小流域淤地坝坝系规划用坝系拓扑视图的生成方法

摘要

本发明公开了一种坝系拓扑视图的生成方法，它包括步骤：1.对欲进行坝系规划的流域，准备出该流域的数字高程模型；2.根据该流域的数字高程模型，计算出该流域的水流方向图；3.在该流域的水流方向图上，确定坝系规划方案中的每个坝的位置；4.根据坝系规划方案中的坝情况，创建初始坝系拓扑视图；5.根据坝系规划方案中的坝在水流方向图中的位置情况，基于在全流域范围、全体坝均存在的假设，生成坝系拓扑视图。本发明生成的坝系拓扑视图可有效将专业分析与拓扑信息计算过程相隔离，减小代码的耦合性，减少专业分析过程中的出错可能，降低软件的开发难度，提高软件的复用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种拓扑视图的生成方法，具体地说，是涉及一种小流域淤地坝坝系规划用的坝系拓扑视图的生成方法。

背景技术

“淤地坝坝系”是黄土高原地区特有的水土保持沟道工程体系。在黄土高原地区，为防止水土流失，以小流域为单元，在小流域各级沟道内系统地建设“淤地坝”群体，称为“坝系”。在暴雨发生时，坡面上产生的洪水和泥沙进入沟道，被这些淤地坝群全部拦蓄或部分拦蓄。对一座淤地坝来说，如果其上游没有其它淤地坝，那么它拦蓄的是上游集水范围内坡面上产生的洪水和泥沙；如果其上游有其它淤地坝，那么它拦蓄的是自上游淤地坝到该淤地坝所在的区间集水范围内坡面上产生的洪水和泥沙，以及从上游淤地坝下泻的洪水和泥沙。洪水对沟道的冲蚀因为坝系的存在而大大减弱，此外，随着时间推移，被拦蓄的泥沙在淤地坝前逐渐淤高，抬高了侵蚀基准面，进一步减弱水土侵蚀作用。因此，坝系是有效的水土保持沟道工程体系。另外，坝系还可看作是一种农业生产工程，因为在坝前拦蓄的泥沙淤积到一定程度后，就可利用淤积的坝地进行农业生产(如种植玉米等作物)，而不用担心洪水的危害。可见，有效合理建设坝系是十分重要的。

坝系中的坝一般分为骨干坝、中小型坝两类，其中，前者主要承担防洪功能，后者主要承担淤地生产功能。为经济合理地建设坝系，须事先进行方案设计，这称为“小流域坝系规划”，或简称“坝系规划”。在规划时，坝的数量、骨干坝与中小型坝的布设比例、每座坝的类型、位置、主要组成(即坝体、放水建筑物、溢洪道)、工程主要参数(例如设计洪水频率、坝高等)、建设的时间都需要细致分析确定，在拟定了这样一套方案后，通常还要对其进行各种分析，以得知坝系整体的防洪能力、生产保收能力、坝系相对稳定系数、需要的投资额度等指标。当方案无法达到预期的目标时，需要再作调整并重新分析、论证。整个规划过程十分复杂，在此不再赘述。

防洪能力分析、生产保收能力分析是设计坝系规划方案的关键过程，其实质是在某些假定条件下，逐年模拟该坝系整体的淤积情况、对特定频率暴雨的抵抗能力的变化情况、生产保收能力的变化情况等。对一个特定的年份、特定的暴雨频率，模拟分析过程中需要计算洪水和泥沙的产生、拦蓄、下泻，各个坝的洪水过程，上游坝到下游坝的洪水泥沙“传递”等数据。在相邻两个年份之间，要考虑新坝的建成、已有坝增加的泥沙淤积。这些其实只是极简化的描述而已，实际上模拟分析的过程、规则都是十分复杂的，而且计算量很大。

