一种曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法

摘要

本发明属于工程地质技术领域，具体而言，涉及一种曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法包括下列步骤：A、基于输入的UTM/自定义的坐标体系，确定曲流河点坝内部关键侧积层界面的平面位置坐标；B、对曲流河点坝内部关键侧积层界面控制点进行平滑处理和标准化；C、模拟曲流河点坝内部不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，形成关键侧积层之间的次级侧积层界面平面位置；D、模拟未来河道演化过程中不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，形成未来河道演化轨迹的平面位置；E、确定模拟曲流河点坝停止生长的平面位置和时间，形成曲流河点坝不同演化模式平面形态的模拟结果。该方法能科学预测曲流河点坝的平面演化形态、演化轨迹和生长趋势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法，属于工程地质建模技术领域。

背景技术

曲流河点坝类型主要包括扩张型、迁移型、扩张-旋转型和迁移-旋转型，不同类型的曲流河点坝拥有不同的形态特征，且任一类型的曲流河点坝都具有其复杂多变的生长过程。

工程地质领域中，目前仍然比较缺乏关于曲流河点坝生长机理研究的可行性方法，导致曲流河点坝平面生长过程难以科学预测或预测结果与实际结果相差较大，这样不仅降低了曲流河富集区(如我国东北地区松嫩平原)地质灾害预报能力，而且也给重大工程建设的选址带来了地质安全隐患，有时甚至可能对曲流河附近居民的生命和财产造成重大破坏。

发明内容

本发明提供了一种曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法，其目的在于，准确模拟扩张型、迁移型、扩张-旋转型和迁移-旋转型曲流河点坝复杂多变的生长过程，科学预测地面曲流河点坝的平面演化形态、演化轨迹和生长趋势，以解决现有技术中存在的上述问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法，包括下列步骤：

A、基于输入的UTM/自定义的坐标体系，确定曲流河点坝内部关键侧积层界面的平面位置坐标；

B、基于数字滤波器，对曲流河点坝内部关键侧积层界面控制点进行平滑处理和标准化；

C、基于曲流河点坝发育演化类型、内部侧积层迁移速率和河道宽度，利用分段插值方法和矩阵空间算法，模拟曲流河点坝内部不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，形成关键侧积层之间的次级侧积层界面平面位置；

D、基于曲流河点坝发育演化类型、内部侧积层迁移速率和河道宽度，利用线性插值方法和矩阵空间算法，模拟未来河道演化过程中不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，形成未来河道演化轨迹的平面位置；

E、基于不同曲流河点坝发育演化类型，根据人工输入的沉积演化时间和曲流河道截弯取直临界值，确定模拟曲流河点坝停止生长的平面位置和时间，形成曲流河点坝不同演化模式平面形态的模拟结果。

在本发明提供的实施例中，上述步骤D仅适用于工程地质应用领域。

在本发明提供的实施例中，上述步骤E中模拟结果的建模步骤又分为下列两种情况：

(1)、针对扩张型、扩张-旋转型点坝类型，依据河道平面中心控制点的位置，确定目标点坝中心线，进而计算目标点坝两侧伴生点坝之间的最小距离，将其与人工输入的截弯取直临界值进行比较；若前者大于后者，则目标点坝继续发育演化至所设置的沉积演化时间为止，形成模拟结果；反之，目标点坝发生截弯取直，并停止发育，形成模拟结果；

(2)、针对迁移型、迁移-旋转型点坝类型，目标点坝当发育至人工输入的沉积演化时间时，即停止生长发育，形成模拟结果。

本发明的有益效果为：本发明公开了一种曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法，该方法可准确地模拟扩张型、迁移型、扩张-旋转型和迁移-旋转型曲流河点坝复杂多变的生长过程，从而能够科学预测地面曲流河点坝的平面演化形态、演化轨迹和生长趋势，因此，本发明不仅有助于提高由曲流河点坝引发的各类地质灾害的预报能力，而且也对重大工程建设的选址提供了科学的指导方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1(A)为曲流河点坝关键侧积层界面化和示意图；

图1(B)为关键侧积层界面控制点的采样和标准化示意图；

图2(A)为曲流河点坝关键侧积层界面之间的次级侧积层界面侵蚀改造模拟示意图；

图2(B)为曲流河点坝关键侧积层之间的次级侧积层界面平面位置示意图；

图3为曲流河点坝未来演化侵蚀改造轨迹模拟示意图；

图4(A)为扩张型曲流河点坝模拟结果；

图4(B)为扩张-旋转型曲流河点坝模拟结果；

图5(A)为迁移型曲流河点坝模拟结果；

图5(B)为迁移-旋转型曲流河点坝模拟结果；

图6为秘鲁Genaro Herrera地区曲流河段地质灾害预报模拟结果。

图标：t1-t1时期的关键侧积层界面；t2-t2时期的关键侧积层界面；t3-t3时期的关键侧积层界面；P20-侧积层界面的第20个控制点在t2至t3时期的侵蚀轨迹；P100-侧积层界面的第100个控制点在t1至t2和t2至t3时期的迁移轨迹；P190-侧积层界面的第190个控制点在t2至t3时期的侵蚀轨迹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法，包括以下列步骤：

