摘要：本文探讨了利用GIS的优势来改善冲淤计算中数据前处理和计算结果的表达的问题，提出了在GIS支持下进行冲淤定量计算的方法和步骤和在单机环境下开发专门的基于GIS的冲淤定量计算软件的设想，并设计了该软件的详细功能。

关键词：GIS 冲淤计算 水下地形模拟

前　言

GIS是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。GIS作为处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策工具，以其出色的数据集成和空间数据处理及可视化表现能力，为我们管理和分析各种资料提供了一种有效的手段。

以往的冲淤定量计算往往采用物理模型和数学模型的方法。物理模型的直观性强，对工程结构近区模拟的准确性高，但它受比尺的限制，在大型工程中投资较大。数学模型投资较小，但它的前处理需要花费很多时间和精力，其结果也仅仅是一大堆的数据，无法直观的显示结果。

笔者想利用GIS出色的数据输入能力和空间数据处理加快和改善冲淤计算中数据前处理的工作，利用GIS丰富的可视化表现能力是计算结果的表现跟直观，例如结果表现为一张冲刷和淤积的分层设色图。笔者试图找到GIS支持下的冲淤定量计算通用的方法并开发出单机环境下专门的软件。

1 研究现状

自上世纪90年代起，中国GIS技术步入实用化和产业化阶段，国内一些研究人员开始研究利用GIS技术研究海岸与河口的冲淤计算，岸滩演变情况。赵庚星、张万清等（1999）利用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及其空间动态^[1]。吴华林、沈焕庭等（2002）依据1842~1997年10幅不同年代的长江口海图资料，利用GIS和数字化仪进行处理，建立不同时期的长江口水下数字高程模型，以此作为基础资料，从横剖面、深泓线纵剖面、平面变化等不同角度对对长江口拦门沙地区滩槽演变、岸线侵蚀、沙岛形成与变迁等进行研究。通过计算河槽容积，实现对不同时段泥沙冲淤量的计算^[2]。巩彩兰、恽才兴（2002）利用地理信息系统软件强大的数据输入和空间数据分析功能，将长江口南港1988年至2000年的海图数字化，通过最小距离内插得到栅格水深图，并且通过相邻两年海图对应位置水深值相减，得到河床冲淤变化图，在此基础上定量分析成形沙体的特征，河道容积变化、河道淤积部位和底沙输移路线、预测下一年河道淤积部位、输沙率等^[3]。通过他们的实践研究表明GIS技术是定量研究泥沙冲淤的一种有效手段。

2 研究方法和步骤初定

（1）通过美国ESRI公司的地理信息系统软件“ARCINFO”的数据输入功能，将研究区域的多年海图数字化，获取带有每个点的水深值和线段属性信息的矢量数据；

（2）在ARCINFO中将比例尺统一和并将水深统一订正至理论深度基面；

（3）利用ARCVIEW中扩展的3D Analyst模块和Spatial Analyst模块，通过对原始测点三角网插值，产生不规则三角网模型(TIN)，继而转化成栅格数据模型(GRID)，该GRID具有数字高程模型(DEM)的特性，建立了DEM；还可以在DEM的基础上，生成等深线，三维地形模型；

（4）在（3）得到的GRID的基础上，发挥MATLAB软件的矩阵运算功能将两年的水深图上相同位置的水深值相减，得到冲淤演变图，并以不同色标或不同的图案表示冲刷或淤积的范围和等级，还可以得到冲淤3D分布图；

　　（5）在（3）得到的三维地形模型上作横剖面，纵剖面，得到横断面和纵剖面的水深形态图，分别得到不同方向的冲淤变化。

（6）冲淤体积计算。在MATLAB中先求出单元大小，和高程矩阵中所有的高程值作乘法运算，即为计算体积。两个不同年代的体积的差即得出冲淤的体积变化。

（7）为了图件编辑和打印方便，将水深图和冲淤图转到ARCINFO的图象编辑、显示软件“ArcView”进行整饰处理。

（8）在MATLAB中将得到的水下地形图捕捉成帧，生成冲淤动画。

该研究方法中，（1）~（3）步为数据前处理过程，（4）~（6）步为冲淤计算过程，（7）和（8）步为计算结果的呈现过程。 通过这种研究方法得到的冲淤计算结果的呈现比较直观。由于缺乏水深图资料，还不能充分对实践该研究方法的遇到的细节性问题做出探讨，但是总体上来讲这种研究方法是可行的。

