水下地形动态监测数据处理方法及应用

杜锐

（上海勘测设计研究院有限公司，上海，200434）

水下地形动态监测数据处理方法及应用

杜锐

（上海勘测设计研究院有限公司，上海，200434）

为确保上海市青草沙水库运营期大堤安全，在大堤外侧滩面实施了水下地形动态监测，针对长期监测获得的大量地形数据及固定断面数据，区别于传统水下地形测量数据处理方式，采用三维软件及CAD二次开发软件进行数据处理，直观地表现出大堤外侧水下地形整体及局部的变化情况，为水库大堤的安全运营提供数据支持，对同类工程水下地形动态监测具有借鉴意义。

水下地形；动态监测；CAD二次开发；三维软件

0 前言

上海市青草沙水库建设在长江口，水库大堤受长江径流和外海潮流双重动力影响，水动力条件强劲且十分复杂。为了关注水库运行期大堤外侧的河势、滩势变化情况，及时掌握可能出现的危及水库运行安全的风险，开展了水库外侧滩面水下地形的动态监测。

水下地形动态监测通常采用整体地形测量与固定断面测量结合的方式，前者能全面反映水下地形的总体特征，但由于其测量费用相对较高且短时间内变化不会太大，故一般其观测频率较低，每年观测一到两次；后者则只反映地形的局部特征，通常布设在重点监测的位置，由于其测量费用相对较低，可采取较高频率进行观测，每个月测量一次。

针对全覆盖的整体水下地形数据和高频次观测的固定断面数据，需要采取合理有效的数据处理方法，使两种数据直观地展现水库大堤外侧水下地形整体及局部的变化情况，发现险情及时报警，实现动态监测的目的。

1 整体水下地形数据处理

对于整体水下地形测量数据，传统的处理方法通常采用等高或等深线来表示水下地形，该方法在表现形式上不够直观，笔者使用地形数据在三维软件Microstation中生成DEM[1-3]，直观地表现地形状况，同时可将任意两期观测的地形DEM进行差运算，获得这两期地形的冲刷与淤积分布情况。

生成DEM可根据不同的数学模型，不同数学模型生成的DEM可进行不同的内容展示。针对等高线模型（Contour DEM），按高程值不同范围赋以不同颜色值进行渲染填充，能在平面上直观地表示水下地形起伏；针对不规则三角网模型（TIN DEM），可通过三维浏览的方式直接查看水下地形的真实三维模型；针对规则格网模型（Grid DEM）,可将任意两期地形测量数据按同一方式格网化，再将得到的两期格网点做差值运算，结果就是两期测量的地形冲淤格网，利用转换关系将其转换为等高线模型，同样按不同的差值范围以不同的颜色值渲染填充，可在平面上直观地表现地形冲刷淤积状况。

数字地面模型（DigitalTerrain Model,简称DTM）是地貌形态的离散表示，它由麻省理工学院的Chairs L.Miller教授在20世纪50年代末期研究，在用摄影测量方法获取的数据和数字计算方法进行公路设计时提出。DTM是用数字形式Ai=F{(xi,yi)|i=1,2…,n}坐标来表达区域内的地貌形态,以缩微的形式再现了地表形态起伏变化特征,具有形象、直观、精确等特点,适用于所有的地形条件,并且计量的精度相当高。以高程为特征的DTM也称为数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）[2，3]。

等高线模型（Contour DEM）是高程值等同点的集合；规则格网模型（Grid DEM）的数学定义为区域D的采样点或区域内插点Pj按照某种规则ξ连接成面片M的集合：DEM={Mi=ξ(Pj)|Pj(xj,yj,Hj)∈D,j=1,2,…, n;i=1,2,…,m},连接规则ξ构成DEM的数据结构，当ξ为正方形格网时，这时的DEM为基于格网的DEM；当ξ为三角形时，这时的DEM为基于不规则三角网的DEM（TIN DEM），TIN是由连续的三角面组成，三角形的大小形状取决于点的位置与密度。