A、基于输入的UTM/自定义的坐标体系，确定曲流河点坝内部关键侧积层界面的平面位置坐标；

根据已有的地层构型分析图像或遥感图像，确定坐标体系(UTM/自定义)，然后，基于图像中识别出的关键侧积层界面，利用人为设定的采样间隔，得到关键侧积层界面的平面位置坐标。如图1所示，坐标框为基于分析图像“自定义”的坐标体系，t₁、t₂和t₃为基于图像识别出的关键侧积层界面(图1A)及其采样点(图1B)。

B、基于数字滤波器，对曲流河点坝内部关键侧积层界面控制点进行平滑处理和标准化；

基于Savitzky-Golay数字滤波器，设定多项式函数的级次和平滑窗口的长度，对曲流河点坝内部关键侧积层界面控制点进行平滑处理，以此为基础，对各侧积层控制点数量进行标准化，并得到关键侧积层界面的控制点。如图1B所示，图中圆圈符号代表不同关键侧积层界面标准化后的控制点分布，每期关键侧积层界面控制点数量为200。

C、基于曲流河点坝发育演化类型、内部侧积层迁移速率和河道宽度，利用分段插值方法和矩阵空间算法，模拟曲流河点坝内部不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，形成关键侧积层之间的次级侧积层界面平面位置；

基于扩张型、迁移型、扩张-旋转型、迁移-旋转型曲流河点坝形态模式，依据曲流河点坝内部侧积层不同时期、不同平面位置的迁移速率和河道满岸宽度，利用分段插值方法，对关键侧积层之间的次级侧积层界面进行插值，确定次级侧积层对应河道凹岸和凸岸的平面坐标位置，进而在关键时间界面的控制下利用矩阵空间算法，模拟曲流河点坝内部不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，最终模拟出关键侧积层之间的次级侧积层界面平面位置。

具体的，如图2A和图2B所示的扩张型曲流河点坝，该模拟过程需要的相关参数设定如下：河道满岸宽度设定为51米，t₁和t₂关键界面之间的时期，河道最大迁移速率设定为25m/yr(图2A中P100所示轨迹)，t₂和t₃关键界面之间的时期，河道最大迁移速率设定为15m/yr(图2A中P100所示轨迹)；以此为基础，在t₁、t₂和t₃关键时间界面的控制下，对不同时期次级侧积层控制点(图2A中的三角符号)进行一对一插值，模拟出次级侧积层(即河道凸岸)和河道凹岸的平面坐标位置；同时，利用矩阵算法，模拟侧积层界面的侵蚀改造过程，如图2A中P20和P190控制点在t₂至t₃时期的侵蚀过程，最终模拟出图2B所示的关键侧积层之间的次级侧积层界面平面位置。

D、基于曲流河点坝发育演化类型、内部侧积层迁移速率和河道宽度，利用线性插值方法和矩阵空间算法，模拟未来河道演化过程中不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，形成未来河道演化轨迹的平面位置；

基于扩张型、迁移型、扩张-旋转型、迁移-旋转型曲流河点坝形态模式，依据曲流河点坝内部侧积层不同平面位置的迁移速率和河道满岸宽度，利用线性插值方法，对河道未来演化中的侧积层界面进行插值，确定这些侧积层对应河道凹岸和凸岸的平面坐标位置，进而利用矩阵空间算法，模拟未来河道演化过程中侧积层界面的侵蚀改造过程，最终预测未来河道演化轨迹的平面位置。如图3所示，为图2A扩张型点坝未来河道演化轨迹的模拟，假定t₃之后河道最大迁移速率为15m/yr(图2A中P100所示轨迹)，模拟了未来8年内水道的迁移轨迹。

E、基于不同点坝发育演化类型，根据人工输入的沉积演化时间和曲流河道截弯取直临界值，确定模拟点坝停止生长的平面位置和时间，形成曲流河点坝不同演化模式平面形态的模拟结果。

进一步的是，步骤E中模拟结果的建模步骤又分为下列两种情况：

(1)针对扩张型、扩张-旋转型点坝类型，依据河道平面中心控制点的位置，确定目标点坝中心线，进而计算目标点坝两侧伴生点坝之间的最小距离，将其与人工输入的截弯取直临界值进行比较；若前者大于后者，则目标点坝继续发育演化至所设置的沉积演化时间为止，形成模拟结果；反之，目标点坝发生截弯取直，并停止发育，形成模拟结果(如图4A和图4B所示)。

