一种基于分型插值的河床微观形态观测分析方法技术

本发明专利技术提供本发明专利技术公开了一种基于分型插值的河床微观形态观测分析方法，包括对观测点进行量测获取测点坐标，利用测得的坐标构建初始河床底部结构；构建水平A、B两方向的压缩变换式并计算压缩变换系数a

【技术实现步骤摘要】
一种基于分型插值的河床微观形态观测分析方法
本专利技术涉及水利工程实验
，具体是一种基于分型插值的河床微观形态观测分析方法。
技术介绍
水下地形的量测通常需获取水下待测点的深度和平面位置。深度一般由测量人员乘坐测量床至测点，使用测深杆、测深锤和回声测深仪等对测点的深度进行测量；平面位置则使用GPS来获取测点的平面坐标。使用测深仪与GPS相结合的方法是目前常见的确定测点三维坐标的方法，相较之前的测量方法可大大减少工作量，但是由于水流情况、经济效益和人员安全等因素的限制，实现高精度的水下地形观测往往存在较大的困难，通常只能获取一定数量的测点信息，无法获取大量且密集的地形数据，从而无法实现高精度的水下地形描述，进而无法解决对水下地形精度要求较高的各类实际问题。传统的线性插值方法在相邻插值节点之间多通过直线或光滑曲线相连接，但这往往与实际情况不符，多数情况下两节点之间并非线性变化或是平滑过渡的，节点间也未必存在单一的规律性变化。传统线性插值的问题在于无法通过已知的部分信息和特征去刻画两相邻已知网格结点间的局部具体特征，也无法拟合出曲面的整体形态，由此对河床微观地形观测分析的准确性造成了一定的误差。水下测点是研究河床形态发展和变化最简易直观的途径，一方面通常由于复杂的环境因素而为观测工作增加风险和难度，另一方面若大量增加测点个数，经济效益将会减少，为解决这两方面的问题，故需要对传统的河床形态分析方法进行优化。
技术实现思路
针对前述
技术介绍
存在的不足，本专利技术的目的是提供一种基于分形插值的河床微观形态观测分析方法，以解决目前河床底部测点数量不够而导致的观测结构精度不高，河床结构不够细化的问题，实现在现有水下观测系统下的河床微观结构分析。本专利技术提供了一种基于分形插值的河床微观形态观测分析系统，包括以下步骤：首先利用现有的河床底部观测系统对典型断面所设观测点进行量测，获取观测点的平面位置数据和深度数据以构建初始的河床底部结构。记各观测点的原始插值数据集三维坐标为(Ax,By,Cx,y)并保存。再构建分形插值曲面的数学模型：先分别确定X、Y为平面直角坐标系A、B两方向上的结点个数。令S＝[a,b]，T＝[c,d]，则设U＝S×T＝{(A,B):a≤A≤b,c≤B≤d}，将U以ΔA、ΔB为步长划分网格，其中坐标轴上的点需满足以下条件：a＝A0＜A1＜A2...＜AX＝b，c＝B0＜B1＜B2...＜BY＝d其中Ax、Bx为实测的横向A、B方向上的坐标点数据；AX、BY是横向A、B方向上以ΔA、ΔB为步长划分网格后的坐标点数据。由已有的各观测点原始插值数据集三维坐标(Ax,By,Cx,y)，其中x∈[0,X]，y∈[0,Y]，且x、y均为整数。构建二元分形插值函数F：U→D，同时函数需满足：F(Ax,By)＝Cx,y，x∈[0,X]，y∈[0,Y]，且x、y均为整数。对水平方向划分的网格节点数据分别进行如下压缩变换：ζx(A)＝axA+bx，σy(B)＝cyB+dy其中ax、cy为横向压缩变换系数，bx、dy为压缩调整参数。同时变换需满足以下条件：ζx(A0)＝Ax-1，σy(B0)＝By-1，ζx(AX)＝Ax，σy(BY)＝By前两式表示任一实际观测坐标点数据均可由网格边界处坐标点数据A0通过压缩变换得到；后两式表示任一实测点数据可由对应网格结点坐标数据通过压缩变换得到。联立压缩变换表达式和变换条件后可确定压缩变换式中各参数表达式：ax＝(Ax-Ax-1)/(AX-A0)，bx＝(Ax-1AX-AxA0)/(AX-A0)，cy＝(By-By-1)/(BY-B0)，dy＝(By-1BY-ByB0)/(BY-B0)结合前述单一方向上的网格节点数据压缩变换，此处将纵向C方向的测点数据考虑在内，对三维网格节点数据进行如下压缩变换：fx,y(A,B,C)＝αx,yA+βx,yB+γx,yAB+λx,yC+ηx,yx∈[0,X]，y∈[0,Y]，且x、y均为整数，其中λx,y是决定曲面分形维数即粗糙程度的垂直比例因子，需满足0≤λx,y＜1的条件，ηx,y为压缩调整参数，其只与水平两方向上的数据相关。通过已求得的水平A方向和B方向的压缩变换可求解得：定义迭代函数系Rx,y(A,B,C)＝(ζx(A),σy(B),fx,y(A,B,C))，其中x∈[0,X]，y∈[0,Y]，且x、y均为整数，并同时得到分形插值函数F的隐函数为fx,y(A,B,C)。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的一种基于分型插值的河床微观形态观测分析方法，通过现有观测系统对河床的若干有限个测点间进行分形插值处理，使河床网格两节点间避免出现线性或平滑过渡的现象，使分析得到的河床形态更符合实际情况，有利于进一步研究床面形态对水流等的扰动。附图说明图1本专利技术的方法流程示意图。图2本专利技术实施案例所构建的初始河床底部形态图。图3本专利技术实施案例的优化后河床微观形态分析图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1，一种基于分形插值的河床微观形态观测分析方法，包括以下具体步骤：S1、由现有的河床底部观测系统对典型断面所设观测点进行量测。S2、通过步骤1量测获取观测点的平面位置数据和深度数据并将数据转化为三维坐标(Ax,By,Cx,y)的形式。S3、由量测所得坐标并利用线性插值的方法绘制初步的河床底部结构。S4、令S＝[a,b]，T＝[c,d]，则设U＝S×T＝{(A,B):a≤A≤b,c≤B≤d}，将U以ΔA、ΔB为步长划分网格，其中坐标轴上的点需满足以下条件：a＝A0＜A1＜A2...＜AX＝b，c＝B0＜B1＜B2...＜BY＝d其中Ax、Bx为实测的横向A、B方向上的坐标点数据；AX、BY是横向A、B方向上以ΔA、ΔB为步长划分网格后的坐标点数据。S5、由已有的步骤3各观测点原始插值数据集三维坐标(Ax,By,Cx,y)，其中x∈[0,X]，y∈[0,Y]，且x、y均为整数。构建二元分形插值函数F：U→D，同时函数需满足：F(Ax,By)＝Cx,y，x∈[0,X]，y∈[0,Y]，且x、y均为整数。S6、对步骤4水平方向划分的网格节点数据分别进行如下压缩变换：ζx(A)＝axA+bx，σy(B)＝cyB+dy其中ax、cy为横向压缩变换系数，bx、dy为压缩调整参数。同时变换需满足以下条件：ζx(A0)＝Ax-1，σy(B0)＝By-1，ζx(AX)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分型插值的河床微观形态观测分析方法，其特征在于，包括以下具体步骤：/nS1、对观测点进行量测获取测点坐标，利用测得的坐标构建初始河床底部结构；/nS2、构建水平A、B两方向的压缩变换式并计算压缩变换系数a

