滩涂匡围海堤选线对邻近涵闸排水的影响分析_以条子泥西侧岸滩仓东片匡围为例

滩涂匡围海堤选线对邻近涵闸排水的影响_以条子泥西侧岸滩仓东片匡围为例 第 1 期 ,总第 59 期No . 1 ,2004 国土资源遥感 2004 年 3 月 15 日 Mar . ,2004 R EM O T E S ENS I N G FO R L A N D & R ES O U R C ES 滩涂数字地形模型的建模与应用 1 1 2 2张行南, 郭亨波, 倪 斐, 徐双全 () 1 . 河海大学水资源环境学院 ,南京 210098 ; 2 . 上海市滩涂管理处 ,上海 200122 摘要 : 采用数字高程模型描述上海市滩涂地形 ,研究和了数字高程模型的数据结构 ,较好地解决了海量数据的 存储 、查询和检索问题 ,由此建立了多年的滩涂数字地形模型 。在此基础上研究了滩涂地形分析方法 ,并在地理信 息系统平台上开发了滩涂地形分析系统 。试用结果表明 ,该系统数据结构合理 、功能齐全 、运行快速稳定 ,较好地 满足了滩涂海塘管理工作的需要 。 关键词 : 滩涂 ; 数字高程模型 ; 数据结构 () 文章编号 : 1001 - 070 X200401 - 0073 - 05 中图分类号 : P 736 . 15 : TP 311 . 12 文献标识码 : A 规律 。例如崇明东滩常年淤积 ,而奉贤 、金山处滩涂 地形呈深槽状 。图 1 为上海市滩涂分布示意图 。0 引言 信息化是当今时代发展的潮流 。滩涂地形研究 是滩涂管理工作中非常重要的组成部分 ,其演变过 程的研究在许多领域具有广泛的应用价值 ,如水利 建设 、海塘管理 、滩涂围垦 、防洪抢险等 。利用 数字化技术研究地形演变规律已经有数年的历史 。 () 任建武等 1996根据海区 3 a 的测量数据 ,通过分形 内插 ,生成连续多时空水深数据序列 ,再经过可视化 处理 ,建立了反映海底地形变化的可视模型 。赵庚 () 新 1999以遥感和地理信息系统技术研究了黄河口 1986 年 5 月至 1996 年 10 月淤积与 侵 蚀 面 积 的 变 化 。这些工作为利用 GIS 和 D EM 技术研究滩涂地 形作了初步的探索 ,积累了宝贵的经验 ,也获得了丰 1 硕的成果。与这些成果相比 ,本文在建立滩涂地 形数字模型的基础之上 ,合理组织了数据结构 ,并与 图 1 上海市滩涂分布示意图 滩涂管理工作的业务要求紧密结合 ,研究了滩涂地 分析滩 涂 地 形 需 要 使 用 每 年 水 下 地 形 勘 测 资 料 ,主要包括每年测量的水下等深线和测深点 。本 形分析的各种方法 ,研制了地形演变分析系统 ,满足 系统包含了上海市 1982,2002 年水下地形勘测图 , 了滩涂管理工作的需要 。 2000,2002 年为 CAD 电子地图 ,比例尺为 1?1 万 。1 上海市滩涂地形 2 数字高程模型及数据结构 上海市临江 、临海的区县都有大面积的滩涂 ,主 ( ) 要包括崇明 、宝山 宝山大陆 、长兴 、横沙、浦东 、南 ( )Digital Elevatio n Mo del , D EM 数字高程模型 2 汇 、奉贤和金山 ,总面积约为 873 km。由于各地受 是描述和分析地形的有效工具 。它利用一个任意坐 水流的影响不同 , 因此滩涂地形变化体现出不同的 MO 和 ArcView 平台即为此方式 ;本文选用的 标场中大量选择的已知 X 、Y 坐标点对连续地面高 种是将属性数据另外存放在商业数据库软件中程作出一个简单的统计表示 。通常 ,D EM 分为等高 ( ) ( ) 线模型 、不规则三角网 T IN模型 、规则格网模型以 数据库管理系统 DBM S统一 管 理 , 如 Oracel 、 2 及层次模型等。其中 ,规则格网模型的高程矩阵 Server 、DB2 、Access 等 。在采用这种方式时 ,必 可以很容易地抽象成数学模型并被计算机处理 , 因 立矢量图层中的空间对象与数据库中属性 3 此得到了广泛应用 ,如流域排水网的推求、流域水 引关系 。 3 数据存 储 量 和 查 询 优 化 直 接 关 系 到 系 统 文模拟。图 2 为格网 D EM 图示 。 劣 。以 ArcView 的 dbf 文件和 Access 数据库为 91 78 63 50 53 进行了详细比较分析 。首先是数据量 , 在相同 94 81 64 51 57 结构下 ,用 Access 存放比用 dbf 文件存放的数 99 84 66 55 64 要小 。通常 ,用 Access 存储相同的数据量 ,所占 98 84 66 56 72 磁盘空间大约是 ArcView 的 dbf 文件的 20 % ; 96 82 66 63 80 ( ) 是查询优化选定一组空间对象 网格后 ,查询 对应的高程属性是许多滩涂地形分析计算最基 图 2 格网 D EM 由水下地形图及生成规则格网 D EM 来描述上 操作 。查询速度的快慢 ,直接关系到系统的运 海市滩涂地形 ,进而用于对滩涂地形的查询检索和 度 。仅从数据库性能的角度来讲 , Access 数 据 演变分析 。