等值线在线修改系统的设计与应用

徐映雪，牛鑫艳，翟彩霞，薛　伟

(1．北京清流技术股份有限公司，北京 100073；2．北京清流地下水资源研究所，北京 100073)

等值线在线修改系统的设计与应用

徐映雪1，2，牛鑫艳1，翟彩霞1，2，薛伟1

(1．北京清流技术股份有限公司，北京 100073；2．北京清流地下水资源研究所，北京 100073)

摘要：等值线面是水利信息化数据处理、成果展示及预测预警的重要方法。本文介绍了自主开发的等值线在线修改系统Conmas，利用数据流技术通过对原始样本数据的编辑实现了可视化的等值线自动修改，极大提高了等值线绘制工作的便捷性；并结合水利信息化业务需要，改进了裁剪功能，拓展了统计分析、剖面图绘制、特殊区域识别等功能。等值线算法库经二次开发后已成功应用于水利部水情信息中心的地下水业务与分析系统、地质灾害监测预警平台等项目中。

关键词：插值；等值线；在线修改；数据流；Conmas

等值线面作为数据处理及成果展示的重要方法，在水文、气象、地质灾害监测等许多方面有着深入的研究应用，尤其是在地质灾害预测领域中也有着广泛的应用[1]。它可以有效地表示雨量、地下水位、墒情、温度等几何场变量的大小、分布信息，等值线之间的距离反映了场变量的变化大小。传统的手工绘图方法计算量大、工作繁重。随着20世纪中期电子计算机的出现，等值线的绘制也开始进入程序化和计算机化的新阶段[2-4]，目前国内外的商业绘图软件基本都有绘制等值线的功能。最常见的等值线绘图软件为美国Golden Software 公司编制的Surfer8.0[5]，其处理二维数据，主要面向等高线、三维表面图的绘制，最大的不足为图形与常用GIS软件接口较差；另外美国MathWorks公司出品的商业数学软件Matlab[6]，是用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级计算语言和交互式环境，Matlab对数据的处理功能强大，但对于绘制等值线来说，需要编程实现，且对等值线的编辑功能较弱，对于初学者上手较难，该软件主要面向气象数据的处理和展示；此外还有美国Tecplot公司推出的数据处理软件Tecplot系列软件[7]、美国马里兰大学开发的气象数据分析与现实软件GrADS、Esri开发的ArcGIS[8]，国产软件GeoStar 的GeoTIN 模块、MapGIS[9]的DTM分析模块等均能生成等值线，但它们在等值线自动生成、编辑、数据接口以及信息系统二次开发集成等方面均有一定的不足之处。

本文主要介绍了基于GIS平台开发的一套等值线在线修改系统，利用数据流技术通过对原始样本数据的编辑实现了可视化的等值线自动修改，极大提高了等值线绘制工作的便捷性；结合水利信息化业务需要，改进了裁剪功能，拓展了统计分析、剖面图绘制、特殊区域识别等功能。等值线算法库经二次开发后已成功应用于水利部水情信息中心的地下水业务与分析系统、地质灾害监测预警平台等项目中。

1等值线在线修改流程

1.1等值线生成基本步骤

等值线生成的步骤一般是遵循一定规律的、模式化的，这为实现等值线绘制过程的程序化提供了前提。首先利用原始的样本散点数据创建矩形网格类型的数字模型(GRD模型)，进而进行等值点查找、等值线追踪、等值面构建等，等值线生成，基本步骤如下：

步骤一：获取样本散点数据文件，必须包括观测点或取样点的坐标和观测数据。

步骤二：生成矩形网格数据文件，即计算网格节点值，由散点数据经插值(克里格、反距离加权等)计算而得。

步骤三：等值点计算，根据矩形网格数据线性内插得到穿过网格线的等值点。

步骤四：等值线追踪，即等值点相连，构成闭合或与插值区域边界线相交的曲线。

1.2等值线在线修改流程

样本数据的多寡、空间分布、数据正确性、人工经验等因素决定了等值线的形状。因此实际工作中，往往是通过人工判断等值线是否符合区域实际，符合区域实际则完成等值线绘制工作，否则需要编辑样本散点数据，通过对样本散点数据的反复编辑，最终生成符合区域实际情况的等值线图。完成等值线的绘制工作后，往往还要根据实际的业务工作需要，进行等值线的裁减、标注、面积量算等。

因此本文提出利用数据流技术，建立样本散点数据、矩形网格数据、等值线等结果数据之间的单向连通性和传递性，通过对原始样本数据的编辑后自动触发该流程，最终实现等值线图的自动绘制和修改。

