一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的方法及其系统

摘要

本发明公开了一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的方法及其系统，包括步骤：结合数据库建立统一的大断面数据模型；制定大断面数据测量结果标准格式和数据结构规范；校验大断面数据测量结果是否符合要求和规范；依据符合要求的大断面数据计算河底基准高程；在河底基准高程的基础上计算河底平均高程、河底宽度、河底面积、河底平均高程变化率和河底面积变化率的特征指标。本发明利用河道大断面测量数据，基于拐点识别算法，对河底基准高程进行自动化计算识别，减少了人为操作带来的不一致性和随机性；保证河底平均高程、平均河底宽度等特征值计算的准确性，消除了非属河底部分河床高程段参与计算得出的非河底特征值而淡化河底冲淤变化的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及泥沙数据处理技术领域，具体涉及一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的方法及其系统。

背景技术

断面河底基准高程的确定对于分析水库断面随时间推移的冲淤变化有重要意义，根据大断面测量数据和断面河底基准高程可直接计算出每个断面的河底平均高程。它有两个方面的意义：一方面通过河底平均高程的时间变化直接反映该断面的冲淤变化，另一方面断面河底基准高程是水库库区基床泥沙变化高程区域的划分界限，在此高程以上库区泥沙冲淤变化不明显，断面形态也基本稳定，而在此高程以下受水库调水调沙造成的泥沙运动影响，断面形态变化比较剧烈。间接的通过河底基准高程的确定，可掌握水库库区泥沙异重流运动的高程范围。

附图1中：

H_水面表示断面水位；

W_水面表示H_水面对应的水位下的河宽；

H_河底平均表示断面河底平均高程；

H_{断面平均水深}表示断面水位为H_水面的情形下，断面的平均水深；

H_河底基准表示断面识别为河底的分界线高程，在此高程之下的断面部分称为断面河底；

H_断面最低表示断面的最低高程，为测量大断面的最低高程点；

W_河底基准表示河底基准高程下所对应的河宽。

传统方法计算断面河底平均高程采用的是水位减去断面平均水深的方式来确定，如上示意图，计算公式如下：

H_{断面平均水深}＝AREA_水面/W_水面(2)

H_河底基准＝H_水面-H_{断面平均水深}(3)

H_{河底平均水深}＝AREA_河底基准/W_河底基准(5)

H_河底平均＝H_河底基准-H_{河底平均水深}(6)

传统河底平均高程计算方法具有一定的不稳定性，随水位变化而波动，确定合适的水位进行计算成为关键，而事实上确定合适的计算水位是缺乏理论依据的，而河底基准高程的确定存在一定的可循性，水库冲淤河道断面存在建库前形成质地较硬的断面和蓄水后断面底部淤积形成的淤积带，淤积带和原始的硬底断面之间容易形成断面变化拐点，可定性为淤积带与原始硬底断面之间的边界拐点。

水库断面泥沙多年来的淤积形态呈水平堆积趋势，断面两岸的岸坡冲淤变化较小，冲淤变化主要集中在河底区域，并且河底区域与原始岸坡具有明显的转折拐点。因此可将寻找大断面的拐点作为确定河底基准高程的关键因素。这样上述除公式(3)外，其它的计算依旧是成立的。

确定大断面拐点的方式有两种：一种是通过人工观察法，如附图2中可以用经验找出大断面的拐点：

用经验法寻找拐点有一个比较大的问题是大断面往往很难是规则的，会出现较多的拐点(如附图2)，需要人为根据经验进一步确认哪个拐点作为河底基准高程是比较合适的，这么做给河底基准高程的识别带来了不确定性。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的方法及其系统，解决了目前依靠人工经验进行河底基准高程确认带来的不确定性问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的方法，包括以下步骤：

1)结合数据库建立统一的大断面数据模型，构建区域、流域、河流或者水库的大断面测量数据存储体系；

2)根据所述大断面数据模型导入大断面数据测量结果，制定大断面数据测量结果标准格式和数据结构规范；

3)校验所述大断面数据测量结果是否符合要求和规范，检查大断面数据是否存在起点距重复、测量高程不足；

4)依据符合要求的大断面数据计算河底基准高程：河底基准高程的识别需要将大断面测量数据转化为高程～面积曲线、高程～河宽曲线、高程～湿周曲线和高程～平均水深曲线，然后采用拐点识别算法计算河底基准高程；