随着地理信息系统(GIS)技术的发展和应用，一些文献中提出了基于GIS技术的小流域坝系规划方法，并有部分软件产品推出。应用GIS技术，流域沟道中一系列“几何点”之间的上下游关系可被自动计算得出，进而得到坝间的上下游关系，并且，其它基本信息也可用已知的软件技术求出。但是，在这些文献和产品中，坝系基本信息的计算过程与专业分析的计算过程被混淆在一起，而且专业分析的计算量是十分庞大的，这样便导致了计算流程复杂化、代码高度耦合、缺陷率高、软件开发和维护困难。另外，当坝系规划所依据的理论、工作规范发生变化时，修改或增加专业分析功能的困难非常大。

另外，目前一些专门辅助进行小流域坝系规划的计算机软件诞生了。这些软件具备支持对坝系运行模拟、分析的功能(例如防洪能力分析、生产保收能力分析)，该功能可称为“专业分析功能”。在运行专业分析功能时，软件需要一些基本的信息支持，如坝数量、坝间的上下游关系等。但是，这些软件不能自动提供进行专业分析所需的基本信息，这些基本信息需要由用户进行人工分析后，以某种格式向软件提供。由于小流域中通常存在数十座以上的坝，人工分析并录入数据的工作十分繁重，且易出错，因而用户会很自然地减少、回避做这种繁重的工作。例如，在规划过程中减少供比较、选择的方案的数量，对每个方案尽量不进行调整、优化等。这势必会降低坝系规划的精确度。而且，坝系规划工作中的专业分析包括大量的计算环节，而每种计算环节的舍用、计算环节相互之间的关系(嵌套或并行)都须由基本信息和工作规范共同决定，每种专业分析需要不同的基本信息，有时基本信息需跟随模拟计算的结果而动态调整。

由此可见，根据实际计算需求而生成适于坝系规划方案的基本信息，是目前研制坝系规划急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小流域淤地坝坝系规划用坝系拓扑视图的生成方法，该方法可为小流域淤地坝坝系规划专业分析生成关于坝系基本信息的坝系拓扑视图，该坝系拓扑视图对不同业务要求的专业分析具有很强的通用性。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种小流域淤地坝坝系规划用坝系拓扑视图的生成方法，其特征在于它包括步骤：

步骤1：对欲进行坝系规划的流域，准备出该流域的数字高程模型；

步骤2：根据该流域的数字高程模型，计算出该流域的水流方向图；

步骤3：在该流域的水流方向图上，确定坝系规划方案中的每个坝的位置；

步骤4：根据坝系规划方案中的坝情况，创建初始坝系拓扑视图；

步骤5：根据坝系规划方案中的坝在水流方向图中的位置情况，基于在全流域范围、全体坝均存在的假设，生成坝系拓扑视图。

所述步骤4可位于步骤1、步骤2或步骤3之前。

本发明的优点是：

在本发明中，由于坝系的基本信息用拓扑视图的形式来表达，拓扑视图既包括了满足条件的淤地坝的信息，也包括了坝之间的关系信息，故将该拓扑视图用作支持专业分析功能的媒介，可有效地将专业分析计算过程与拓扑信息计算过程相隔离，专业分析计算过程中不再需要任何额外的拓扑信息的计算，流程控制很容易实现，减小了代码的耦合性，专业人员在开发专业分析功能时，可将分析、设计、编码的重点放在业务逻辑上，不受拓扑信息计算问题的干扰，减少了专业分析过程中的出错可能，降低了小流域淤地坝坝系规划辅助软件的开发难度，提高了软件的复用性。而且，当由于坝系规划理论、工作规范发生变化而需要修改或增加专业分析功能时，软件的开发工作也是容易实现的。

