峽谷河道地形數(shù)據(jù)的不規(guī)則三角網(wǎng)構建優(yōu)化

任 勇，孫振勇，周 威，鄒 敏

（1.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010；2. 長江水利委員會長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014）

峽谷河道地形數(shù)據(jù)的不規(guī)則三角網(wǎng)構建優(yōu)化

任 勇1，孫振勇2，周 威2，鄒 敏2

（1.長江水利委員會水文局，湖北 武漢 430010；2. 長江水利委員會長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014）

針對金沙江河道狹窄多彎，突變點多，條帶式分布的地形特點，對不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）進行了人工干預和優(yōu)化，從而快速、合理、 準確地生成等高線。結果表明，合理地確定邊界值、適當?shù)貎?yōu)化TIN能快速高效地實現(xiàn)典型峽谷河底地形DEM 建模和等高線自動生成。

峽谷河道；TIN；特性線；等高線

金沙江地形陡峻，河床切割甚深，多呈V型或U型，兩岸多為懸崖峭壁；河道彎曲多變，河底地形復雜，存在一些具有特殊結構的特征點、線，如突兀水深、凹崖等[1]。在利用繪圖軟件基于離散數(shù)據(jù)構建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的過程中[2]，如果不能將這些特征點、線的信息有效地利用起來，就會在一定程度上影響 DEM的內(nèi)插精度，從而導致DEM 顯示效果的失真。基于TIN生成的等高線也與實際地形嚴重不符。

針對金沙江河底地形數(shù)據(jù)特點，本文提出了一種構建TIN的優(yōu)化方法。該方法充分考慮了金沙江彎曲帶狀地形的地貌特征，保證了內(nèi)插后所得格網(wǎng)數(shù)據(jù)的精度。本文采用的水深資料為已經(jīng)過吃水改正、水位改正、聲速改正及深度基準統(tǒng)一等前期處理，并驗證過的成果資料，故認為其水深數(shù)據(jù)均為真值。

1 金沙江河底地形數(shù)據(jù)的特點

常規(guī)的內(nèi)陸水下地形測量采用斷面法或散點法，斷面法測量時需保持斷面與水流方向垂直[3]。金沙江河道地形數(shù)據(jù)通常采用斷面法施測，特殊困難區(qū)域采用散點法加以補充。河底地形是按水深點同時輔以水下等高線進行表示的，相對于陸上地形數(shù)據(jù)而言，河底地形數(shù)據(jù)略顯單一。金沙江河底地形的特點是地形不可見，突變點多；地物單一，通常只有水下測點和等高線；分布不均勻，垂直河流方向上（測點間距）點距較密，順直河流方向上（斷面間距）點距較稀，見表1。在一些復雜地形區(qū)域，斷面間距和測點間距應適當加密以便反映水下地形特征。

表1 金沙江河道水下地形點間距表/ m

2 構建TIN的原理

根據(jù)不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點繪制等高線可采用網(wǎng)格法或TIN法。TIN減少了規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)據(jù)冗余，具有精度高和顧及地性線（如斷裂線、構造線）等特點，且三角網(wǎng)形態(tài)良好，具有可變的分辨率，能較好地表現(xiàn)不規(guī)則地貌的形態(tài)特征[4]。

針對河底地形數(shù)據(jù)特性，采用動態(tài)距離加權法構建TIN。利用包含插值點三角形的3個已知數(shù)據(jù)點確定一個平面，從而求出內(nèi)插點的高程值；再將每一個DEM格網(wǎng)點的高程與其周圍的3個點高程進行距離加權平均，認為離中心點越近的參考點對中心點的高程影響越大。設所求的函數(shù)形式為：

式中，f^為所求格網(wǎng)點的高程值；G=[gl1，gl2，…，gln]T；g為所選離散點的高程值；AT=[W1/∑Wk，W2/∑Wk， …，Wm/ ∑Wk]；Wk=1.0/d2k；W為距離d函數(shù)的權函數(shù)[5-6]。

