长江河道横断面形态分析

王 燕，杨国飞，王兆亮

（中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008）

长江河道横断面形态分析

王 燕，杨国飞，王兆亮

（中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221008）

提取河道不同时期、不同位置断面可了解河流冲淤与河势。由河道点数据通过Spline插值生成DEM，利用ISurface接口提取断面线生成断面，根据断面面积变化进行冲淤分析。与长江澄通段实际河势对比显示，河段四处提取的断面能很好地反映河势变化。

河流断面；ArcEngine；断面分析

90年代起，国内一些研究人员开始研究利用 GIS技术研究断面分析与河床的冲淤计算，岸滩演变情况。GIS中主要用数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）数据来描述地面起伏状况，它们可以用于提取各种地形参数，如坡度、坡向、粗糙度等，并可进行通视分析、断面提取等应用分析[1]。传统河床演变分析方法中的断面分析主要是针对固定断面来进行,分析过程是根据固定断面的实测地形资料绘制河道断面图，处理数据的工作量较大，分析依赖断面实测资料的完整性[2]。近来提取断面所采用的方法有双线性插值法[3]、CAD编程输出法[4]、断面自动识别法[5]等，这些方法数据复杂，算法繁琐，实际应用中的适应性受到限制。本文以ArcEngine为开发平台，利用其强大的空间数据处理能力实现断面的提取。此方法具有工作量小，耗费低、实现迅速等优点。

1 澄通段概况

本文以长江澄通段为研究对象。长江澄通河段上起鹅鼻咀，下至徐六泾,全长96.8 km。该河段受径流和潮汐双重作用，具有河道宽阔弯曲、汉道众多、水沙动力条件复杂、河道冲淤多变等特点。近年来局部水域已出现了一些不利于河势稳定、防洪（潮）安全以及两岸国民经济设施正常运行的新变化，因此，迫切需要根据新的情况，研究澄通段近年来的冲淤变化，为沿岸地区经社会的可持续发展创造有利的河势条件。

2 方法及实现

2.1 数据基础

河道断面依赖于原始河道野外点布设实测数据，这些数据经进一步的插值处理，生成连续的地形数据。常用来进行断面提取的数据主要有DEM、等高线、不规则三角网（TIN Triangulated IrregularNetwork）等。

本文以长江澄通段实测点数据为基础，利用 ArcEngine提供的IInterpolationOp2接口插值生成DEM。IInterpolationOp2接口对象类封装了所有插值方法（如图1所示），比较常用的有反距离权重插值（IDW）和克吕格插值（Krige），样条插值（Spline）广泛应用于各种机械工程中。以Spline插值方式为例（见式（1）），需设置好插值所需的参数和环境参量。

图1 IInterpolationOp2接口类的不同插值方法

pFCD为待插值的点数据，esriGeoAnalysisRegularizedSpline为样条函数插值的类型，pOutputDatasetpline为插值结果（如图2所示）。通过多次分析比较，较为理想的插值模型为输出半径为20m的Spline插值。

2.2 提取河道断面

Arc Engine开发包提供了断面获取模型，通过ISurface获得的断面线是带有Z|M值的三维多义线，断面线的可视化界面是平面的Mapcontrol控件，三维的断面线无法显示出纵向的起伏变化。因此先获取断面点集中各点的Z值和X值，重新定义点的平面坐标，以距离左岸边界线的距离为X值，以Z值作为Y值。为突出效果将各点坐标整体放大25倍；由投影过的点生成多义线[6]，形成一条不封闭的断面线。

图2 Spline插值结果分级渲染图

为得到断面需添加0m线封闭断面线。0m线表示海平面，也是海岸线[7]。这里0 m 线是指静止的河流镜面。将生成的断面保存到数据库中，为断面分析提供数据基础。

2.3 断面冲淤分析

在决策应用中，人们想知道哪个岸边发生了冲淤，以期为后期的水工建筑修建和坡岸护理提供帮助[7]。文中定制一条分界线，称为中央垂线（指经过断面 0 m线中点与河底垂直的线段），以此垂线为中心，左边为河流左岸，右边为河流右岸，通过计算左右岸断面面积的变化了解冲淤情况[8]。对长江澄通河段一点位的断面进行冲淤分析，结果如表1所示。

表1 断面的冲淤变化

前后期断面总体呈淤积趋势，其中右岸冲刷，左岸淤积。断面线投影过程中已将坐标扩大25倍，数值具有参考价值。

2.4 断面形态研究

在如图3所示的4个点位截取断面，1号点河段顺直，2号点深泓位于右岸，3号点深泓位于左岸，4号点河道呈分汊游荡形态。

图3 断面线分布图

图4中各断面按顺时针向分别对应于图3中四处的断面。左上角的断面较为对称，对应的河道应为顺直型；右上角的断面形态呈现不对称三角形，深泓点位于河流左岸，对应的河道应向左岸弯曲；左下角的断面较为平缓，高程变化不大，但在右岸有最深点，对应的河道弯向右岸；右下角的断面没有规则的几何形态，呈现出游荡型断面，对应的河道形状为游荡形态。结合图 3可知，文中所采取的断面提取方式是正确可靠的，由其得出的河势变化与实际情况一致。

图4 1-4号点位断面形态图

3 结 语

本文从河道DEM数据中提取出了河道断面,并进行断面冲淤分析；根据断面形态推测河势，得出结果与实际相符，证实文中断面提取方法是合理的。基于断面的分析功能还有很大的提升空间，可把分析工具分成更多模块系统，如坡度稳定性分析、深泓线摆动分析、断面形状与坡度稳定性之间的关系分析等。

[1] 乌伦,刘瑜,张晶，等.地理信息系统原理、方法和应用[M].北京:科学出版社,2001

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[7] 王昌杰.河流动力学[M].北京:人民交通出版社,2000

[8] Haining Robert.Spatial Data Analysis[M].Cambridge University Press,2003

Cross-section Morphology Analysisof the Yangtze River

by WANG Yan

Extracting different historical period cross-sections at different locations could capture river flushesand siltation。Thispaperachieved creating DEM by the river point data through the Spline interpolation,extracting the cross section lines by using the ISurface interface to generate sections,implementing flushes and siltation analysisby copulating the cross-sections'areas.Theshapeof cross-sections,extracted atdifferent locations in the Yangtze River,according to theactualstyleof riverpotentialevolution,react the river situation very well.

cross-section，A rcEngine，cross-section analysis （Page:120）

P258

B

1672-4623(2011)02-0120-02

2010-11-08

项目来源：国家自然科学基金资助项目（40901191）。

王燕，硕士，主要研究方向为地理信息系统二次开发。