附图说明

图1是本发明坝系拓扑视图的生成方法的实施流程图；

图2是初始坝系拓扑视图的一个实例；

图3是图2所示的初始坝系拓扑视图中的一个元素的组成示意图；

图4是一个不符合观察条件的元素的上下游坝关系视图；

图5是删除图4所示元素的第一步实施示意图；

图6是删除图4所示元素的第二步实施示意图；

图7是删除图4所示元素后得到的新上下游坝关系视图。

具体实施方式

在具体描述本发明前，先要指出的是，本发明中所称的坝系拓扑视图指的是一个坝系规划方案在某些观察条件下得到的拓扑表达，该拓扑表达主要包括：小流域中存在的淤地坝以及这些坝之间的上下游关系。若该坝系规划处于某些限定条件(如忽略中小型淤地坝)下，那么该拓扑表达应包括符合限定条件的淤地坝以及这些坝之间的上下游关系。用于小流域坝系规划的计算机辅助软件在进行专业分析功能前，先要得到上述这些坝系的基本信息，即坝系拓扑视图。

如图1所示，生成坝系拓扑视图的过程如下：

步骤1：对欲进行坝系规划的流域，准备出该流域的数字高程模型。

数字高程模型(DEM)是对地形表面作数字化表达时最常用的一种方式，DEM由平面上在X、Y方向均等距紧邻排列的网格点形成，每个网格点赋有一个代表该区域的平均高程的值。

步骤2：根据该流域的数字高程模型，计算出该流域的水流方向图。

在GIS领域，DEM和水流方向图都属于栅格数据。在DEM上，每个网格点都有8个相邻的网格点，即分别位于该网格点的右方、右上方、上方、左上方、左方、左下方、下方、右下方的网格点。通常，假设每个网格点的水流都流向低于它的相邻网格点，如果周围有多个低于该网格点的相邻网格点，则流向其中高程最小的网格点处，这就是“最大坡度”假设。本发明可基于这个最大坡度假设，并辅以凹地填平等算法，来求出每个网格点的水流方向(该水流方向即为以上8个方向之一)，从而在坝系规划方案中涉及的流域范围内计算出水流方向图。其中的最大坡度假设、凹地填平等算法都是GIS领域公知的技术，在此不再赘述。当然，水流方向图还可以采用其它公知的算法来计算。

步骤3：在该流域的水流方向图上，确定坝系规划方案中的每个坝的位置。

在坝系规划方案中，每个现有的坝或计划建设的坝都记录着自己的位置，该位置是以地理坐标表示的。将所有的坝的位置投射到水流方向图上的过程为：将坝的实际地理坐标用数字高程模型所基于的坐标系来表示，表示为点p(x，y)；用与划分数字高程模型网格相同的方法，将该点p(x，y)转换为行列坐标c(row，col)，其中行坐标值row和列坐标值col均为实数；通过四舍五入的方法，将行坐标值row和列坐标值col均变为整数；根据变为整数的行列坐标值，在数字高程模型中检索到一个相应的网格点，该网格点即为该坝的位置在数字高程模型中的对应；由于水流方向图与DEM是同样规格的，即有相同的空间参照系统，有相同的网格划分，网格点一一对应，所以，根据得到的每个坝的位置在DEM中对应的网格点，很容易便可确定出该坝在水流方向图上的对应网格点。

步骤4：根据坝系规划方案中的坝情况，创建初始坝系拓扑视图。

在本发明中，初始坝系拓扑视图的数据组织形式可为一维数组、关系型数据库表、二叉树结构或链表，也可为能够体现淤地坝的存在性和坝间相互关系的任何形式。初始坝系拓扑视图的元素个数为坝系规划方案中淤地坝的数量，每个元素具有本坝、本坝的上游坝和本坝的下游坝三个组成部分，其中，本坝部分与坝系规划方案中的坝一一对应，本坝的上、下游坝部分置为不存在。

下面以一维数组形式的拓扑视图为例进行详细说明：

如图2，该拓扑视图为一个一维数组，该数组的初始大小(即元素个数)为坝系规划方案中淤地坝的个数，如图2所示，假设该数组具有N个元素Element1至ElementN。

如图3，设数组中的某个元素为ElementX，该元素具有三个组成部分：该元素本身代表的坝，即本坝，记为ElementX；该本坝具有与其存在联系的上、下游坝，该本坝的上游坝记为元素ElementU，该本坝的下游坝记为元素ElementD。上、下游坝用指针表示。创建数组后，设置每个元素中的本坝部分，使得数组的每一个元素与坝系规划方案中的坝一一对应，并且将每个元素中的上游坝部分和下游坝部分均置为不存在。可以看出，此时的初始拓扑视图实际上是没有任何拓扑信息的。