滩涂管理要求对滩涂描述达到一定的精 查询速度快于 dbf 文件 ,但是 ,采用数据库管理 度 。实际 工 作 表 明 , 有 必 要 建 成 20 m ×20 m 的 来存储高程数据 ,系统必须在访问数据库之前 (D EM 采用 1?1 万原始滩涂地形图 ,其实际地物分辨 4 获取索引 ,从而降低了速度 ,因此 ,查询速度偏慢 率可达到 1 m 左右,可满足生成 20 m 数字高程模 鉴于上述分析 ,采用了 GIS 软件自带的属 ) 型的精 度 要 求。生 成 的 D EM 约 有 4 500 万 个 网 来存放高程数据 。格 ,针对如此大量的数据 ,所遇到的问题是数据所占 存储空间大 ,数据存取运行速度慢 。大量的数据使 2 . 2 数据分层组织方式 管理系统的研制由量变发展到了质变 。为此 , 作者 将求得的 D EM 分层存放 ,一个时像一个图 对 D EM 数据结构进行了研究 ,主要包括 3 个方面 : 当需要进行时间序列分析时 ,则需打开所有图层 高程值作为属性数据的存储方式 、数据分层的组织 索出研究区域各网格历年的高程属性值 。 方式和图幅的分割方式 。 5 D EM 是栅格数据 ,可采用 3 种组织方式 2 . 1 高程属性数据存储方式( ) 图 3 所示 ,方式 1以像元为记录的序列 ,不同 上海市滩涂地形图一年一个时像 , 每一时像生 同一像元位置的各属性值表示为一个列数组 ; 成的 D EM 为一个图层 ,生成的每个网格在图层中为 () 2以层为基础 ,每一层又以像元为序记录它的 一个对象 ,其对应的高程为属性 。 ( ) 和属性值 ; 方式 3以层为基础 ,但每一层内则属性数据的存放方式有两种 , 一种是目前常用 边形为序记录多边形的属性值和充满多边形各 的 GIS 工具软件 ,这种软件都有自带的属性数据库 , 的坐标 。 ( 将上述 3 种方式进行比较 ,其结果是方式 2 图 3 数据组织结构 第 1 期张行南 ,等 : 滩涂数字地形模型的建模与应用 〃75 〃 构最简单 ,也是最容易想到的方式 ,但所占存储空间D EM 已建成为 GIS 平台上的图层 ,每个网格生成的 () 最大 ; 方式 3节省了许多用于存储属性的空间 ,是 为一个空间对象 ,其高程为属性数据 。因此 ,许多常 用的检索和分析工作可利用 GIS 软件本身的功能 。一种多像元对应于一种属性的多对一的关系 ,使用 地图分析和制图处理较为方便 ,但总体上来说结构 当通用的 GIS 软件功能无法满足某些特殊分析功能 ( ) 复杂 ,不 利 于 应 用 ; 方 式 1 是 存 储 空 间 最 小 的 方 要求时 ,将研究区域的网格及其对应的高程属性查 式 ,结构也相对简单 。这是一种以网格为对象的面 询出来 ,并输出生成如表 1 所示的临时表 ,然后对其 向对象的设计思想 。 进行分析计算 。表 1 中 G 表示网格高程 , n 表示时 相数 , m 表示该研究区域的网格数 。分析计算结果 本文对滩涂地形查询检索和演变分析 , 主要是 对研究区域各网格高程属性的提取 。相对来说 , 方 也可采用两种方式表示 。与各网格具有一一对应关 () 式 3不合适 ,因为当需提取某一区域多年高程属性 系的分析结果 ,如各网格的多年高程平均值等 ,可作 时 ,不仅要逐层查询 ,还要在每层中进行多边形交的 为属性数据输入到图层中 ,由 GIS 软件实现结果的 () 运算 。方式 2的查询亦需逐层进行 ,查询相同区域 可视化输出 。对其余的分析结果 ,如剖面形状 ,可在 两个时像的各网格高程属性所需要时间是一个时像 空间图层范畴外由图表输出 。 () 的两倍 。相对来说 ,方式 1是一种查询速度最快的 表 1 网格高程的 ASC ?文件示意图 ( ) 方式 ,查询一个时像的时间与方式 2相同 ,但查询 横坐标 纵坐标 时相 1 时相 2 时相 n 多时像的数据集合与一个时像所需的时间相同 。对 X Y GGG 1111 12 1 n ( ) 于本文来说 ,方式 1是一种既节省空间 、查询速度 X Y GGG 又快的组织方式 ,故为本文所采用 。 2221 22 2 n 2 . 3 图幅的分割方式X Y GGG 3331 32 3 n 由于采用了上述数据组织方式 ,上海市 20 多年 的滩涂地形的 D EM 只需一个图层 ,历年的网格高程 X Y GGG mmm1 m2 m n 均以属性的方式存储于 GIS 软件内部的属性库中 。 对图形的任何检索和分析工作 ,都打开该图层 。本 文采用 20 m ×20 m 的网格 ,图层数据量非常大 ,使 根据多年滩涂地形分布图 , 可对其进行时空分 系统运行速度慢 、操作效率较低 。 析 ,本系统分单年分析和多年间分析 。 单年分析是 通常情况下 ,对滩涂地形的分析只是某一局部 指对某一时相的滩涂地形进行空间 区域 ,所包括的范围不大 ,因而并不需要将整个上海 上的分析 。单年空间分析主要负责计算和分析指定 市的滩涂数据都调入计算机内存 ,这对提高系统的 区域在某时刻的一些地形参数 ,如指定水下区域的 运行速度有很大帮助 。