一种基于DEM计算淤地坝淤积量的方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于数字高程模型DEM计算淤地坝淤积量的方法，包括：获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；对DEM进行三角化；测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淤积高程的点，得到若干三角形区域；搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的淤积量；将所计算得到的淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。本发明提供的方法计算速度与计算精度明显提高。

说明书

技术领域

本发明涉及地理信息测量技术领域，具体地说，涉及一种基于DEM计算淤 地坝淤积量的方法及系统

背景技术

近几年来，将GIS技术与遥感（RS，Remote Sensing）技术相结合，根据 数字高程模型DEM提供的三维数据和遥感影像数据来预测、模拟显示洪水淹没 与淤积场景，并进行水土流失与洪水灾害评估，已成为GIS在水利水土保持方 面主要研究领域。以数字高程模型DEM和RS影像为基础，运用GIS的空间分 析功能，研究试验区洪水和泥沙淤积，流域的洪水淹没与土壤流失情况。

在水土流失地区各级沟道中，以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑物,其 拦泥淤成的地叫坝地。在流域沟道中，用于淤地生产的坝叫淤地坝（或生产坝）， 淤地坝建成以后，一般都是以淤地为主要目的，同时能够拦蓄洪水，减轻洪涝 灾害，当计算出淤积量（是指淤地坝中拦蓄下泥沙，所形成的体积）还能够计 算出土壤流失情况。但是现在一般计算的时候是在地形图上把库区内分成几个 层，量出面积，每两个层之间的体积近似为台体，计算体积，让后按照高度与 体积化一条曲线，成为坝高库容曲线，当计算淤积量的时候，量出淤积高度就 可以查出淤积量，但是要研究水土流失规律，这种计算误差太低，需要更精确 的计算出淤积量。

一般在计算淤积量的时候在等高线上选择几条，量出面积，每两个等高线 之间的体积近似用台体的体积去计算,然后绘制坝高与体积的关系曲线，在给 定一个高程时，在曲线图上由高程处反查出体积，由于度量的误差、绘制曲线 的误差与反查的误差，误差累计就很大，另外一点在地形图上进行量算面积也 费事费力。

可见，在现有的方法中进行淤地坝设计时计算淤积量不够准确，而且比较 费时费力。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明提供一种基于DEM淤地坝淤积量的计算方法 及系统，可使得计算速度与计算精度明显提高。

本发明提供一种基于DEM淤地坝淤积量的计算方法，包括：

获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程；

在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索淤积高 程的点，得到若干三角形区域；

搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；

基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区域的 淤积量；

将所计算得到的各区域淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。

本发明还提供一种基于DEM计算淤地坝淤积量的系统，包括：

DEM数据获取单元，用于获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

DEM处理单元，用于对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上 相对应的高程；

搜索单元，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向 搜索淹没高程的点，得到若干三角形；

边界处理单元，用于搜索淹没区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边 形为止；

计算单元，基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边 形区域的淤积量，并将所计算得到的各区域淤积量相加即得到淤地坝的淤积 量。

综上所述，本发明提供的基于数字高程模型DEM计算淤地坝淤积量的方 法，将DEM网格进行三角化，通过淤积高度自动在DEM上搜索淤积区域的 边界，再分别计算所述若干三角形及边界上多边形区域累积得到淤积量，与原 来的采用的计算淤积量的方法相比，本发明提供的方法计算速度与计算精度明 显提高。

附图说明

图1为本发明提供的计算淤地坝淹没面积的方法流程图；

图2为本发明实施方案中提供的DEM绘制成网格示意图；

图3为本发明实施例中对DEM进行三角化的过程示意图；

图4为本发明实施例中提供的淤地坝及其坝轴线示意图；

图5为本发明提供的DEM网格图中基准线示意图；

图6为本发明的技术方案中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图7为本发明的技术方案中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图8为本发明的技术方案中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图9为本发明提供的计算淤地坝淤积量的系统架构示意图；

图10为本发明实施例中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图11为本发明实施例中淤积面与三角形区域的切割关系示意图；

图12为本发明实施例中淤积面与三角形区域的切割关系示意图。

具体实施方式

一般在计算淤积量的时候在等高线上选择几条，量出面积，每两个等高 线之间的体积近似用台体的体积去计算,然后绘制坝高与体积的关系曲线，在 给定一个高程时，在曲线图上由高程处反查出体积，由于度量的误差、绘制曲 线的误差与反查的误差，误差累计就很大，另外一点在地形图上进行量算面积 也费事费力。鉴于现有技术中的不足，如淤积量的计算较为繁琐、累积误差大， 本发明提供一种基于数字高程模型DEM计算淤地坝淤积量的方法，可通过淤积 高度自动在数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）上化整为零计算淤 积量，与原来的方法使得计算速度与计算精度都提高。