步骤5：根据坝系规划方案中的坝在水流方向图中的位置情况，基于在全流域范围、全体坝均存在的假设，生成坝系拓扑视图。需要注意的是，该步骤生成的拓扑视图没有应用任何空间、时间或其它条件加以限制，也没有考虑建坝时间等情况，该拓扑视图仅仅是基于在全流域范围、全体坝均存在的假设而得到的。该步骤具体为：

由上可知，拓扑视图中的某一元素的本坝部分用ElementX表示，该本坝的上游坝部分用ElementU表示，该本坝的下游坝部分用ElementD表示，该本坝在水流方向图上的对应网格点为CellX，对初始拓扑视图中的每一个元素进行如下处理：

a)根据所述水流方向图，取得该元素的本坝ElementX对应的网格点CellX；

b)在所述水流方向图上，取得网格点CellX的水流方向，据此得到该水流方向所指向的紧邻网格点，该紧邻网格点记为CellD；

c)判断该网格点CellD是否位于所述水流方向图的范围内：若该网格点CellD位于所述水流方向图的范围之外，则将该本坝的下游坝部分ElementD置为不存在，结束对该本坝部分ElementX的处理过程；若该网格点CellD位于所述水流方向图的范围之内，则继续步骤d)；

d)判断该网格点CellD是否为其它坝的位置在所述水流方向图上的对应：若是，则将该本坝部分ElementX的下游坝部分ElementD置为对应于网格点CellD的元素的本坝部分，将对应于网格点CellD的元素的上游坝部分置为ElementX，然后结束对该本坝部分ElementX的处理过程；若不是，则继续步骤e)；

e)用网格点CellD替换网格点CellX，继续步骤b)。

完成上述步骤后，拓扑视图中的所有元素的ElementD、ElementU部分都将被置为不存在或是代表该本坝的上游坝或下游坝的元素。此时，拓扑视图的拓扑关系完成了，拓扑视图通过各个上下游坝的联接而形成了一个网络。

需要注意的是，上述步骤的执行顺序不是固定的，步骤4在步骤1、步骤2或步骤3之前实施均可。

在实际应用中，由于坝系构建分析的复杂性，用户需要的不仅仅是上述得到的基于在全流域范围、全体坝均存在假设的简单的坝系拓扑视图。在上述初步得到的坝系拓扑视图的基础上，还需要根据用户给定的坝系规划方案和限定条件来优化当前的坝系拓扑视图，而最终生成符合用户需求的坝系拓扑视图。一般，限定条件可包括时间(如年份)、空间(如某个集水范围)或其它条件(如是否忽略中小型坝)等。当前的坝系拓扑视图可根据用户规划需要而进行任意限定条件单独或组合情况下的分析处理。

下面分别以时间、坝类型和空间条件为例进行说明。

设拓扑视图中的某一元素的本坝部分用ElementX表示，该本坝的上游坝部分用ElementU表示，该本坝的下游坝部分用ElementD表示。

若存在时间观察条件，则对当前坝系拓扑视图中的每一个元素进行如下处理：

取得该元素本坝部分ElementX的建成年份，将该本坝的建成年份与时间观察条件中指定的年份进行比较；

若该本坝的建成年份小于等于观察条件中指定的年份，说明该坝在指定的年份内，是已经建好并起到淤地坝工程作用的坝，则对该元素不进行处理；

若该本坝的建成年份大于观察条件中指定的年份，即不符合观察条件，则对该元素进行下面的处理：

a.若该元素的上游坝部分ElementU不等于不存在，则将以该上游坝部分ElementU作为本坝部分的元素的下游坝部分置为该本坝ElementX的下游坝部分ElementD，且继续步骤b；若该元素的上游坝部分ElementU等于不存在，则继续步骤b；