5)在河底基准高程的基础上计算河底平均高程、河底宽度、河底面积、河底平均高程变化率和河底面积变化率的特征指标。

步骤1)中，所述大断面数据模型包括大断面测次定义模型、大断面信息模型、大断面测量过程数据模型；

所述大断面测次定义模型，包括测次名称、测次时间、创建日期和描述4，测次名称用于定义进行的某一次测量的唯一标识，测次时间表示测量整理数据的时间，创建时间表示数据导入系统的时间，描述用于记录该次测量需要说明提示的信息；

所述大断面信息模型，包括测次名称、断面编码、测量日期、测深工具、水位和是否高程不足，断面编码是标识某一个断面的唯一索引编码，测量日期是该大断面信息测量的时间，测深工具表示该大断面数据采用什么仪器进行测量的，水位表示测量时的水位，是否高程不足表示测量时该断面是否测量到了最高水位以上的高程；

所述大断面测量过程数据模型，包括测次名称、断面代码、起点距、河底高程、说明信息和是否借用，起点距表示断面上的测量点距离0起点距位置的直线距离，采用米为单位，河底高程表示该起点距位置河底对应的地形高程，说明信息用于记录该点测量值需要说明的提示信息，是否借用用于标识该数据点是源于实际测量还是从邻近测次中借用过来的数据；

基于以上3个数据定义模型，构建大断面数据模型的拓扑表达。

步骤2)中，每个大断面数据测量结果包括断面名称、所属测次、施测日期、测深工具，测量时水位、起点距和高程，该结果由大断面测量单位测量获取；

所述大断面数据测量结果有多种数据格式和数据结构。

步骤3)中，所述大断面数据测量结果具体的校验方法为：

将起点距按照从小到大排序，然后顺序检查前一个起点距与后一个起点距是否存在相等的情况；大断面高程是否存在不足需要分为左岸和右岸进行判断，将进行起点距重复处理后的大断面数据，寻找其最低高程位置数值点，将此数值起点距以前的数据序列定义为左岸，将此起点距以后的数据序列定义为右岸，给定一个最高高程值，分别判断左岸和右岸的最大高程是否大于等于此最高高程值，如果左岸和右岸判断结果皆为false,表示不存在高程不足，如果左岸或者右岸为true，表示该断面存在高程不足的情况，需要进一步核实断面测量的情况。

步骤4)中，所述河底基准高程具体的计算步骤如下：

41)根据起点距～高程大断面测量数据计算高程～面积曲线、高程～河宽曲线、高程～湿周曲线和高程～平均水深曲线；

42)分别对步骤41)的4种曲线建立高程与面积、河宽、湿周和平均水深的函数关系，该函数关系用以下关系进行表达：

A＝f_A(H),H表示高程，f_A(H)表示高程～面积函数关系，A表示面积；

W＝f_W(H)，f_W(H)表示高程～河宽函数关系，W表示河宽；

C＝f_C(H)，f_C(H)表示高程～湿周函数关系，C表示湿周；

表示高程～平均水深函数关系，D_AVG表示湿周；

分别对以上4种函数关系进行一阶求导和二阶求导，分别找出它们的一阶导数和二阶导数的拐点值序列，分别如下：

高程～面积函数关系的一阶导数拐点值序列为[(H_m,f_A'(H_m))],二阶导数拐点值序列为[(H_n,f_A”(H_n))]；

高程～河宽函数关系的一阶导数拐点值序列为[(H_m,f_W'(H_m))],二阶导数拐点值序列为[(H_n,f_W”(H_n))]；

高程～湿周函数关系的一阶导数拐点值序列为[(H_m,f_C'(H_m))],二阶导数拐点值序列为[(H_n,f_C”(H_n))]；

高程～平均水深函数关系的一阶导数拐点值序列为二阶导数拐点值序列为

然后分别对4组函数关系的一阶求导拐点序列和二阶求导拐点序列按照高程从大到小倒序排序；

43)判断4组曲线第0个一阶导数拐点集的高程是否相等，如果相等，则确定该高程H_m为河底基准高程，计算判断结束；否则继续第44)步骤；

44)判断4组曲线第0个二阶导数拐点集的高程是否相等，如果相等，则确定该高程H_n为河底基准高程，计算判断结束；否则继续第45)步骤；

45)将4组曲线的一阶导数进行绝对值加权平均，如果存在最大值，将最大值对应的高程H_n为河底基准高程，否则取最大值与次大值之差小于允许误差作为判断依据，取高程小的值作为河底基准高程。