规则格网模型的生成需要指定格网的边界点及格网间距，格网点通过周围的测点内插获得，常用的内插方法有距离倒数乘方法、克里金法等；不规则三角网（TIN DEM）的生成采用Delaunay三角网生成算法。

2 固定断面数据处理

对于每月观测一次的海量固定断面观测数据,目前工程上用的一些断面成图软件侧重于单期测量数据的处理，针对动态跟踪测量所得的多期观测数据，无法通过这样的软件进行数据入库管理、叠加比较。正是基于这一现状，在AutoCAD平台上二次开发了固定断面数据处理插件[4，5]，实现将每一期数据按自己定义格式导入数据库，并能根据用户的需求进行检索，从而得到任意多期断面的叠加和任意两期断面的冲淤对比与统计。

要实现两期或多期观测断面的叠加分析，需要使各期断面有一个共同的基准点，即同一桩号的断面每一期都以同一个点作为断面的起点，而且为了保证每一期测量数据都落在断面上，需要使起点适当与测区有一定距离。

为了使程序在大量的数据中快速检索出任意一期、任意一条断面信息，需要对观测数据制定一种数据结构。通过将各期数据的观测时间、观测断面号作为头文件信息存入数据文件中，检索时仅读入头文件信息，搜索到所需信息后再从文件中读取数据，这样大大缩短了数据的检索时间，提高了运行效率。

AutoCAD二次开发有多种方式，笔者采用Au⁃toCAD2006平台上以.net API结合COM技术的二次开发方式[5]，需要引用acdbmgd.dll、acmgd.dll、Au⁃todesk.AutoCAD.Interop.dll、 Autodesk.AutoCAD.In⁃terop.Common.dll。.net版本选择2.0。添加菜单的主要代码有：

[CommandMethod("MDAS")]

public static void AddMenuCom()

{

//引 用 Autodesk.AutoCAD.Interop.Common.dll及Autodesk.AutoCAD.Interop.dll

AcadApplication app=(AcadApplication)Mar⁃shal.GetActiveObject("AutoCAD.Application.16");

AcadMenuBarmenuBar=app.MenuBar;

AcadMenuGroup menuGroup=app.MenuGroups. Item(0);

AcadPopupMenusmenus=menuGroup.Menus;

AcadPopupMenu mymenu=menus.Add("断面监测");

AcadPopupMenu ext0=mymenu.AddSubMenu (0,"数据信息");

}

数据管理的主要代码有：

[CommandMethod("IMPORT_DATA")]

public void Import_data()

{

//注册表中获取安装程序路径

RegistryKey key;

RegistryKey software;

string filepath;

software=Registry.LocalMachine.OpenSubKey ("Software");

key=software.OpenSubKey("MDAS");

if(key!=null)

{

filepath = (string)key.GetValue("filepath") +"\data";

}

else

{

MessageBox.Show("软件安装错误！");

return;

}

DirectoryInfo TheFolder=new DirectoryInfo(file⁃path);

FileInfo[]fileInfo=TheFolder.GetFiles();

}

笔者开发的插件最终在AutoCAD上增加一个菜单项，并按功能细分多个子菜单，主要的功能有监测数据的录入、断面图绘制、固定期号统计报表、固定断面统计报表、固定期号冲淤分析、固定断面冲淤分析。图1为该插件的菜单项及断面绘制功能界面截图。

图1 AutoCAD插件菜单界面图Fig.1 Menu interface of the plug-in of AutoCAD

3 工程实例

上海市青草沙水库外侧滩面监测断面垂直大堤布设，从大堤中心向长江一侧延伸，监测频次为每月一次。整体水下地形范围为围绕水库大堤往长江一侧延伸，监测频次为每年两次[6]。青草沙水库外侧固定断面布设及整体水下地形测量范围见图2。

