Surfer11.0軟件在水利工程測(cè)量數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

張義宇

（廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000）

Surfer11.0軟件在水利工程測(cè)量數(shù)據(jù)中的應(yīng)用

張義宇

（廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000）

通過(guò)RTK GPS對(duì)地形測(cè)量，取得地形坐標(biāo)、高程數(shù)據(jù)，以文件形式存儲(chǔ)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)分析時(shí)，使用Surfer繪制圖件、數(shù)據(jù)分析和建模等功能，應(yīng)用在水下土方計(jì)算、3D建模、空間分析。以某一河底斷面為工程實(shí)例，分析該軟件在水下土方計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)踐證明Surfer軟件方便、直觀、高效的特點(diǎn)完全可以滿足水文工作中繪制專業(yè)圖形的需要，在測(cè)量地形、計(jì)算土方、建3D模型實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

地形測(cè)量；分析；建模；土方；水文

隨著我國(guó)水利水電事業(yè)的快速發(fā)展，水文工程測(cè)量面臨著任務(wù)多、時(shí)間短、質(zhì)量要求高的挑戰(zhàn)。在水文測(cè)驗(yàn)河道，由于雨水沖刷，斷面變化情況復(fù)雜，而淤泥（土方）堆積影響水文測(cè)驗(yàn)及航道通行，通過(guò)RTK、測(cè)深儀與Surfer軟件的相結(jié)合，能初步確認(rèn)河底的大致地貌，運(yùn)用曲面建模功能計(jì)算土方、測(cè)量縱斷面高程，提高土方計(jì)算精度、提高經(jīng)濟(jì)效益，并通過(guò)3D圖形探索河底變化情況，為水文測(cè)驗(yàn)提供參考，實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化。

1 軟件介紹

Surfer地理信息軟件(簡(jiǎn)稱Surfer)是美國(guó)Golden公司開發(fā)的制作等值線圖和三維地形圖軟件，與其他相關(guān)的地理信息軟件相比，具有操作簡(jiǎn)單、繪圖功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于環(huán)境、地理等學(xué)科。本文利用Surfer對(duì)河道建立實(shí)際河段的數(shù)字地形模型，為基于三維地形表面模型的各種過(guò)程分析創(chuàng)造條件。

Surfer 具有的強(qiáng)大插值功能和繪制圖件能力，使它成為用來(lái)處理XYZ數(shù)據(jù)的首選軟件，是地形分析必備的專業(yè)成圖軟件。可以輕松制作基面圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、分類數(shù)據(jù)圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢(shì)圖、矢量圖以及三維表面圖等。軟件提供11種數(shù)據(jù)網(wǎng)格化方法，包含幾乎所有流行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法；提供各種流行圖形圖像文件格式的輸入輸出接口以及各大GIS軟件文件格式的輸入輸出接口，大大方便了文件和數(shù)據(jù)的交流和交換；提供新版的腳本編輯引擎，自動(dòng)化功能得到極大加強(qiáng)。

2 數(shù)據(jù)收集

2015年11月5 日對(duì)茂名地區(qū)某一河段長(zhǎng)300米進(jìn)行河底地形測(cè)量，其斷面上游2km為電站，下游50 米為攔河壩，由于攔河壩關(guān)系長(zhǎng)年中高水位，攔河壩附近容易造成淤積。使用天寶RTK結(jié)合測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。架設(shè)基站對(duì)不少于三個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)、高程進(jìn)行校正，設(shè)置好參數(shù)，開始采集數(shù)據(jù)。在這過(guò)程密切注意測(cè)深儀的變化情況。共取得數(shù)據(jù)138組，部分測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

表1 測(cè)量坐標(biāo)與高程

3 建立地形等值線圖及土方計(jì)算

3.1 3D渲染、等值線建立

傳統(tǒng)的手段多采用地形斷面法，受操作人員的技術(shù)水平、設(shè)備配置以及在空間分析上的局限性等影響，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在計(jì)算精度不夠高、空間分析能力差、工作效率不高等弱點(diǎn)。要準(zhǔn)確弄清河道的沖淤分布及其變化，需要采取新的手段和方法。采用Suefer對(duì)地形進(jìn)行分析，因河底表面狀況不一，因此采用克里金插值法又稱空間自協(xié)方差最佳插值法，是一種最優(yōu)內(nèi)插法?？死锝鸩逯捣◤V泛地應(yīng)用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域，是一種很有用的地質(zhì)統(tǒng)計(jì)格網(wǎng)化方法。根據(jù)收集數(shù)據(jù)空間位置不同、樣品間相關(guān)程度的不同，對(duì)每個(gè)樣品品位賦予不同的權(quán)，進(jìn)行滑動(dòng)加權(quán)平均，以估計(jì)中心塊段平均品位?？臻g位置屬性在空間位置上的變異分布。確定對(duì)一個(gè)待插點(diǎn)值有影響的距離范圍，然后在范圍內(nèi)的采樣點(diǎn)來(lái)估計(jì)待插點(diǎn)的屬性值?？紤]了信息樣品的形狀、大小及與待估計(jì)塊段相互間的空間位置等幾何特征以及品位的空間結(jié)構(gòu)之后，為達(dá)到線性、無(wú)偏和最小估計(jì)方差的估計(jì)，而對(duì)每一個(gè)樣品賦予一定的系數(shù)，是一種光滑的內(nèi)插方法，其內(nèi)插的結(jié)果可信度較高。通過(guò)Surfer 對(duì)測(cè)量河底地形進(jìn)行渲染及配置等區(qū)線見圖1。