b.若该元素的下游坝部分ElementD不等于不存在，则将以该下游坝部分ElementD作为本坝部分的元素的上游坝部分置为该本坝ElementX的上游坝部分ElementU，且继续步骤c；若该元素的下游坝部分ElementD等于不存在，则继续步骤c；

c.删除本坝部分为ElementX的元素。

根据时间观察条件对坝系拓扑视图进行处理后，不符合时间观察条件的坝的任何信息将不会存在于拓扑视图中，拓扑视图的网络完整性得以保持。

若存在坝类型观察条件，则对当前坝系拓扑视图中的每一个元素进行如下处理：

取得该元素本坝部分ElementX的坝类型，将该本坝的坝类型与坝类型观察条件中指定的坝类型进行比较；

若该本坝的坝类型是观察条件中指定的坝类型，则对该元素不进行处理；

若该本坝的坝类型不是观察条件中指定的坝类型，则对该元素进行下面的处理：

a.若该元素的上游坝部分ElementU不等于不存在，则将以该上游坝部分ElementU作为本坝部分的元素的下游坝部分置为该本坝ElementX的下游坝部分ElementD，且继续步骤b；若该元素的上游坝部分ElementU等于不存在，则继续步骤b；

b.若该元素的下游坝部分ElementD不等于不存在，则将以该下游坝部分ElementD作为本坝部分的元素的上游坝部分置为该本坝ElementX的上游坝部分ElementU，且继续步骤c；若该元素的下游坝部分ElementD等于不存在，则继续步骤c；

c.删除本坝部分为ElementX的元素。

根据坝类型观察条件对坝系拓扑视图进行处理后，不符合坝类型观察条件的坝的任何信息将不会存在于拓扑视图中，拓扑视图的网络完整性得以保持。

若存在空间观察条件(空间观察条件是指限定的子流域。该限定条件用子流域的边界在地图上的投影表示，为一个单环的平面多边形。)，则对当前坝系拓扑视图中的每一个元素进行如下处理：

取得该元素本坝部分ElementX的地理位置，将该地理位置转换为空间坐标点，该空间坐标点为平面多边形所在坐标系上的一个二维几何点，将该本坝的空间坐标点与空间观察条件中指定的平面多边形进行比较，即判断该几何点是否位于给定的平面多边形内部；

若该本坝的坐标点位于该平面多边形内部或边缘，则对该元素不进行处理；

若该本坝的坐标点位于该平面多边形外部，则对该元素进行下面的处理：

a.若该元素的上游坝部分ElementU不等于不存在，则将以该上游坝部分ElementU作为本坝部分的元素的下游坝部分置为该本坝ElementX的下游坝部分ElementD，且继续步骤b；若该元素的上游坝部分ElementU等于不存在，则继续步骤b；

b.若该元素的下游坝部分ElementD不等于不存在，则将以该下游坝部分ElementD作为本坝部分的元素的上游坝部分置为该本坝ElementX的上游坝部分ElementU，且继续步骤c；若该元素的下游坝部分ElementD等于不存在，则继续步骤c；

c.删除本坝部分为ElementX的元素。

根据空间观察条件对坝系拓扑视图进行处理后，不符合空间观察条件的坝的任何信息将不会存在于拓扑视图中，拓扑视图的网络完整性得以保持。

图4至图7示出了在一维数组形式的拓扑视图中，删除一个不符合观察条件的元素的过程，该被删除的元素的上下游坝部分均存在，如图4所示。首先，将以该上游坝部分ElementU作为本坝部分的元素的下游坝部分置为该本坝ElementX的下游坝部分ElementD，如图5所示，增加箭头线①，去掉箭头线②，然后，将以该下游坝部分ElementD作为本坝部分的元素的上游坝部分置为该本坝ElementX的上游坝部分ElementU，如图6所示，增加箭头线③，去掉箭头线④，最后，删除本坝部分为ElementX的元素，得到图7所示的新关系视图。