对于整体水下地形测量数据，按前述方法进行处理，得到所测区域地形三维模型，见图3。由图3可知各区域水下地形的高程分布，可直观地反映测区内地形的起伏变化状况。

将相邻两期的水下地形测量数据的规则格网DEM进行差运算，将所得结果形成新的DEM，在三维软件中使用相同处理方法可得到两次测量地形冲淤状况分布图，见图4。图4中蓝色（负值）表示冲刷，红色（正值）表示淤积，可直观地反映冲刷最严重的区域及冲刷深度。根据该结果进行分析，进而采取相应的处置措施。

图2 青草沙水库外侧固定断面布设及整体水下地形测量范围图Fig.2 Distribution of the fixed cross sections and the survey scope of underwater terrain on the outer side of Qingcaosha dam

图3 青草沙水库外侧水下整体地形三维色谱图Fig.3 Three dimensional chromatogram of the underwater ter⁃rain on the outer side of Qingcaosha dam

图4 青草沙水库外侧相邻两期水下地形测量冲淤分布图Fig.4 Distribution of erosion and deposition on the outer side of Qingcaosha dam obtained by two contiguous surveys

对于固定断面数据，按自定义的格式导入CAD二次开发的软件中，软件的主要处理方法有任意多期断面叠加见图5、任意两期断面冲淤对比统计见图6。图5可直观反映该断面的变化趋势；图6中红色（深色）填充表示淤积，绿色（浅色）填充表示冲刷，该图可直观地反映该断面冲刷淤积的位置及程度，且在下端表格中有最大冲刷量、冲刷长度、平均冲刷量、最大淤积量、最大淤积长度、平均淤积量等数据的统计。

图5 青草沙水库外侧任意多期断面测量数据叠加图Fig.5 Overlapping of section data of the outer side of Qingcaosha dam obtained by severalsurveys

图6 青草沙水库外侧任意两期断面冲淤分析统计图Fig.6 Overlapping of section data of the outer side of Qingcaosha dam obtained by two surveys

4 结语

笔者介绍了水下地形动态监测数据的处理方法，通过三维软件处理整体水下地形测量数据，通过自主二次开发的CAD软件处理固定断面的测量数据，能够直观、定量地反映水下地形整体的冲淤情况以及局部断面位置的冲淤状况、变化趋势等，进而分析水下地形的变化对水库大堤运营安全产生的影响，对于同类工程水下地形动态监测数据处理有一定的借鉴意义。 ■

[1]康玉永.Geopack Site-高程数字模型与三维场地[R].

[2]武晓波,王世新,肖春生.Delaunay三角网的生成算法研究[J].测绘学报,1999,28(01):28-35.

[3]周霞,周国华.浅析不规则三角网结构（DTM）法土方量计算[J].安徽建筑,2011(3):167-168.

[4]Autodesk公司.Autodesk.NET教程(C#版)[OL].http://wen⁃ku.baidu.com/

[5]赵宁,黄地龙,徐莉.基于C#的区域自动填充CAD二次开发.工程勘察[J],2008(1):58-61.

[6]中华人民共和国水利部.SL 197-2013,水利水电工程测量规范[S].北京:中国水利水电出版社.2013.

作者邮箱：tjduruiboy@163.com

Processing method of dynamic monitoring data for underwater terrain and its application

by DU Rui Shanghai Investigation,Design and Research Institute Co.,Ltd.

To ensure the safety of Qingcaosha reservoirdam during operation,dynamic monitoring ofun⁃derwater terrain on the outer side of the dam is carried out.On the large amount of terrain and fixed cross section data,different from traditional data processing method,this paper uses 3D software and CAD secondary developmentsoftware for data processing,which visually shows the localand whole un⁃derwaterterrain changes,providing data supportforsafety operation ofthe dam,worthy ofreference.

underwatertopographic;dynamic monitoring;CAD secondary development;Microstation

P229.1

B

1671-1092（2017）01-0051-04

2016-11-23；

2016-12-13

杜 锐（1986-），男，贵州铜仁人，硕士研究生，工程师，现主要从事测量数据处理工作。