2等值线在线修改系统实现与应用

2.1设计目标

等值线在线修改系统的主要设计目标可归结如下：借助GIS技术实现散点图可视化及在线编辑；建立散点数据和等值线图之间数据流的连通性和单向传递性，以及自动触发机制，一旦样本散点数据发生变化，则等值线图以及基于此样本数据生成的剖面图、特殊区域等均实现同步更新计算功能。这样便可直接在散点图上对原始数据进行可视化编辑，等值线图实现自动重绘和在线修改。

2.2系统结构

等值线自动绘制系统Conmas主要部分采用CS结构设计，其具有表现元素多元化，交互性能好，安全性能易保证、客户端响应速度快等优势。程序总体框架由三个模块构成：数据管理模块、数据处理模块、图形输出模块。

数据管理模块主要实现创建数据库并储存数据，例如散点数据、剖线数据、裁剪边界数据、网格数据等。数据按照点、线、面不同类型进行分类储存。该模块为绘图的基础，提供数据支持和调用。

数据处理模块主要实现对图形的辅助计算功能。例如散点的插值计算、数据筛选、剖面数据的计算、图形裁剪、基于网格的体积面积计算、等值线光滑算法、图形的长度面积计算等。该模块是Conmas的核心技术部分，体现了等值线的高级应用。

图形输出模块主要实现图形的绘制、编辑、保存及输出功能。例如散点图、等值线面图、裁剪边界图、栅格底图、剖面图、Shp图等图形元件的绘制。该模块输出等值线图，生成用户所需要的最终效果图。

2.3主要功能及应用

除了等值线的在线修改基本功能之外，结合水利信息化业务要求开发了分区统计、特殊区域绘制、剖面图等功能。

(1)等值线在线修改

在实际工作中，监测站点分布及其监测数据的质量往往会影响等值线的绘制，具体包括：①区域控制性监测站点不足；②常规监测站点变更，造成数据的不连续；③由于自动监测设备损坏等原因造成的漏测等，导致监测数据不全；④监测数据不准确，比如地下水水位观测井为生产结合井时，可能观测的是动水位数据；⑤统测类站点存在的站点变更或统测数据由于人为原因造成的不精确等。因此需要根据区域的地形、水文地质情况等，通过站点的管理来绘制符合区域实际的等值线。

借助GIS平台设计了针对监测站散点数据的人机交互式的可视化操作界面(图1)，包括可不使用一个或多个明显不合理的监测数据；可虚拟控制性监测站点数据，在目标区域点击后输入虚拟监测数据即可；根据监测数据的连续性可对时间序列不全的数据进行插补；可直接修改不合理的监测数据等。通过编辑操作散点数据即可实现等值线的自动绘制和修改功能。

图1　等值线在线修改系统界面

(2)等值线裁剪的改进

目前大部分软件对图形的裁剪最常用的处理方法是基于矩形网格的裁剪方法，即以实际裁剪的边界线所经过的网格为边界对图形进行裁剪[10]。该方法思路简单编程较易实现，但应用此方法进行图形裁剪存在很大的缺陷，裁剪后的图形边界不光滑，存在明显的锯齿状；网格单元的尺寸越大这样的不光滑性越明显。若基于网格无限细分思想进行改进则会造成计算效率低、占用空间大，而且在GIS平台下，很难完美解决这一问题。

为了避免上述缺点，我们采用了一种新算法——基于多边形的裁剪方法，使绘图边界更加光滑更符合实际(图2)。其中的多边形都可以是一般多边形，既可以是凹多边形，也可以是有内孔的多边形。该算法使用单线性链表数据结构，与其他使用双链表或树结构的算法相比，具有最简单的结构和最快的执行速度。新算法的具体步骤描述如下：①首先指定裁剪框window和待裁剪图形polygon,给定的裁剪框和待裁剪图形均是具有方向的多边形结构，即多边形的顶点是以一定顺序(顺或逆时针)输入的；②对待裁剪的polygon进行方向调整(与裁剪框的输入方向一致)；③对待裁剪多边形与裁剪框多边形求交点集。对于交点集按照待裁剪多边形的序号(pi)从小到大排序，然后记录并保存由入边到出边之间的结点；同样的交点集按照裁剪框Window边的序号(wi)从小到大排序，然后记录并保存由出边到入边之间的结点；④连接这些交点得到多个闭合的多边形就是待裁剪多边形polygon与裁剪框window 的交集。

图2　基于网格法和多边形法裁剪效果对比图

(3)剖面图绘制

剖面图展示的是沿着某一剖线断面的Z属性值随X轴坐标的变化曲线(图3)。根据不同走向的剖面图，我们可以分析出沿某一剖线的数据分布特征、判断异常的走向和分布范围等信息。比如在水资源领域，我们可以用来反应沿某一剖面方向地下水水位、埋深等监测因素的变化情况。