由上可看出，通过上面各种观察条件限定而处理得到的坝系拓扑视图呈现了坝系规划方案在特定的时间、坝类型、空间条件下的状态，并且该坝系拓扑视图包含了淤地坝之间的上下游关系，该坝系拓扑视图可为专业分析过程提供足够的基本信息，实现拓扑信息与专业分析功能相隔离的需求，从而可明显降低实现专业分析功能的难度，减小专业分析代码的耦合性，降低软件产品的缺陷率，提高软件产品的复用性。

在本发明中，拓扑视图的概念是十分灵活的，视图中的淤地坝的数量可为0个或0个以上。当视图中存在1个以上淤地坝时，任意两个淤地坝之间可能存在上下游关系或不存在任何关系。淤地坝之间的关系也可以不是直接存在的，例如，拓扑视图中存在骨干坝G1、小型坝X1、中型坝Z2，G1位于Z2的下游，Z2位于X1的下游，自然，G1也位于X1的下游，但在拓扑视图中可以不直接记录后一个关系，而是在需要知道G1与X1的关系时才通过简单推算得到。

在生成用户所需的坝系拓扑视图后，用户便可基于该坝系拓扑视图提供的关于坝系的基本信息而对坝系进行专业分析了。

例如，某个坝系有5座坝，坝系从2007年建设到2011年建设完成，2007年新修建1座坝，2008年新修建2座坝，2009年新修建1座坝，2010年没有新修建坝，2011年新修建1座坝。现需要分析2012年的保收能力。下面简单描述分析过程：

保收能力分析与坝类型没有关系，其只与时间、空间有关系。保收能力是指在某一年内的某座坝淤积厚度小于30cm，在10年一遇的洪水下，淹水深度小于80cm，则认为此坝保收。不满足此条件为不保收，在坝系中保收的坝地面积除以坝地总面积为坝系的保收能力。可见，计算保收能力需要两个条件：A、2012年每一座坝的淤积厚度；B、2012年在10年一遇的洪水下，每一座坝的淹水深度。

求得2012年的坝系保收能力需要下面六个步骤来完成：

第一步：计算到2012年每一座坝的淤积厚度；

第二步：计算2012年在10年一遇的洪水下每一座坝的淹水深度；

第三步：判断2012年每一座坝是否保收；

第四步：计算坝系中保收的坝地总面积；

第五步：计算坝系中坝地的总面积；

第六步：计算坝系的保收能力。

在上述整个计算过程中，步骤一和步骤二中的淤积厚度计算和淹水深度计算需要多次用到坝系拓扑视图。如，在淤积厚度计算中，需要借助坝系拓扑视图而逐年求出每座坝的区间面积和来泥量，而在淹水深度计算中，需要借助坝系拓扑视图而求出2012年每座坝的区间面积、来泥量等数据，这些繁琐的计算都是人工不可能实现的。由于保收能力分析与坝类型没有关系，而只与时间、空间有关系，所以保收能力分析较简单。而实际的专业分析是更加繁琐复杂的，故可见，在专业分析前事先生成蕴含有各种坝系基本信息的坝系拓扑视图是十分必要和重要的。

本发明的优点是：

在本发明中，由于坝系的基本信息用拓扑视图的形式来表达，拓扑视图既包括了满足条件的淤地坝的信息，也包括了坝之间的关系信息，故将该拓扑视图用作支持专业分析功能的媒介，可有效地将专业分析计算过程与拓扑信息计算过程相隔离，专业分析计算过程中不再需要任何额外的拓扑信息的计算，流程控制很容易实现，减小了代码的耦合性，专业人员在开发专业分析功能时，可将分析、设计、编码的重点放在业务逻辑上，不受拓扑信息计算问题的干扰，减少了专业分析过程中的出错可能，降低了小流域淤地坝坝系规划辅助软件的开发难度，提高了软件的复用性。而且，当由于坝系规划理论、工作规范发生变化而需要修改或增加专业分析功能时，软件的开发工作也是容易实现的。