阅读说明：本技术 一种河道断面地形重构方法 (River channel section terrain reconstruction method ) 是由 周建银 王敏 赵瑾琼 宫平 毛冰 龙瑞 邓春艳 元媛 葛华 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种河道断面地形的重构方法,包括以下具体步骤：获取初始河道断面地形,辨识水上和水下地形的分界位置；对水上地形进行平滑；对水下地形进行重构,方法是多点外推、距离加权；二者合并,获得完整的重构后的断面地形。本发明可以弥补基于DEM数据插值得到的河道断面地形的不足,提高河道地形的质量。(The invention provides a reconstruction method of river channel section terrain, which comprises the following specific steps: acquiring an initial river channel section terrain, and identifying the boundary position of an overwater terrain and an underwater terrain; smoothing the water terrain; reconstructing underwater terrain by multipoint extrapolation and distance weighting; and combining the two to obtain a complete reconstructed section terrain. The method can make up the defect of the river channel section terrain obtained based on DEM data interpolation, and improve the quality of the river channel terrain.)

一种河道断面地形重构方法

技术领域

本发明涉及河流数值模拟领域，具体的说是一种河道断面地形的重构方法。

背景技术

河道地形数据，是进行河流数值模拟的基础。地形数据的质量，直接影响河流数值模拟结果的质量。在进行山区河流数值模拟时，常常缺少实测河道地形，因而需要通过从基于卫星数据的DEM(数字高程模型)提取所需要的河道地形。然而，DEM地形存在两个问题：一是由于精度不高，而导致提取的河道地形呈阶梯状；二是缺少水下地形。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了提供一种河道断面地形的重构方法，可以提高断面地形的质量。

本发明的技术方案：一种河道断面地形的重构方法，包括以下具体步骤：

S1、获取初始河道断面地形；该地形一般是基于数字高程模型，通过沿河道断面进行插值计算所得到；

S2、辨识水上和水下地形的分界位置，即水边点；

S3、对水上地形进行平滑；

S4、对水下地形进行重构；

S5、将水上、水下地形合并，得到重构后的河道断面地形。

所述步骤S2的具体实施步骤为：

S21、找出断面最低点的位置；

S22、从最低点向左，逐个地将地形点与最低点进行比较，如果地形点高程与最低点高程之差超过事先给定的阈值，则将该地形点的右边相邻点(即前一个进行比较的地形点)定位为水上和水下地形的左分界点、即左水边点L0；

S23、同样的，从最低点向右，逐个地将地形点与最低点进行比较，如果地形点高程与最低点高程之差超过事先给定的阈值，则将该地形点的左边相邻点(即前一个进行比较的地形点)定位为水上和水下地形的右分界点、即右水边点R0。

所述步骤S3的具体实施步骤为：

S31、对于水上地形点i，以之为中心向左、右各取1个点，采用三点加权平均方法，进行平滑处理，其计算式为：

上式中，Z表示高程，下标i-1、i、i+1表示地形点的位置编号，上标0表示平滑前，上标1表示平滑后；

S32、如有必要，可多次重复S31的过程，使得平滑效果更充分，但过度的平滑，将降低地形的精度。

所述步骤S4的具体实施步骤为：

S41、任取位于L0和R0之间的水下地形点P，其与L0和R0的距离分别为DL、DR；

S42、分别以L0和R0为锚点对P点高程进行重构得到P点高程Z_PL、Z_PR，P点的重构后的高程为：

Z_P＝(W_L*Z_PL+W_R*Z_PR)/(W_L+W_R) (2)

上式中，W_L和W_R分别为高程Z_PL、Z_PR的考虑权重，其计算方法为：

上式中，x_P、x_L0、x_R0分别为P、L0、R0的起点距。

所述步骤S42中以L0为锚点对P点高程进行重构得到P点高程Z_PL的具体实施步骤如下：

1)、采用L0与其左侧点Li线性延拓得到的P点的高程Z_Li：

上式中，β为水下坡度调整系数，默认值为0.8，x_L0、Z_L0为L0点的起点距和高程，其它以此类推；

如果在从L0向左由近及远地寻找左侧点Li进行插值计算时，Li 与P的距离D_Li>D_max，则基于L0与Li的插值仍正常进行计算，但不再向外寻点计算，其中D_Li＝|x_P-x_Li|，D_max为最大考虑距离，其值为L0 与R0之间的距离(即水面宽)；

2)求解Z_Li对应的初始权重其计算式为

3)对权重进行规范化，以保证

w_Li的计算式为

4)通过加权计算，得到以L0为锚点对P点高程进行重构得到P 点高程Z_PL：

所述步骤S42中以R0为锚点对P点高程进行重构得到P点高程Z_PR的具体实施步骤如下：

1)、采用R0与其右侧点Ri线性延拓得到的P点的高程Z_Ri：

上式中，β为水下坡度调整系数，默认值为0.8，x_R0、Z_R0为R0 点的起点距和高程，以此类推；

如果在从R0向右由近及远地寻找右侧点Ri进行插值计算时，Ri 与P的距离D_Ri>D_max，则基于R0与Ri点的插值仍正常进行计算，但不再向外寻点计算，其中D_Ri＝|x_P-x_Ri|，D_max为最大考虑距离，其值为 L0与R0之间的距离(即水面宽)；

