一种水下地形数据插值优化计算方法技术

本发明专利技术提供一种水下地形数据插值优化计算方法，本方法适用于河流、湖泊、水库等水域，包括：水域边界线矢量化、等间距构造边界点及边界分段拟合；设置自定义测点数量，根据断面实测数据进行自定义测点平面坐标计算；基于断面实测地形数据，进行分段拟合，插值生成自定义测点地形数据；分别沿实测断面及水域边界垂直方向进行断面插补，生成相邻实测断面网格节点坐标；根据相邻断面自定义测点数据，沿实测断面垂直方向进行高程线性插值，匹配网格节点坐标与高程，得到相邻实测断面插值数据，以此类推计算整个水域地形插值优化数据。本发明专利技术实现水下地形数据精细化计算，解决因实测断面数据有限导致水下地形模拟偏差较大的问题，具有重要的实用价值。重要的实用价值。重要的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种水下地形数据插值优化计算方法


[0001]本专利技术涉及水环境模拟领域，具体是一种水下地形数据插值优化计算方法。

技术介绍

[0002]水下地形数据是构建水环境数值模型的基础，其精确性主要由数据量与数据精度决定。随着水环境精细化数值模拟的发展，从数据数量和质量上对水下地形模拟提出了更高的要求，水下地形模拟的准确程度决定了水环境数值模型的计算效率和精度。受环境、人力、物力及技术等条件的限制，很难实现水下地形全覆盖测量，通常选择少量地形地貌上比较有特点的断面开展测量，但基于少量实测地形数据，无法准确刻画水下地形地貌。为此，利用有限实测地形数据，通过沿水域岸线走向进行优化插值计算，构建精细化水下地形，解决因实测数据量少，导致地形模拟误差大的问题，为提高水环境数值模拟精度提供支撑。
[0003]目前，国内外公开了一些关于水下地形插值计算的方法。公开号为CN108010103A的专利公布了一种复杂地形快速精细生成方法，该专利通过将边界点重新分块定义并进行边界拟合生成特征地形界线，在此基础上进行区域高程采样点加密以及增补监测断面，利用待增补断面与河道已知采样高程断面的距离和比降变化，实现河道断面的精确增补，实现复杂河道地形快速精细生成。公开号为CN109960838A的专利公布了一种体现河流基本特征的河道地形自动生成方法，该方法基于提取的河道左、右岸边界线和河道深泓线，通过加密河道左、右岸边界线和深泓线之间的中间线，并与河道实测断面线相交，形成河道定向插值线段，定向插值生成河道高程点，以实现河道地形自动生成。公开号为CN103425856A的专利公布了一种依据河道测量断面数据自动生成河道地形的方法，该方法在固定断面间利用样条插值方法添加逻辑断面，沿河道方向添加纵向线形成格网，根据河道固定断面测量数据，采用克里金插值算法插值出固定断面中格网点的高程。公开号为CN108986222A的专利公布了一种基于特征纵向控制线与较少实测横断面地形数据的无汊河道数字地形生成方法，该方法通过将特征地形界线纳入河道网格剖分过程，基于距离加权法对插补横断面节点进行高程插值，完成实测横断面地形的合理概化，通过概化的横断面数据基于距离加权法沿纵向网格线进行高程内插以获得所有网格节点的高程数据。公开号为CN113656852A的专利公开了一种精细化河道地形快速生成方法，该专利通过按从上游至下游、左岸至右岸的顺序插值增补断面，基于相邻实测断面间交叉节点河底高程，对节点坐标与河底高程进行编码匹配，实现河道地形精细化内插计算。
[0004]现有的水下地形优化计算方法，主要针对河道水下地形进行精细化处理，且这些方法所需数据处理步骤复杂、自动化程度不高、计算效率及精度低，对于复杂岸线水域，难以准确刻画水下地形，无法满足水环境精细化模拟的需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种水下地形数据插值优化计算方法，通过提取水域边界点、数据分段拟合得到拟合边界多项式组，基于实测断面地形数据，进行分段拟合得到断面
多项式组，通过设置插值断面参数，结合插值网格节点坐标与高程匹配，实现沿岸线走向任意断面间距或任意断面数量的插值计算，具有计算精度高、效率高、自动化程度高等优点，解决水下地形数据插值优化计算的问题。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种水下地形数据插值优化计算方法，包括如下步骤：
