基于GIS技术的泥沙冲淤及河床演变分析

摘要

地理信息系统(GIS)是一项以计算机为基础的新兴技术,围绕着这项技术的研究﹑开发和应用形成了一门交叉性﹑边缘性的学科,是管理和研究空间数据的技术系统,在计算机软硬件支持下,它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理﹑对数据的有效管理﹑研究各种空间实体及相互关系通过对众多因素的综合分析,它可以迅速地获取满足应用所需要的信息,并能以地图﹑图形或数据等形式表达处理的结果。近年来空间数据管理的主要方式,可以分为信息管理﹑过程控制﹑科学研究﹑空间决策等提供相应的空间知识。目前已成功地应用到了众多领域,取得了良好的经济效益和社会效益。随着GIS技术的发展,新一代的GIS已经能够进行三维表面的建模和表面分析。数字地形模型是地理信息系统的基础数据,它被广泛用于铁路﹑公路﹑输电线等各种线路选线的设计以及各种工程的面积﹑体积和坡度计算﹑任意两点间的通视判断及任意断面绘制。在测绘中被用于绘制等高线﹑坡度坡向图﹑立体透视图。这为基于三维地形表面模型的各种过程分析,如河道冲淤分析,创造了条件。本文对GIS技术及其应用,河道冲淤计算的方法分别进行了综述。其河道冲淤分析方法概括起来主要有输沙量平衡法和地形断面法。但由于输沙量平衡法和地形断面法受水文观测的测站分布和观测技术的限制,以及它们在空间分析上的局限性,这两种方法在实际应用中存在计算精度不够高﹑空间分析能力差等弱点。目前DEM技术在河床冲淤变化分析中也正在开始得到应用。但由于水下泥沙的淤积形态极易为水力作用、泥沙本身的物理特性等因素影响,泥沙淤积不可能出现象陆地上的悬崖﹑陡坎之类的地形,因此在应用GIS技术进行冲淤分析时,构建河道水下DEM要兼顾泥沙水下休止角的限制,从而为更加准确的弄清河道的冲淤变化及其分布,泥沙测报提供更真实可靠的依据。本文详细介绍了基于GIS技术的河道冲淤及河床演变分析的具体实现方法,将GIS技术和河床演变分析有机地结合,利用地理信息系统软件(MapGIS)强大的数据输入和空间数据分析功能,将测得的河道地形离散点三角化,即考虑三角形边的约束构建不规则三角网(TIN)模型,在此基础上,通过对比,分析河道平面﹑断面变化﹑河槽容积变化,并可得到河床冲淤变化图,直观地显示河道冲刷淤积部位,从而分析河道演变规律和演变趋势。利用GIS方法研究河道冲淤方法利用整个地形图的全部地形信息,其数据采集的精度和对测图的利用效率非断面地形法可比。该方法具有强大三维表达和空间分析能力,在整个计算过程中,包括地图数字化﹑三维表面生成﹑槽蓄量计算﹑冲淤变化分析﹑断面分析可在一个系统内完成,大大提高了工作效率。该方法计算精度高﹑河床形态显示直观﹑冲淤部位空间分析能力强,具有一定的实践意义和推广价值。

目录

中文摘要

Abstract

1 绪论

1.1 本课题的提出背景

1.2 研究现状

1.3 本课题的研究意义

1.4 课题的主要目的

1.5 本文研究的主要内容

2 GIS 及其应用综述

2.1 GIS 基本概念

2.1.1 信息和信息系统

2.1.2 地理信息

2.1.3 地理信息系统

2.2 地理信息系统的构成

2.2.1 计算机硬件系统

2.2.2 计算机软件系统

2.2.3 地理空间数据

2.2.4 系统开发、管理和使用人员

2.3 GIS 的发展概况及其动态

2.3.1 国际发展状况

2.3.2 国内发展状况

2.3.3 GIS 发展动态

2.4 GIS 与相关学科与技术的关系

2.5 地理信息系统的应用综述

2.5.1 地理信息系统的应用综述

2.5.2 GIS 的在水利方面的应用综述

3 淤积量计算方法研究

3.1 泥沙淤积量计算方法研究

3.1.1 泥沙淤积量计算方法研究

3.2 传统冲淤方法的分析比较

3.2.1 地形断面法

3.2.2 输沙量法

3.2.3 地形断面法和输沙量法比较分析

4 GIS 技术在河道冲淤及河床演变分析中的应用

4.1 数字高程模型

4.1.1 概述

4.1.2 DEM 的表示方法

4.1.3 DEM 的建立

4.1.4 三角网构建应用举例

4.1.5 DEM 模型之间的相互转换

4.2 基于DEM 的河床冲淤原理

4.3 河道DEM 的建立

4.3.1 河道DEM 数据点的采集

4.3.2 河道地形图矢量化

4.3.3 建立河道地形格网DEM

4.4 基于GIS 的河道冲淤分析的实现

4.4.1 等高线分析

4.4.2 深泓线提取

4.4.3 面积、体积的计算

4.4.4 剖面图绘制

4.4.5 冲淤分布分析

5 GIS 技术在浐河游览区二号库区泥沙冲淤分析中的应用

5.1 研究区域概况

5.1.1 流域概况

5.1.2 工程概况

5.1.3 地形资料

5.1.4 库区DEM 的生成

5.2 库区冲淤演变分析

5.2.1 横断面变化

5.2.2 冲淤量的计算

5.2.3 河道冲淤变化分析

6 主要结论及其展望

6.1 主要结论

6.2 论文中的新见解

6.3 基于DEM 并兼顾泥沙水下休止角进行冲淤分析的技术优势

6.4 展望

致谢

参考文献

在校发表的论文及工程实践