2)求解Z_Ri对应的初始权重其计算式为

3)对权重进行规范化，以保证

w_Ri的计算式为

4)通过加权计算，得到以R0为锚点对P点高程进行重构得到P 点高程Z_PR：

本发明的技术效果：通过对从DEM提取的河道断面地形数据进行重构，得到高质量的河道断面地形，提高河道断面地形数据的质量。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明实施案例的初始河道断面地形图。

图3为本发明实施案例各特征点位置示意图。

图4为本发明实施案例的重构后的河道断面地形图。

图5为本发明实施案例的初始与重构后的河道断面地形对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1，一种河道断面地形的重构方法，包括以下具体步骤：

S1、获取初始河道断面地形；该地形一般是基于DEM(数字高程模型)，通过沿河道断面进行插值计算所得到；

S2、辨识水上和水下地形的分界位置，即水边点；

S3、对水上地形进行平滑；

S4、对水下地形进行重构；

S5、将水上、水下地形合并，得到重构后的河道断面地形。

所述步骤S2的具体实施步骤为：

S21、找出断面最低点的位置；

S22、从最低点向左，逐个地将地形点与最低点进行比较，如果地形点高程与最低点高程之差超过阈值(事先给定)，则将该地形点的右边相邻点(即前一个进行比较的地形点)定位为水上和水下地形的左分界点、即左水边点L0；

S23、同样的，从最低点向右，逐个地将地形点与最低点进行比较，如果地形点高程与最低点高程之差超过阈值(事先给定)，则将该地形点的左边相邻点(即前一个进行比较的地形点)定位为水上和水下地形的右分界点、即右水边点R0。

所述步骤S3的具体实施步骤为：

S31、对于水上地形点i，以之为中心向左、右各取1个点，采用三点加权平均方法，进行平滑处理，其计算式为：

上式中，Z表示高程，下标i-1、i、i+1表示地形点的位置编号，上标0表示平滑前，上标1表示平滑后；

S32、如有必要，可多次重复S31的过程，使得平滑效果更充分，但过度的平滑，将降低地形的精度。

所述步骤S4的具体实施步骤为：

S41、任取位于L0和R0之间的水下地形点P，其与L0和R0的距离分别为DL、DR；

S42、分别以L0和R0为锚点对P点高程进行重构得到P点高程Z_PL、 Z_PR，P点的重构后的高程为：

Z_P＝(W_L*Z_PL+W_R*Z_PR)/(W_L+W_R) (2)

上式中，W_L和W_R分别为高程Z_PL、Z_PR的考虑权重，其计算方法为：

上式中，x_P、x_L0、x_R0分别为P、L0、R0的起点距。

所述步骤S42中以L0为锚点对P点高程进行重构得到P点高程Z_PL的具体实施步骤如下：

1)、采用L0与其左侧点Li线性延拓得到的P点的高程Z_Li：

上式中，β为水下坡度调整系数，默认值为0.8，x_L0、Z_L0为L0点的起点距和高程，其它以此类推；

如果在从L0向左由近及远地寻找左侧点Li进行插值计算时，Li 与P的距离D_Li>D_max，则基于L0与Li的插值仍正常进行计算，但不再向外寻点计算，其中，D_Li＝|x_P-x_Li|，D_max为最大考虑距离，其值为 L0与R0之间的距离(即水面宽)；

2)求解Z_Li对应的初始权重

其计算式为

3)对权重进行规范化，以保证

w_Li的计算式为

4)通过加权计算，得到以L0为锚点对P点高程进行重构得到P 点高程Z_PL：

所述步骤S42中以R0为锚点对P点高程进行重构得到P点高程Z_PR的具体实施步骤如下：

1)、采用R0与其右侧点Ri线性延拓得到的P点的高程Z_Ri：

上式中，β为水下坡度调整系数，默认值为0.8，x_R0、Z_R0为R0 点的起点距和高程，以此类推；

如果在从R0向右由近及远地寻找右侧点Ri进行插值计算时，Ri 与P的距离D_Ri>D_max，则基于R0与Ri点的插值仍正常进行计算，但不再向外寻点计算，其中D_Ri＝|x_P-x_Ri|，D_max为最大考虑距离，其值为 L0与R0之间的距离(即水面宽)；

2)求解Z_Ri对应的初始权重其计算式为

3)对权重进行规范化，以保证

w_Ri的计算式为

4)通过加权计算，得到以R0为锚点对P点高程进行重构得到P 点高程Z_PR：

下面通过一个案例，并结合附图，对本发明的具体实施方式，做具体说明。

案例：河道断面地形的重构

案例简介：初河道道断面地形数据是由DEM沿河道断面插值计算所得，如图2。

利用本发明提出的河道断面地形重构方法进行断面重构的步骤为：

1)辨识水上和水下地形的分界位置，即水边点L0和R0，如图3；

2)对位于L0左侧及R0右侧的水上地形进行平滑，平滑方法为三点加权平均方法，其计算式为其中下标i-1、i、 i+1表示地形点的位置编号，上标0表示平滑前，上标1表示平滑后；

3)任取位于L0和R0之间的水下地形点P，其与L0的距离分别为DL，以L0为锚点对P点高程进行重构得到P点高程Z_PL；

4)所取的水下地形点P，其与R0的距离分别为DR，以R0为锚点对P点高程进行重构得到P点高程Z_PR；

5)通过左右加权计算得到P点的重构后的高程为Z_P＝(W_L*Z_PL+W_R*Z_PR)/(W_L+W_R)；

6)将水上、水下地形合并，得到重构后的河道断面地形，如图4。

为便于直观对比，将初始断面与重构后的断面进行了对比，如图5。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。