圖1 河底地形渲染及配置等區(qū)線圖

3.2 斷面線分析

在Surfer中的網(wǎng)格文件里通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)數(shù)值化，沿著指定的直線創(chuàng)建一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)文件來(lái)建立截面切片，切片的數(shù)據(jù)可以繪成剖面圖顯示在Surfer之中，或者用多個(gè)剖面圖組合來(lái)顯示一個(gè)橫截面，通過(guò)等區(qū)線數(shù)值化，取得斷面線分布情況，其坐標(biāo)、高程見表2。

表2 坐標(biāo)與高程

圖2 地形斷面剖面圖

3.3 土方（體積）和表面積的計(jì)算

土方、面積計(jì)算在工程量計(jì)算、水庫(kù)淹沒(méi)分析等應(yīng)用中非常重要。通常采用近似的方法計(jì)算體積，由于空間曲面的表示方法的差異，近似的計(jì)算方法也不一樣，Surfer同時(shí)采用三種方法計(jì)算體積:梯形法(trapezoidal Rule) 、辛普森法(Simpson’s Rule)和辛普森3/ 8 法(Simpson’s 3/ 8 Rule)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)規(guī)則對(duì)生成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行體積計(jì)算，最后取平均值。由于測(cè)量河道下游建有攔河壩，造成下游高程比上游高0.74m，其平均高程為95.8m，利用Surfer軟件根據(jù)平均高程95.28m，計(jì)算95.28m以上體積及表面積。

表3 體積與表面積

由于泥沙運(yùn)動(dòng)，河道地形容易隨著上游泥沙運(yùn)動(dòng)而改變，如何精確計(jì)算是一項(xiàng)困難的事情，借助RTK GPS技術(shù)，將Surfer軟件應(yīng)用于水下地形面積計(jì)算，極大提高工作效率，減少人為誤差，并能形成三維模擬地貌，具有直觀性，在水文地形測(cè)量中能起積極作用。

3.4 Surfer軟件的應(yīng)用

2016年5月20日，茂名信宜受弱冷空氣和切變線共同影響，降特大暴雨。信宜站最大1小時(shí)、3小時(shí)降雨量接近200年一遇，最大6小時(shí)、12小時(shí)降雨量均超過(guò)200年一遇。鑒江上游及信宜城區(qū)、北界河發(fā)生了罕見洪澇災(zāi)害，達(dá)百年一遇，運(yùn)用山洪災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)信宜地區(qū)進(jìn)行Surfer 3D地形建模，可通過(guò)立體圖形直觀分析雨量分布，（由茂名水文分局提供雨量數(shù)據(jù)，見表4、圖3）。

表4 雨量數(shù)據(jù)

對(duì)雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線、三維模型生成，進(jìn)行直觀判別雨量大小。

圖3 雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線、三維模型圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）使用Surfer軟件繪制某流域雨量等值線圖，對(duì)于雨量等值線圖可以直觀、快速判斷產(chǎn)生洪水的暴雨中心位置，對(duì)開展水庫(kù)調(diào)度的預(yù)報(bào)和預(yù)泄工作將有很大的幫助。采用相對(duì)地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行等值線圖繪制，還可以通過(guò)各雨量站點(diǎn)經(jīng)緯度值作為坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行雨量等值線圖的繪制，也可以結(jié)合某地區(qū)行政地圖繪制該地區(qū)某時(shí)段的雨量等值線圖。

（2）水下地形面積土方計(jì)算，極大提高工作效率，減少人為誤差，并能形成三維模擬地貌具有直觀性，在水文地形測(cè)量中能起積極作用。

（3）Surfer軟件應(yīng)用于水文測(cè)量，大大提高了工作效率，具有速度快、效果好等特點(diǎn)，能夠滿足防汛工作對(duì)時(shí)效性的要求，同時(shí)根據(jù)繪制，可作為資料分析和資料整編的手段，對(duì)水文、防汛管理工作有著切實(shí)的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]白世彪.Surfer 10地學(xué)計(jì)算機(jī)制圖[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2]李德仁.空間數(shù)據(jù)挖掘理論與應(yīng)用（第二版）[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[3]詹道江，葉守澤.程水文學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.

[4]孫淑麗.數(shù)字高程模型測(cè)繪技術(shù)及其在水利行業(yè)的應(yīng)用[J].河南水利，2003，(3):9.

The Application of Surfer11.0 Software to Water Conservancy Engineering Survey

ZHANG Yi-yu
(Maoming Hydrology Bureau of Guangdong Provincial Bureau of Hydrology, Maoming 525000, China)

Topographic survey is conducted by GPS RTK, with spatial data of the terrain obtained and stored as files.For data sharing and analysis, functions such as drawings, data analysis and modeling of Surfer 11.0 are adopted to underwater earthwork calculation, 3D modeling, and spatial analysis. With a river section as an example, advantages and development trend of the software in the calculation of water under the earth are illustrated. Practice has proved the convenience, visualization and efficiency of Surfer 11.0, which can ensure that the software fully meets the need of professional graphics rendering of the hydrological work, and will be helpful in topographic survey, earthwork calculation, 3D modeling, and eventually 3D geological modeling.

topographic survey; analysis; modeling; earthwork; hydrology

TV221

：A

：1672-2841（2016）04-0020-03

2016-11-05

張義宇，男，助理工程師，主要從事水文水資源，水利工程測(cè)量工作。