本发明的一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的系统，包括：

数据模型模块，根据数据库定义和存储的数据对象建立数据模型；

测次断面数据导入管理模块，根据定义的标准化数据格式和数据结构，实现断面数据的导入，同时在导入的过程中对测次断面数据进行一致性检查、断面重复性检查、起点距重复检查和是否存在高程不足检查，同时翻译标准化数据格式中对应的符号所代表的含义，并实现符号与对应含义的动态管理，最终将导入的断面数据采用所述数据模型模块进行展示，并将导入的数据进行存储入数据库；

河底基准高程计算模块，根据所述测次断面数据导入管理模块导入存储的测次断面数据，实现同一测次中逐个断面自动河底基准高程以及与河底基准高程相关的特征值参数的计算，并将计算成果存储入数据库；

和计算成果生成模块，根据所述河底基准高程计算模块的计算成果，将输出测次各个断面的特征值报表，并根据河底基准高程的计算成果，选择多个测次的断面数据，输出断面特征值变化趋势图，并生成各个断面随时间的冲淤变化情况报告。

上述数据模型模块包括断面基本信息定义、河流基本信息定义、断面与河流之间关系定义、河流与河流之间关系的定义、河流与水库之间关系的定义、测次信息定义、测次断面信息定义和测次断面过程数据定义，构建一个断面信息之间的关系拓扑。

上述河底基准高程计算模块实现同一测次中逐个断面自动河底基准高程以及与河底基准高程相关的特征值参数的计算。

上述特征值参数包括河底宽度、河底面积、河底平均高程变化率和河底面积变化率。

本发明所达到的有益效果：本发明从流域水库泥沙管理角度建立了确定河底基准高程的方法与系统，提出了基于拐点识别的河底基准高程确定的方法，与现有方法对比，该方法能够快速自动有效的确定河底基准高程，避免了大断面非河底部位高程段数据参与河底断面特征值计算，引起计算结果不能反映真实情况的问题。有效提高了泥沙断面冲淤分析的准确性和数值比较的一致性，提高了水库河流泥沙冲淤管理的效率。本发明支持多个大断面测量数据自动导入、数据自动计算功能，有效减少了泥沙分析工作人员对每个河道断面的河底基准高程进行确认的人工工作量，提高多沙流域和水库工作人员的工作效率，提高流域和水库管理水平。

附图说明

图1库区河道断面特征水位示意图；

图2大断面拐点示意图；

图3是本发明的断面形状示意图；

图4是本发明的大断面测量资料计算特征值分析图；

图5是本发明的河底基准高程确定流程示意图；

图6(a)是本发明的存在明显拐点的高程～河宽～面积～湿周～平均水深关系图(黄河4断面为例)；

图6(b)是本发明的存在明显拐点的高程～河宽～面积～湿周～平均水深关系图(黄河5断面为例)；

图7(a)是本发明的不存在明显拐点的起点距～高程关系图(以黄河1断面为例)；

图7(b)是本发明的不存在明显拐点的高程～河宽～面积～湿周～平均水深关系图(以黄河1断面为例)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的方法，包括以下步骤：

1)结合数据库建立统一的大断面数据模型，大断面数据模型包括大断面测次定义模型、大断面信息模型、大断面测量过程数据模型，共同构建区域、流域、河流或者水库的大断面测量数据存储体系；

2)根据数据模型结构导入大断面数据测量结果，大断面数据测量结果可有多种数据格式和数据结构，制定大断面数据测量结果标准格式和数据结构规范；

3)校验大断面测量数据是否符合要求和规范，检查大断面数据是否存在起点距重复、测量高程不足等，将起点距按照从小到大排序，然后顺序检查前一个起点距与后一个起点距是否存在相等的情况；大断面高程是否存在不足需要分为左岸和右岸进行判断，将进行起点距重复处理后的大断面数据，寻找其最低高程位置数值点，将此数值起点距以前的数据序列定义为左岸，将此起点距以后的数据序列定义为右岸，给定一个较大的最高高程值，分别判断左岸和右岸的最大高程是否大于等于此最高高程值，如果左岸和右岸判断结果皆为false,表示不存在高程不足，如果左岸或者右岸为true表示该断面存在高程不足的情况，需要进一步核实断面测量的情况；