[0008]第一步，水域边界点提取及边界拟合：沿实测断面近似垂直方向，利用地图管理软件矢量化两条水域岸线边界线，通过等间距取点，得到两组水域边界点及其坐标，并按相同顺序对边界点进行编号，以编号作为自变量，分别以边界点横坐标和纵坐标作为因变量，利用分段拟合的方式，根据设置的步长和多项式拟合指数，拟合得到两条边界横、纵坐标多项式组；
[0009]第二步，断面自定义测点平面坐标计算：野外单个实测断面测点坐标近似为直线，针对实测点平面坐标进行线性拟合，得到拟合公式，结合第一步得到的两条边界横、纵坐标多项式组，计算拟合直线与两条拟合边界线的交点编号和坐标，设置断面自定义测点数量，以交点坐标为基础数据，计算断面上均分布的各自定义测点平面坐标；
[0010]第三步，断面实测数据分段拟合及自定义测点地形生成：将第二步得到的交点坐标和水域水面高程添加至断面实测点数据，以各实测点距第一个实测点距离作为自变量，以断面上实测点对应高程作为因变量，设置分段拟合步长和多项式拟合指数，进行分段拟合得到多项式组，将各自定义测点距第一个自定义测点的长度作为横坐标，代入公式组识别计算自定义测点的高程值，组合第二步得到的自定义测点平面坐标与所述高程值，得到断面自定义测点地形数据；
[0011]第四步，相邻实测断面插值网格节点坐标：沿边界线走向，设置插补断面间距，根据实测断面间岸线走向距离，取四舍五入后的插补断面数量的最大值，作为相邻实测断面间横向插补断面数量，结合第二步得到的拟合直线与两条拟合边界线的交点编号和坐标，计算横向插补断面两端点坐标；将第二步设置的断面上自定义测点数量作为纵向插补断面数量，进行等间距纵向断面插补，得到相邻实测断面间插值网格节点坐标；
[0012]第五步，相邻实测断面插值网格节点高程及水下地形优化数据匹配：根据第四步确定的实测断面间横向插补断面数量，及第三步得到的相邻实测断面上自定义测点高程值，依次循环计算横向、纵向断面交叉点高程值，得到相邻实测断面插值网格节点高程；按先纵向后横向的顺序，依次匹配网格节点坐标与高程，形成相邻实测断面水下地形插值数据，依此类推，计算其他相邻断面，得到整个研究区域水下地形插值优化计算数据。
[0013]进一步的，所述的第一步包括以下步骤：
[0014]步骤1.1，水域边界矢量化：利用地图管理或编辑软件，沿实测断面近似垂直方向，即横向，矢量化两条水域岸线边界线，边界线长度均须涵盖所有实测断面，两条边界线可形成闭环或非闭环；
[0015]步骤1.2，坐标转换：将生成的两条边界线进行光滑处理，并检查以确保贴合水域岸线后，将边界线文件导入BIGEMAP或ArcGIS，利用坐标转换功能，将边界线文件从地理坐标转换成平面投影坐标，生成平面投影坐标线文件；
[0016]步骤1.3，构造边界点及编号：针对步骤1.2生成的两个平面投影坐标线文件，利用ArcGIS构造点文件功能，进行等间距取点，间距为D，并添加点文件坐标属性，形成两组边界
点，分别导出至文本文件，并按相同顺序为两组边界点编号；
[0017]步骤1.4，边界点拟合：以边界点编号作为自变量，分别以两条边界点横坐标和纵坐标作为因变量，利用分段拟合的方式，根据设置的步长和多项式拟合指数，拟合得到两条边界横、纵坐标多项式组，将得到的两条拟合边界线记为边界Ⅰ、边界Ⅱ，拟合边界Ⅰ横、纵坐标多项式组如公式
①
、
②
所示，边界Ⅱ公式组形式同边界Ⅰ：
[0018]拟合边界Ⅰ[0019]拟合边界Ⅰ[0020]其中，X
i
(d)为第i组因变量横坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下地形数据插值优化计算方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，水域边界点提取及边界拟合：沿实测断面近似垂直方向，利用地图管理软件矢量化两条水域岸线边界线，通过等间距取点，得到两组水域边界点及其坐标，并按相同顺序对边界点进行编号，以编号作为自变量，分别以边界点横坐标和纵坐标作为因变量，利用分段拟合的方式，根据设置的步长和多项式拟合指数，拟合得到两条边界横、纵坐标多项式组；第二步，断面自定义