采用图幅分割方法 , 即将整 最高高程 、平均高程 、粗糙度 、高程变异等 。这种分 幅图层在空间上分成若干个子图层 。 析的情形一般比较简单 ,可以总结为以下 3 个步骤 : () 利用网格对上海滩涂研究范围进行分割 1, 在吴 用户以手绘或输入坐标的方式指定分析区 ( ) ( 淞口附近以一点 21 358 000 . 00 ,3 475 000 . 0054 域 ,同时给出需要分析的年份 ; ) () 坐标为坐标原点 ,该点约在研究区中央 。然后按纵 2根据给定区域和年份从数据库中取出相应 的高程值 ; 横方向将上海市区划分成 744 个区域 , 每个区域为 () 5 km ×5 km 的大网格 ,每个大网格中按 20 m ×20 m 3计算并输出结果 。 多年分析是对若干时相划分小网格 。每个大网格作为一个子图层 , 也就是 的滩涂地形进行时空耦 说 ,一个子图层中含有 250 ×250 个小网格 。对于子 合分析 ,计算和分析指定区域 、剖面或点的高程随时 图层来说 ,数据量要小得多 。当研究范围局限在某 间变化的规律 ,主要分析内容包括区域平均高程变 些子图层中时 ,只需打开相应子图层便可 。那么分 化分析 、平均冲淤量分析 、剖面形状分析等 , 其步骤 析时的跨图层操作问题可以通过编程解决 。 与单年分析类似 ,只是在处理记录集时必须考虑多 时相数据的耦合 ,以达到分析其变化过程的目的 。 以滩涂地形剖面形状分析为例 ,首先 ,用户通过3 滩涂地形演变分析 按照顺序再从子图层中提取高程数据 ,绘制出断面 形状 。图 4 为上海市奉贤区滩涂某剖面形状变化分4 滩涂演变分析系统与集成 为满足日常滩涂管理需要 , 本文开发了多 涂地形分析的功能 , 并在 VB + MO 平台上 , 建 滩涂地形分析系统 。在系统的开发过程中 , 综 用了 MO 的各项功能 ,实现了滩涂地形的分析 以及可视化操作 ,主要功能包括 : 极值高程计算 均高程计算 、剖面形状绘制 、冲淤量计算 、平均 变化分析等 。 () 图 5 a为系统的主界面 。用户可以选择加 ( ) 析的区域 。图 5 b为多年分析对话框 ,用户可 入具体分析范围 、分析类型等信息 。 图 4 剖面形状分析 上海市海塘滩涂管理信息系统是基于地理 析 ,图中曲线 1 、曲线 2 、曲线 3 分别为 1982 、1991 和 系统平台开发的 ,该系统很好地实现了海塘 、滩 2002 年曲线分布情况 。可以看出 , 在近 20 a 中 , 奉 信息化管理 。本文研制的分析系统已集成到该 贤滩涂不断受到冲刷 ,等深线位置不断内移 。 ( 中 ,可以实现各种信息 包括陆域信息与水下信 的耦合查询 ,在实用中发挥了很大的效益 。 图 5 系统功能 左图 :系统主界面 ; 右图 :多年分析对话框 研究和深入 。下一步工作就是在此基础上实现 存储和查询的优化 ,提高系统的效率 ,并拓展该 5 结语 在相关领域的应用深度和广度 。 借助 D EM 实现了滩涂地形建模 。在充分考虑 参考文献存储优化和查询优化两大瓶颈问题的基础上 ,该模 1 沈焕庭 ,等. 长江口物质通量M . 北京 :海洋出版社 ,2001 型解决 了 大 范 围 区 域 内 多 时 相 地 形 数 据 的 组 织 问 2 邬 伦 ,刘 瑜 ,等. 地理信息系统 ??原理 、方法和应用 M . 题 。以此模型为依托 ,在地理信息系统平台上开发京 :科学出版社 ,2001 . 了地形分析系统 ,既可以提取地形的特征参数 ,如平 张行南 ,齐 晶 ,张 丽. 流域流水网推导方法 J . 河海大学3 均高程 、极值高程等 ,也可以计算多时像地形的历史 ( ) 2000 ,28 1:26 - 31 . 演变规律 ,从而推算发展趋势 ,为管理工作提供决策 4 罗宾逊 A H ,等. 地图学原理 M . 李道义 ,等 ,译. 北京 : 测 版社 ,1989 . 依据 。从系统运行情况来看 ,这种方法是可行的 ,对 5 吴信才 ,等. 地理信息系统原理与方法 M . 北京 : 电子工 于类似的地形分析系统 ,可以在此方法上作进一步 版社 ,2002 . 第 1 期张行南 ,等 : 滩涂数字地形模型的建模与应用 〃77 〃 THE D EVELOPM ENT A ND APPL ICATIO N OF THE FO RES HO RE D I GITAL TERRAI N MOD EL 1 1 2 2ZHAN G Xing - nan, GU O Heng - bo, N I Fei, XU Shuang - quan ( 1 . Col lege of W ater Resou rces an d En v i ron ment , Hohai U ni versi ty , N anji ng 210098 , Chi n a ; 2 . B u reau of Fores hore )M an agement of S hanghai , S han ghai 200122 , Chi n a ( ) Abstract?In t his paper , t he Digital