【技术特征摘要】
1.一种基于分型插值的河床微观形态观测分析方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1、对观测点进行量测获取测点坐标，利用测得的坐标构建初始河床底部结构；
S2、构建水平A、B两方向的压缩变换式并计算压缩变换系数ax、cy和压缩调整参数bx、dy；
S3、构建考虑竖直C方向在内的压缩变换式并计算插值模型中的各项系数αx,y、βx,y、γx,y、ηx,y；
S4、确定垂直比例因子λx,y，计算A、B方向上的压缩变换值ζx(A)和σy(B)；
S5、由迭代函数系计算分形曲面上的压缩变换值fx,y(A,B,C)，利用Matlab由ζx(A),σy(B),fx,y(A,B,C)三点数据绘制分形曲面。


2.根据权利要求1所述的一种基于分型插值的河床微观形态观测分析方法，其特征在于，所述步骤S2的具体实施步骤为：
S21、构建二元分形插值函数F：U→D，同时函数需满足：
F(Ax,By)＝Cx,y，x∈[0,X]，y∈[0,Y]，且x、y均为整数；
S22、对水平方向划分的网格节点数据分别进行如下压缩变换：
ζx(A)＝axA+bx，σy(B)＝cyB+dy
其中ax、cy为横向压缩变换系数，bx、dy为压缩调整参数
S23、同时变换需满足以下条件：
ζx(A0)＝Ax-1，σy(B0)＝By-1，ζx(AX)＝Ax，σy(BY)＝By
前两式表示任一实际观测坐标点数据均可由网格边界处坐标点数据A0通过压缩变换得到；后两式表示任一实测点数据可由对应网格结点坐标数据通过压缩变换得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志晶，单敏尔，刘鑫，姚仕明，金中武，周银军，刘小斌，吴华莉，郭超，朱帅，陈鹏，陈义武，孙贵洲，张玉琴，刘昭希，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42