4)依据符合要求的大断面数据计算识别河底基准高程，河底基准高程的识别需要将大断面测量数据转化为高程～面积曲线、高程～河宽曲线、高程～湿周曲线和高程～平均水深曲线，然后采用拐点识别算法计算河底基准高程；

5)在河底基准高程的基础上计算河底平均高程、河底宽度、河底面积、河底平均高程变化率和河底面积变化率等特征指标。

其中，上述步骤4)，具体步骤包括：

1)根据起点距～高程大断面测量数据计算高程～面积曲线、高程～河宽曲线、高程～湿周曲线和高程～平均水深曲线；

42)分别对步骤41)的4种曲线建立高程与面积、河宽、湿周和平均水深的函数关系，该函数关系用以下关系进行表达：

A＝f_A(H),H表示高程，f_A(H)表示高程～面积函数关系，A表示面积；

W＝f_W(H)，f_W(H)表示高程～河宽函数关系，W表示河宽；

C＝f_C(H)，f_C(H)表示高程～湿周函数关系，C表示湿周；

表示高程～平均水深函数关系，D_AVG表示湿周；

分别对以上4种函数关系进行一阶求导和二阶求导，分别找出它们的一阶导数和二阶导数的拐点值序列，分别如下：

高程～面积函数关系的一阶导数拐点值序列为[(H_m,f_A'(H_m))],二阶导数拐点值序列为[(H_n,f_A”(H_n))]；

高程～河宽函数关系的一阶导数拐点值序列为[(H_m,f_W'(H_m))],二阶导数拐点值序列为[(H_n,f_W”(H_n))]；

高程～湿周函数关系的一阶导数拐点值序列为[(H_m,f_C'(H_m))],二阶导数拐点值序列为[(H_n,f_C”(H_n))]；

高程～平均水深函数关系的一阶导数拐点值序列为二阶导数拐点值序列为

然后分别对4组函数关系的一阶求导拐点序列和二阶求导拐点序列按照高程从大到小倒序排序；

43)判断4组曲线第0个一阶导数拐点集的高程是否相等，如果相等，则确定该高程H_m为河底基准高程，计算判断结束；否则继续第44)步骤；

44)判断4组曲线第0个二阶导数拐点集的高程是否相等，如果相等，则确定该高程H_n为河底基准高程，计算判断结束；否则继续第45)步骤；

45)将4组曲线的一阶导数进行绝对值加权平均，如果存在最大值，将最大值对应的高程H_n为河底基准高程，否则取最大值与次大值之差小于允许误差作为判断依据，取高程小的值作为河底基准高程。

同时，本发明的一种基于大断面测量数据确定河底基准高程的系统，包括：

1)数据模型模块，根据数据库定义和存储的数据对象建立数据模型，其中所述的数据模型包括断面基本信息定义、河流基本信息定义、断面与河流之间关系定义、河流与河流之间关系的定义、河流与水库之间关系的定义、测次信息定义、测次断面信息定义和测次断面过程数据定义等构建一个断面信息之间的关系拓扑；

2)测次断面数据导入管理模块，根据定义的标准化数据格式和数据结构，实现断面数据的导入，同时在导入的过程中对测次断面数据进行一致性检查、断面重复性检查、起点距重复检查和是否存在高程不足检查等，同时能够翻译标准化数据格式中对应的符号所代表的含义，并能够实现符号与对应含义的动态管理，最终将导入的断面数据采用1)所述的数据模型结构进行展示，并将导入的数据进行存储入数据库；

3)河底基准高程计算模块，根据2)导入存储的测次断面数据，实现同一测次中逐个断面自动河底基准高程以及与河底基准高程相关的特征值参数，如河底宽度、河底面积、河底平均高程变化率和河底面积变化率等特征指标的计算，计算方法采用权利要求1中步骤4)所描述的方法，并将计算成果存储入数据库；

4)计算成果生成模块，根据3)计算的成果，将输出测次各个断面的特征值报表，并根据河底基准高程的计算成果，选择多个测次的断面数据，输出断面特征值变化趋势图，并生成各个断面随时间的冲淤变化情况报告。