Elevatio n Mo del D EMwas adop ted fo r describing t he landfo r ms of t he Shanghai fo resho re , t he data st ruct ure of D EM was st udied and designed , and t he p ro blems arising fo r m t he sto ring , querying and indexing of t he clo ud data were solved efficiently. On such a basis , t he multi - year fo re2 sho re digital terrain mo dels were built . The met ho ds fo r fo resho re landfo r m analysis were p ut fo rward by use of t he mo dels. The analytical system of fo resho re landfo r ms has been established by integrating t hese mo dels and met ho ds wit h Geograp hic Info r matio n System. It is show n f ro m t he applicatio n of t he analytical system t hat it s data st ruct ure is reaso nable , it s f unctio n is co nsummate , and it s operatio n is rapid and stable . The system can meet t he needs of fo resho re management . Key words?Fo resho re ; Digital terrain mo del ; Data st ruct ure () 第一作者简介 : 张行南 1960 - ,男 ,教授 ,博士生导师 ,目前在河海大学水资源环境学院工作 ,主要从事遥感 、GIS 等方面的 研究工作 。 ( ) 责任编辑 : 周树英()上接第 67 页 ( ) 参考文献3 本 文 所 采 用 的 卫 星 资 料 订 正 方 法 比 较 简 1 ( ) 董超华 ,张文建. 气象卫星遥感反演和应用论文集 M . 单 ,考虑的因素较少 ,不很精确 ,有待于进一步的研 北京 :海洋出版社. 2001 .究 、改进 。 MO NITO RI NG A ND A NALYSIS OF A UTUM N D RO UGHT I N S HA NDO NG P RO VI NCE I N 2002 O N THE BASIS OF SATELL ITE REMOTE SENSI NG D ATA ZHAO Yu - J in , ZHAO Ho ng , L IU Wen , L IU Xin , ZHAN G Xuan , XU E Xiao - Ping ( )S han dong M eteorological Center , J i n an 250031 , Chi n a Abstract?Acco rding to t her mal inertia , t he aut umn dro ught in Shando ng Province in 2002 was mo nito red by u2 tilizing satellite remote sensing data . The w hole Shando ng Province was divided into fo ur ecotypes to raise t he calculatio n p recisio n of t he soil moist ure mo del . On such a basis , t he diur nal range of gro und - surf ace tempera2 t ure ret rieved by satellite remote sensing data was co rrected fo r vegetatio n index and ot her enviro nmental f ac2 to rs. The area of dro ught - st ricken f ar mland was calculated by means of GIS , wit h excellent result o btained. Key words?Dro ught ; Satellite remote sensing ; Data p rocessing () 第一作者简介 : 赵玉金 1956 - , 男 ,高级工程师 ,主要从事生态环境遥感监测研究工作 。 ( ) 责任编辑 : 周树英