(2)针对迁移型、迁移-旋转型点坝类型，目标点坝当发育至人工输入的沉积演化时间时，即停止生长发育，形成模拟结果(如图5A和图5B所示)。

实施例：

选取秘鲁Genaro Herrera地区曲流河段(图6A)，属于典型的扩张型点坝，受洪水作用的影响，其今后若干年将继续扩大生长，直至最后截弯取直。这意味着在该点坝河道外侧一定距离范围内，如图6B所示(图6A中方框区域放大图)，Genaro Herrera小镇所有与人类相关的基础设施建设可能将遭受破坏，人类的生命财产安全将受到地质灾害的威胁。利用本发明的方法，可以科学预报在特定年份点坝扩张的平面位置，同时预测点坝可能影响的最大范围，这一方面对挽救人类生命财产安全有重大民生意义，另一方面为今后基础设施建设的选址具有重大地质工程意义。

A、确定点坝内部关键侧积层界面的平面位置坐标；

根据选取的Genaro Herrera地区扩张型点坝遥感图像，确定如图6A所示的自定义坐标体系；然后，基于图像中识别出的关键侧积层界面，如图6A所示的t₁、t₂、t₃实线，利用人为设定的采样间隔，得到关键侧积层界面的平面位置坐标。

B、基于数字滤波器，对点坝内部关键侧积层界面控制点进行平滑处理和标准化；

基于Savitzky-Golay数字滤波器，将多项式函数设定为3次，用21点窗口对点坝内部t₁、t₂、t₃所在关键侧积层界面控制点进行平滑处理，以此为基础，将各侧积层控制点数量标准化为300。

C、基于点坝发育演化类型、内部侧积层迁移速率和河道宽度，利用分段插值方法和矩阵空间算法，模拟点坝内部不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，形成关键侧积层之间的次级侧积层界面平面位置；

基于目标点坝的遥感图像及Genaro Herrera地区的水文资料，设定侧积层在t₁-t₂时期apex平均最大迁移速率为20米/年，在t₂-t₃时期apex平均最大迁移速率为15米/年，利用分段插值方法，对关键侧积层之间的某次级侧积层界面进行插值，并基于GenaroHerrera地区模拟段的活动河道满岸宽度(660米)，进而模拟出特定年份的河道凹岸和凸岸的平面坐标位置；进而利用矩阵空间算法，模拟点坝内部不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，最终模拟出关键侧积层之间的次级侧积层界面平面位置，完成遥感图像中已有侧积层的历史轨迹拟合，如图6C所示的拟合结果可以看出，目标点坝侧积层历史轨迹与模拟结果具有较高的吻合度，说明模型中设置的相关参数符合Genaro>

D、基于点坝发育演化类型、内部侧积层迁移速率和河道宽度，利用线性插值方法和矩阵空间算法，模拟未来河道演化过程中不同时期侧积层界面的侵蚀改造过程，形成未来河道演化轨迹的平面位置；

基于扩张型点坝形态模式，依据上述目标点坝内部侧积层t₂-t₃时期apex平均最大迁移速率(15米/年)和河道满岸宽度(660米)，利用线性插值方法，对河道未来截弯取直之前演化过程中的侧积层界面进行插值，确定这些侧积层对应河道凹岸和凸岸的平面坐标位置，进而利用矩阵空间算法，模拟未来河道演化过程中侧积层界面的侵蚀改造过程，最终预测未来河道截弯取直之前演化轨迹的平面位置，如图6D所示，粉红色实线为河道未来15年后的凸岸轨迹，即t4标注的位置，基于这一预测结果，可以看出Genaro>

E、基于不同点坝发育演化类型，根据人工输入的沉积演化时间和曲流河道截弯取直临界值，形成曲流河点坝不同演化模式平面形态的模拟结果；

根据Genaro Herrera地区点坝的统计，设定河道截弯取直临界值设定为5m。针对扩张型点坝类型，依据河道平面中心控制点的位置，确定目标点坝中心线，进而计算目标点坝两侧伴生点坝之间的最小距离，将其与人工输入的截弯取直临界值进行比较：若前者大于后者，则目标点坝继续发育演化至所设置的沉积演化时间为止，形成模拟结果；反之，目标点坝发生截弯取直，并停止发育，形成模拟结果；如图6E所示，按照apex平均最大迁移速率15米/年预测，Genaro Herrera地区河道大约在35年后将发生截弯取直，此时GenaroHerrera小镇在距离河岸约150-310m范围的建筑设施将进一步被河道侵蚀损坏，即t₄-t₅实线所限定的范围(图6E和6F)，可建议该区域居民提前搬迁，以避免生命财产造成重大损失；同时，可以指出距离河岸约310m范围之外的建筑设施，即t₅实线标定的右侧区域发生河道侵蚀灾害的可能性较小，今后可放心拓展基础设施建设和经济建设。

本发明提供的曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法的有益效果为：本发明公开了一种曲流河点坝不同演化模式平面形态的建模方法，该方法可准确地模拟扩张型、迁移型、扩张-旋转型和迁移-旋转型曲流河点坝所具有的复杂多变的生长过程，从而能够科学预测地面曲流河点坝的平面演化形态、演化轨迹和生长趋势，因此，本发明不仅有助于提高与曲流河点坝相关的地质灾害的预报能力，而且对工程建设的科学地质选址也具有重大指导意义。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。