本发明的具体原理方法如下：

对于曲线可表达为y＝f(x)函数关系来讲，采用一阶求导可以确定曲线函数的极值，采用二阶求导可以确定曲线函数的拐点，大断面起点距高程曲线如上图可知，有点大断面测量曲线锯齿现象严重，直接采用曲线求导方式进行求解存在效率低下，而且不能有效求解出真实拐点。而且寻找河底基准高程需要同时找出左岸和右岸两个拐点，增加了算法难度。

大断面测量曲线大致可分为U型、W型、阶梯型和混合型，如附图3示例。

大断面测量曲线没有明显的走势规律，我们可以先采用转化算法将大断面测量起点距～高程曲线转化为单调递增函数曲线。单调递增曲线具有可以将曲线转化为一个单调区间进行求导计算，这样免去了将大断面测量起点距～高程曲线按照极值点划分成多个单调区间进行一一寻找拐点，而且由于离散曲线存在大量的锯齿波动点，可能找出许多无意义的拐点。

大断面起点距～高程曲线转化为单调递增曲线的方式有以下几种：高程～河宽曲线、高程～平均水深曲线、高程～面积曲线和高程～湿周曲线。河宽、面积、湿周、平均水深的计算可以通过大断面测量资料进行叠加计算，计算可以分为以下四种情况，如附图4。

附图4大断面测量资料计算特征值分析图中，假设当断面水位处于H₀的情况下，垂线号i和i+1之间的面积为A_i，垂线号i的起点距为DI_i、河底高程为ZB_i，垂线号i+1的起点距为DI_i+1、河底高程为ZB_i+1，垂线号i和i+1之间的湿周为L_i，垂线号i和i+1之间的河宽为RW_i，如果RW_i>0，对应的断面平均水深DEPTH_i＝A_i/RW_i，否则DEPTH_i＝0。

情形一：如果(H₀≤ZB_i和H₀≤ZB_i+1)，那么A_i＝0，L_i＝0，RW_i＝0；

情形二：如果(H₀≤ZB_i和H₀＞ZB_i+1)，此时垂线号i和i+1之间的断面线与H₀相交，断面线与矩形相交以上的部分为A_i，假设相交点的坐标为(x,H₀)，那么应当满足以下公式：

由上述公式(7)可推导出：

根据上述假设可知，垂线号i和i+1之间的面积为：

与上述公式(10)合并，计算面积的公式为：

情形三：如果(H₀>ZB_i和H₀>ZB_i+1)，那么：

RW_i＝DI_i+1-DI_i(15)

情形四：如果(H₀＞ZB_i和H₀≤ZB_i+1)，其推导过程与情形二非常相似，其面积计算公式为：

将上述公式(10)代入其中，

根据上述公式可将大断面起点距～高程曲线转化为高程分别与河宽、面积、湿周、平均水深的关系曲线，拿黄河4断面2017年1测次数据计算，关系曲线如附图6(a)、图6(b)。

从附图6(a)、图6(b)中黄河4断面和黄河5断面的高程～河宽曲线和高程～湿周曲线存在明显的拐点，而且高程～河宽曲线和高程～湿周曲线在高程范围内具有单调递增性，可以通过一阶求导直接确定拐点，拐点位置所对应的高程就是河底基准高程。

黄河4断面和黄河5断面2个断面是断面中比较典型的U型断面和W型断面，具有非常清晰拐点断面曲线数据，而实际上早年有些数据，计算的曲线具有多个拐点，我们可以通过多种曲线联合求导寻找拐点算法的方式进行搜索，如附图7个断面。

附图7(a)、图7(b)中1997年1测次黄河1断面形态为混合型，其高程河宽曲线、高程湿周曲线和高程平均水深曲线皆存在多个较明显的拐点现象，这种情况同时对三条曲线进行求导计算，然后采用综合权重法，确定二阶导数值最大的拐点，作为河底基准高程。在拐点二阶导数数值相近取最小高程值，具体计算流程如附图5。

本发明从流域水库泥沙管理角度建立了确定河底基准高程的措施，采用自动识别断面拐点的方法确定河底基准高程，有效减少了依据经验方法确定河底基准高程带来的河底特征值计算的不确定性，提高了流域水库泥沙管理效率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。