本发明提供的一种基于DEM计算淤地坝中淤积量的方法，如图1所示， 该方法包括：

S01，获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

S02，对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM上相对应的高程；

S03，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定方向搜索 淤积高程的点，得到网格区域中的若干三角形区域；

S04，搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多边形为止；

S05，基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多边形区 域的淤积量；

S06，将所计算得到的淤积量相加即得到淤地坝的淤积量。

步骤S01中，所述数字高程模型DEM是一定范围内规则格网点的平面坐 标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分 布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进 行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡 度图等信息，DEM是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面 模型。

DEM记录的是地形的高低起伏程度，是一个二维矩阵进行记录。加载以后， 在计算机中记录如下表1所示。

表1DEM高程片段

步骤S02中，所述对DEM进行三角化，具体包括：

a)根据相应的DEM数据绘制得到相应的网格图；

在DEM上按照网格来记录地形情况的。如图2所示，每一个格子都有一 个高程。一般记录的时候有原点坐标，网格大小与每个格子的高程。现认为每 个高程是网格中心点的高程。b)基于各网格中心点重新划分网格，得到网格 大小不变新的网格图；

c)连接每一个正方形新网格的一个对角线，将每个正方形划分成两个三 角形。

图3为本发明实施例中对DEM进行三角化的过程示意图。对DEM进行 三角化的过程中，将原点向上与向右移动1/2个格子，刚好原来的中心点在网 格的交点上，具体地，参照图3，从坐标系XOY的O点移动到坐标系X’O’Y’ 的O’点；OX与OX’之间的距离是1/2个DEM网格宽。OY与O’Y’的距离 是1/2个DEM网格宽。重新划分网格，网格大小不变，新网格的四个定点都 在原来网格的中点。让后连接每一个正方形网格的一个对角线，就把每个正方 形划分成两个三角形。由于空间中的三个点组成一个平面，所以每一个三角形 都是空间中的一个面上的三角形。

其中若干三角形的面积为所述新网格面积的1/2。

图4为本发明实施例中提供的淤地坝及其坝轴线示意图；图5为本发明提 供的DEM网格图中基准线示意图。

参照图4及图5，所述基准线为淤地坝的坝轴线。

确定坝轴线具体如下：

坝轴线是由水平面上的两个点确定的，例如，以图5中的点点M（x1,y1）， N（x2，y2）确定，一般是在野外勘察的时候用GPS采集，或在地形图或DEM 中量算得到。有用户输入确定。如图5所示,M与N中间的部分高程比输入的 淤积高程低，两边的高程比输入的淤积高程高。

具体测算时，从M点开始搜索。

当所述淤积平面搜索线与每个三角形形成切割关系，记录每个切割的形状 并计算面积，三角形直接计算面积，多边形分解成至少两个三角形以计算其面 积。

步骤S04中，具体地，以图5中M点为起点，搜索淤积面积的边界，直 到与坝周线的形成闭合多边形为止。

步骤S05中，基于所述三角化的DEM和淹没面计算各三角形区域，具体 为：

以以图5中的点M为起点开始计算，计算每个三角面中的淤积量，具体 如下：

旋转搜索每个坝轴线上方的三角面。

假设淤积面是一个水平面如图6所示（平面P），假定A、B、C为空间中 由DEM划分的三角形区域的三个顶点，ABC为空间中由DEM划分的一个三 角形区域。

a)如果ABC三个点的高程都比平面P高，是地形原来的土体，没有淤积；

b）如果ABC三个点的高程都比平面P低，说明ABC平面与平面P之间 的体积为淤积体积，如图7中体积ABC-A’B’C’，可分为是一个三角台体与一 个三角锥形，其中A’、B’、C’位于平面P上；如图7中ABC”-A’B’C’和 ABC-ABC”两个部分。

c）如果ABC三个点的高程，有一个点（或两个点，说明这两个点在水平 面上）的高程与P一样高，说明只有一个三角锥形为淤积体积如果ABC-ABC”。

d）如果ABC三个点高程有比平面P高也有比平面P低，说明平面切割 了ABC-ABC”这部分会有如图7和图8所示的形状，图7中C-A’B’C’构成一 个三角锥形，图8中所示AB-DEFG构成一楔形。

