程序，点“网格”菜单，选择“数据”选项，选择初始首次地形*1.bln格式文件，对网格线素几何学中将地形图中X和Y的最大、最小值、间距分别输入。两次测图的网格X、Y的最大、最小值选择一致。对于1：10000地形测图而言，网格尺寸控制在30m以内，与更小网格相比，误差不超过5％。选中克里格网格化方法。单击“高级选项”，进入后对“搜索椭圆”中的半径1和半径2分别根据地形图的测图精度进行选择，如万分之一地形图，可取300左右，主要考虑1：10000地形图水下采用断面法测量，断面间距约170～210m，点距约60～80m，岸上实测点略稀，若选择过大，河道两岸差值不准，若过小，则网格尺寸内点过少，出现白化区域多。确定后得到初始网格地形*1.grid文件，同理生成第二次网格地形*
2.grid文件(见图8)。
[0098] (4)打开Surfer主程序，点图9中右侧“3D表面图”按钮，选择上一步中生成的网格地形数据文件，可相应绘出如图9中所示的表面图，便于检查异常高程点。
[0099] (5)打开Surfer主程序，点“网格”菜单，选择“白化”选项，先选打开需要白化的地形数据文件*1.grid，再选打开边界线.bln，保存生成白化后网格地形文件out1.grid，同理生成白化后的地形数据文件out2.grid。
[0100] (6)打开Surfer主程序，点“网格”菜单，选择“体积”选项，见图10；
[0101] (7)打开网格文件，见图11。
[0102] (8)“上表面”中选择计算水位常数，“下表面”选择地形网格文件，点击“确定”，生成网格体积计算文件，文件中“正体积[挖方]”即为计算水位下的槽蓄量，见图12和图13。
[0103] (9)同一研究河段两个不同测次同一计算水位下的槽蓄量差值即为该计算水位条件下该研究河段的河床冲淤量。
[0104] (10)根据上述步骤4中采用断面地形法计算的河床冲淤量和步骤5中采用网格地形法计算的河床冲淤量成果，采用算术平均法最后确定本河段不同测次间河床冲淤量数值，在EXCEL中绘制不同测次间河床冲淤量变化图。
[0105] 步骤6、绘制不同测次间的河床冲淤变化平面分布云图。步骤如下：
[0106] (1)打开Surfer主程序，点“网格”菜单，选择“数学”选项，在“输入网格文件A”中打开文件out1.grid，在“输入网格文件B”中打开文件out2.grid，在“输入函数中”中填写“C＝B-A”，在输出网格文件中填写保存的文件名(如out.grid)和输出地址，选择确定。打开Surfer主程序，点“地图”菜单，选择“等值线图”选项和“新建等值线图”，打开输出网格文件out.grid，得到不同测次间河床冲淤变化分布等值线图。
[0107] (2)在生成的河床冲淤分布图上点击鼠标右键，选择“属性”，在“常规”选项中，对填充等值线和颜色比例选中，选择平滑等值线。在“等级”选项中对“线条”点击左键，在“属性”中选择“分级”，点击“颜色”，选择载入“rainbown.clr”，在“等级”选项中对“填充”点击左键，在“前景色”和“背景色”中分别点左键进入，选择载入“rainbown.clr”，应用确定。即可得到类似如图15中的反映不同测次间的河床冲淤变化平面分布云图。
[0108] 本发明诣在结合运用多个自编实用程序集中批量采集河道和典型横断面地形数据、快速生成河床典型横断面历年冲淤变化图、批量计算河道典型断面特征值、并采用不同方法(包括断面法和网格地形法)计算河床冲淤量(采用算术平均最后确定冲淤量值)，其中采用EXCEL、AUTOCAD、FORTRAN和SURFER等多种软件进行数据后处理，最后可视化模拟不同测次间的河床冲淤变化平面分布情况。河床演变过程可视化工作以多年实测河床地形观测数据和河道典型断面特征值、河床冲淤计算为驱动，在计算机各种相关
应用软件环境中直观模拟河床
时空冲淤演化过程。
[0109] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