3 優(yōu)化構建TIN

3.1 TIN邊界值的確定

邊界值為上限值，指由水深數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)時所允許的最大三角形邊長，通過設置最大邊長，可有效控制狹長三角形的生成。邊界值的確定往往取決于水下測點的密度與精度，以及建立DEM所用的比例尺要求[7]。邊界值設置過小，構建的TIN不夠連續(xù)，呈鋸齒斷裂態(tài)；邊界值設置過大，則彎曲水邊線（TIN網(wǎng)邊界）附近的三角網(wǎng)過于冗余。依據(jù)筆者多年經(jīng)驗，邊界值一般設為斷面間距的1.5～1.8倍為宜。圖1中分別為某河底地形邊界值過低、邊界值適中、邊界值過高時構建的TIN效果。

圖1 某水域邊界值過低、適中或過高時構建TIN效果圖

3.2 TIN邊界的優(yōu)化

水深數(shù)據(jù)以組為單位或以日期為區(qū)域分塊，該區(qū)域的上下游邊界構建TIN時沒有約束條件，僅按照邊界值規(guī)則構建，相鄰點間的TIN往往是不合理的，生成的等高線也與實際地形情況不吻合。此外，由于河道為彎曲不規(guī)則的條帶狀區(qū)域，水邊線和附近的水深數(shù)據(jù)構建的TIN在彎曲處會越過水邊線至陸上，造成DEM邊緣錯誤，水下等高線自動生成至陸上區(qū)域。因此，需要在生產(chǎn)三角網(wǎng)時加以編輯，依據(jù)河道地形實際規(guī)則，采用手工增加特征點、三角形修改、三角網(wǎng)重組等辦法，對三角網(wǎng)進行邊界優(yōu)化。圖2、圖3為某水域優(yōu)化前后構建TIN及生產(chǎn)的等高線結果對比。

圖2 邊界優(yōu)化前構建TIN及生成的等高線效果

圖3 邊界優(yōu)化后構建TIN及生成的等高線效果

由圖2可知，在未進行邊緣優(yōu)化的情況下，由于邊界閾值大于點距值且缺乏約束條件，最下游斷面線上的水深點自動尋找相鄰點、水邊線點生成若干個三角網(wǎng)，使得自動生成的等高線由水邊線至河中心深槽呈90°彎曲狀，明顯與實際地形不符。同理，在彎曲水邊處，由于最短距離小于邊界閾值，不相鄰水邊線點跳躍構成三角網(wǎng)，生成的水下等高線與水邊線相交并跨至陸上，產(chǎn)生明顯的地形錯誤。通過人工干預優(yōu)化后的三角網(wǎng)能很好地解決以上問題，圖3為優(yōu)化后構建TIN及生成的等高線圖，經(jīng)驗證與實際地形吻合度良好。

3.3 特性線規(guī)則優(yōu)化構建TIN

特性線又名地性線，是指對地形地貌在地表的空間分布特征具有控制作用的線狀或面狀要素。特性線是構成地表地形與起伏變化的基本骨架[8]。陸上特性線通常為山脊線、山谷線、陡坎或人工地物；河底地形特性線主要包括水邊線、凸頂與凹陷點、被水淹沒的坎線等。特性線的設置對于地形的正確表達與等高線的生成至關重要。在河間突兀的礁石或不規(guī)則水域等地形復雜處，需要以特性線來控制TIN的生成。例如，在小島或江心洲處，選擇水邊線為特性線，并勾選特性線的閉合區(qū)不構網(wǎng)，則該處陸上范圍內(nèi)均不構網(wǎng)。清華山維EPS2012數(shù)字地模模塊很好地解決了用特性線來優(yōu)化構建TIN的問題。圖4、5為同一區(qū)域進行特性線優(yōu)化前后構建TIN及生成的等高線效果圖。

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：1672-4623（2016）11-0095-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.033

2016-05-04。