剖面图上的剖面数据点无外乎以下三类：一、剖线的首尾端点；二、剖线转折点；三、剖线和网格线的交点。如图4所示,做一条剖线和网格线交于E、G两点；ABCD为4个网格节点(Z值已知)；F为剖线的转折点；E、F、G均是剖面数据点。

图3　基于等值线的剖面图

图4　剖线切割网格线图

基于网格的剖面数据提取算法的基本原理是：首先由散点插值得到网格数据文件，然后对剖线附近的网格数据进行线性内插或双线性内插得出剖面数据Z值。具体算法如下：如果某个剖面数据点正好和某个网格节点重合，则该点的Z值取为网格节点的Z值；如果剖面数据点的位置不和任何网格节点重合，则需要对周围的网格节点进行线性插值或双线性插值。

(4)特殊区域绘制

基于等值面对某些特殊区域(如特定等级区间、凸起区域或凹陷区域，如图5)进行绘图并计算相关面积，是在等值线成果的基础上进一步进行分析的高级应用功能。特殊区域图形绘制的实质是基于网格数据的等值面重绘。特殊区域的绘图和计算可为多领域中的实际工程提供图形和数值依据，例如土地规划和地基施工中对填挖方的计算、地下水资源评价中降落漏斗区的绘制等。

图5　特殊区域绘制

(5)统计分析

统计分析以等值面图为基础，在叠加行政分区等分区因素的基础上计算出等值面特征值及其分区面积或面积占比的量化数据。比如每个月水利部水情信息中心都要汇总各个省的地下水监测数据，按照《地下水动态月报》编制大纲要求，计算统计时段内地下水水位变幅。在其业务分析与应用系统以等值面技术二次开发为基础，结合平原区套省市分区实现此业务功能。

3结论

等值线在线修改系统的创新点为建立等值线数据流的连续性，并结合GIS技术实现了人机交互式的可视化的等值线自动重绘，解决了等值线软件和外部程序衔接和实用性差的问题，利用网格计算等值线在水利信息化业务领域的应用方面做出了新尝试，例如剖面数据计算、分区面积计算、漏斗计算等功能。本系统的研发经历了上百个应用系统的检验，为今后的数据后处理工作提供了一种直观便捷的等值线获取方法。

参考文献：

[1]赵敬和.基于矩形网格法的不规则区域的等值线生成与填充算法研究[D].北京：中国地质大学，2013.

[2]宋丽娟，龚晓峰，钟猛.基于网格法的等值线绘制方法[J].现代电子技术，2005(14)：65-67.

[3]成建梅，陈崇希，孙红林.三角网格等值线自动生成方法及程序实现[J].水利学报，1998(10)：23-26.

[4]郭鹏，董兰芳，夏泽举.地质数据的等值线绘制方法研究[J].计算机仿真，2009，26(9)：168-171.

[5]陈欢欢，李星，丁文秀.Surfer 8.0等值线绘制中的十二种插值方法[J].工程地球物理学报，2007，4(1)：52-57.

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[8]许时光，郑新奇.基于ArcGIS Engine的WebGIS空间分析功能拓展[J].测绘通报，2009(7)：25-27.

[9]李艳，庞振宇.利用MapGIS软件绘制地质等值线图[J].现代科技：现代物业下旬刊，2010，9(5)：111-112.

[10] 刘勇奎，颜叶，石教英.一个有效的多边形窗口的线裁剪算法[J].计算机学报，1999，22(11)：1209-1214.

The design and application of the online modification system of contour lines

XU Yingxue1，2，NIU Xinyan1，ZHAI Caixia1，2，XUE Wei1

(1.BeijingQingliuTechnologyCo.Ltd.，Beijing100073，China；2.BeijingQingliuGroundwaterResourcesInstitute，Beijing100073，China)

Abstract：Contour or isosurface is an important method of data processing, project presentation and forecasting-warning in water resources informatization. This article describes the self-development online modification system of contour lines (Conmas). The data stream technology is used to edit the original sample data that achieves the visualization of contour modified automatically, greatly improves the convenience of contour mapping. Combined the business needs of water resources informatization, it improves the function of cutting and expands the functions of the statistical analysis, cross-sectional drawing, special regional recognition etc.. The contour algorithm library after the second development has been applied to many projects of the Ministry of Water Resources Hydrologic Information Center successfully, such as groundwater business and analysis system, geological disaster monitoring and forecasting-warning platform.

Key words：interpolation; contour; online modification; data stream; Conmas

基金项目：北京市西城区科技计划项目(2015IH12)

作者简介：徐映雪(1978-)，女，高级工程师，从事水文水资源及水利信息化研究工作。

中图分类号：TV22;X830.3

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)05-0012-05