测点平面坐标计算：野外单个实测断面测点坐标近似为直线，针对实测点平面坐标进行线性拟合，得到拟合公式，结合第一步得到的两条边界横、纵坐标多项式组，计算拟合直线与两条拟合边界线的交点编号和坐标，设置断面自定义测点数量，以交点坐标为基础数据，计算断面上均分布的各自定义测点平面坐标；第三步，断面实测数据分段拟合及自定义测点地形生成：将第二步得到的交点坐标和水域水面高程添加至断面实测点数据，以各实测点距第一个实测点距离作为自变量，以断面上实测点对应高程作为因变量，设置分段拟合步长和多项式拟合指数，进行分段拟合得到多项式组，将各自定义测点距第一个自定义测点的长度作为横坐标，代入公式组识别计算自定义测点的高程值，组合第二步得到的自定义测点平面坐标与所述高程值，得到断面自定义测点地形数据；第四步，相邻实测断面插值网格节点坐标：沿边界线走向，设置插补断面间距，根据实测断面间岸线走向距离，取四舍五入后的插补断面数量的最大值，作为相邻实测断面间横向插补断面数量，结合第二步得到的拟合直线与两条拟合边界线的交点编号和坐标，计算横向插补断面两端点坐标；将第二步设置的断面上自定义测点数量作为纵向插补断面数量，进行等间距纵向断面插补，得到相邻实测断面间插值网格节点坐标；第五步，相邻实测断面插值网格节点高程及水下地形优化数据匹配：根据第四步确定的实测断面间横向插补断面数量，及第三步得到的相邻实测断面上自定义测点高程值，依次循环计算横向、纵向断面交叉点高程值，得到相邻实测断面插值网格节点高程；按先纵向后横向的顺序，依次匹配网格节点坐标与高程，形成相邻实测断面水下地形插值数据，依此类推，计算其他相邻断面，得到整个研究区域水下地形插值优化计算数据。2.如权利要求1所述的一种水下地形数据插值优化计算方法，其特征在于：所述的第一步包括以下步骤：步骤1.1，水域边界矢量化：利用地图管理或编辑软件，沿实测断面近似垂直方向，即横向，矢量化两条水域岸线边界线，边界线长度均须涵盖所有实测断面，两条边界线可形成闭环或非闭环；步骤1.2，坐标转换：将生成的两条边界线进行光滑处理，并检查以确保贴合水域岸线后，将边界线文件导入BIGEMAP或ArcGIS，利用坐标转换功能，将边界线文件从地理坐标转换成平面投影坐标，生成平面投影坐标线文件；步骤1.3，构造边界点及编号：针对步骤1.2生成的两个平面投影坐标线文件，利用ArcGIS构造点文件功能，进行等间距取点，间距为D，并添加点文件坐标属性，形成两组边界点，分别导出至文本文件，并按相同顺序为两组边界点编号；步骤1.4，边界点拟合：以边界点编号作为自变量，分别以两条边界点横坐标和纵坐标作为因变量，利用分段拟合的方式，根据设置的步长和多项式拟合指数，拟合得到两条边界
横、纵坐标多项式组，将得到的两条拟合边界线记为边界Ⅰ、边界Ⅱ，拟合边界Ⅰ横、纵坐标多项式组如公式
①
、
②
所示，边界Ⅱ公式组形式同边界Ⅰ：拟合边界Ⅰ拟合边界Ⅰ其中，X
i
(d)为第i组因变量横坐标；Y
i
(d)为第i组因变量纵坐标；d为自变量编号；a
ij
为第i段横坐标方程系数；b
ij
为第i段纵坐标方程系数；j
…
1为指数。3.如权利要求2所述的一种水下地形数据插值优化计算方法，其特征在于：所述的第二步包括以下步骤：步骤2.1，实测断面测点线性拟合：进行野外断面地形数据测量时，仪器近似沿直线测量，测点平面坐标近似为直线，针对单个断面测点平面实测坐标进行线性拟合，得到线性拟合公式：Y＝a
×
X+b
③
其中，Y为直线纵坐标；X为直线横坐标；a、b均直线方程系数；步骤2.2，拟合直线与两条拟合边界线交点：通过实测断面两端测点与边界点的最近距离，确定拟合多项式组中与拟合直线最优相交的多项式，组合步骤2.1实测断面测点拟合的直线公式与确定的多项式，计算拟合直线与两条拟合边界线的交点坐标(X，Y)及编号d，该编号d为整型或浮点型数据；步骤2.3，确定自定义测点数量：自定义测点数量决定了垂直水域边界线方向，即纵向，插补...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵科锋，曹慧群，林莉，罗平安，唐见，李晓萌，曹小欢，李欢，
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：