参照图9，本发明还提供一种基于DEM计算淤地坝淹淤积量的系统900， 包括：

DEM数据获取单,91，用于获取淤地坝库区的数字高程模型DEM数据；

DEM处理单元92，用于对DEM进行三角化，测算淤积高度及其与DEM 上相对应的高程；

搜索单元93，在所述库区的DEM上确定基准线，沿该基准线按照预定 方向搜索淤积高程的点，得到若干三角形；

边界处理单元94，用于搜索淤积区域的边界，直到与坝周线形成闭合多 边形为止；

计算单元95，基于所述三角化的DEM和淤积面计算各三角形区域以及多 边形区域的淤积量，并将所计算得到的各区域淤积量相加即得到淤地坝的淤积 量。

淤积量计算实例

本发明应用在某小流域中计算淤积量，下面简单的进行介绍计算过程。

1、首先，加载DEM数据

DEM记录的是地形的高低起伏程度，是一个二维矩阵进行记录。加载以后在 计算机中记录如下表1所示，分辨率为5M。将所加载得到的DEM绘制成网 格图

2、然后，确定坝轴线。

坝轴线是由水平面上的两个点确定的，例如，选定点M（x1,y1），N（x2， y2）确定，一般是在野外勘察的时候用gps采集，或在地形图或DEM中量算 得到。有用户输入确定。

并确定坝轴线在DEM网格上的位置；

3、确定计算高度

计算高度，一般是在坝体位置测量得到淤积高度，有用户输入确定。由与 数据量与表达的矛盾现就以一个小范围预定高度（如5米高）进行淤积量的计 算说明。

4、计算淤积量。

首先，对DEM网格进行三角化；

然后，搜索淤积量。

按照发明提供的方法进行搜索，坝轴线上的M点为搜索起点，多边形包 围的部分为淤积部分，外面为没有淤积的部分。

1）如果ABC三个点的高程都比平面P低，说明ABC平面与平面P之间的体 积为淤积体积，如图10中所示ABC-A’B’C’构成的体积，可分为是一个三角台 体与一个三角锥形；如图ABC”-A’B’C’和ABC-ABC”两个部分，如图10所示， 其中平面P为淤积面，ABC为地形上的一个空间面，ABC”为与p平行的平面。

通过搜索有若干个符合上述条件的体积。

V_i=(S_ABC”*H_CC”)/3+S_{A’B’C’*}H_C’C”

$V1=\underset{i}{\overset{m}{\Sigma }}{v}_i$

如果ABC三个点的高程，有一个点（或两个点，说明这两个点在水平面 上）与平面P一样高（图10中平面P下移与平面S_ABC”重合时），说明只有一个三 角锥形为淤积体积如图10中的ABC-ABC”，通过搜索得到符合条件的有K个。

V_i=(S_ABC”*H_CC”)/3

$V2=\underset{i}{\overset{m}{\Sigma }}{v}_i$

2）如果ABC三个点高程有比平面P高也有比平面P低，说明平面切割了 ABC-ABC”这部分会有如下情况

情况i）如下图11所示，水平面A’B’C’是淤积面,平面ABC是地形面三 角锥形C-A’B’C’是淤积的体积，通过搜索发现符合条件的有L个。

V_i=(S_A’B’C’*H_{CA’B’C’})/3

$V3=\underset{i}{\overset{m}{\Sigma }}{v}_i=163.2$

情况ⅱ）如下图12所示，水平面DEFG是淤积面，平面ABC是地形面， 楔形AB-DEFG淤积量，通过搜索得到符合条件的有R个。

淤积量的计算：

V_i=(S_DEFG*H_AB-DEFG)/3

$V4=\underset{i}{\overset{m}{\Sigma }}{v}_i$

整个淤积量为：V=V1+V2+V3+V4

综上所述，本发明提供的基于数字高程模型DEM计算淤地坝淤积量的方法 及系统，将DEM网格进行三角化后，通过淤积高度自动在DEM上搜索淤积 区域的边界，再分别计算所述若干三角形及边界上多边形区域的淤积量，累积 得到所需淤地坝的淤积量，与原来的采用的计算淤积量的方法相比，本发明提 供的方法计算速度与计算精度明显提高。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本 领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修 改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。