但是这种研究方法，得利用到ARCINFO、ARCVIEW、MATLAB三种软件，因为ARCINFO和ARCVIEW都是ESRI公司的产品，数据和模型的导入导出比较方便，但要将地形数据的方便导入到MATLAB中还要近一步研究，另外还要解决在MATLAB中三维地形的影象图贴图的问题。

因此，笔者想在单机环境下开发一个专门针对海岸和河口冲淤计算的软件，目标主要是能实现上述的（3）~（8）这个过程。

3 系统的开发设想

3.1 系统详细功能

系统按初步设想的菜单编排的详细功能描述如下：

1、 系统

　　系统菜单提供对应用程序进行介绍和常用管理的一些功能，包括系统简介、打印、输出图像、重新启动系统、退出等。

系统简介以文字的形式叙述系统的开发背景、整体概况、数据信息、功能、软硬件平台等内容，使用户对系统有总体的了解。打印可以让用户把当前地图窗口的内容在打印机上输出。输出图像可以把地图窗口中的所有内容复制成图像并保存。当系统打开窗口过多而致使界面凌乱时，可以点击重新启动系统菜单，应用程序将重新初始化。退出菜单可以关闭系统。

2、 操作

　　该菜单实现系统操作的绝大部分功能，工具条上的地图操作按钮和属性操作按钮都要能在该菜单中找到。主要包括鹰眼、选择、放大、缩小、移动、全图、返回、标注、定位等。鹰眼、选择、放大、缩小、移动、全图、返回这七个菜单的功能与一般的地理信息系统平台的类似。标注可以将地图窗口中任意对象的属性临时显示出来，也可以通过取消标注菜单清除所有的标注。定位可以将地图窗口中心位置定位到用户指定的坐标点。

3、 研究区域概况

　　考虑影响河口的主要因素，如来水来沙、海岸动力包括波浪、潮流、余流等，可将这些信息加入该系统，利用该菜单项来管理这些数据，以便为用户冲淤结果分析提供资料。

4、 水下地形模拟

　　该菜单是实现对水下地形的模拟，包括生成不规则三角网(TIN)，转化成栅格数据模型(GRID)，生成等深线，生成三维地形模型。这些功能的实现都要开发人员通过一定的算法实现。

5、 冲淤计算

　　该菜单功能包括生成冲淤2D演变图、生成冲淤3D分布图、生成横断面水深形态图、生成纵剖面水深形态图、冲淤体积计算、水下地形演变动画。这些功能的实现也要通过一定的算法实现。

6、 窗口

　　该菜单为标准的Windows菜单，提供在打开多个子窗体时对窗体进行排列的功能，包括水平排列、层叠排列，与ArcView中窗口排列的功能类似。同时提供当前打开的所有窗体的列表。

7、 帮助

　　　　　帮助功能块提供了系统所有操作过程的详细说明，可方便地实现在线帮助。

3.2 系统开发的软件平台

笔者根据自己熟悉的软件及其功能，初步拟定为：

操作系统：Microsoft Windows2000

开发工具：Microsoft Visual Basic 6.0

利用组件：ESRI MapObjects2.1

数据库 ：Microsoft Access 2000

3.3 补充

　　　系统的设计与开发要遵循系统工程的原理，以免耗费过多的精力。笔者打算把系统开发的主要精力放在水下地形模拟和冲淤计算的算法上，经过初步的尝试，在VB环境下，已实现了通过测点生成delaunay三角网和通过规则GRID生成三维地形图。所以说开发这个系统是完全可行的。

4 结语

　　文章提出的冲淤定量计算方法可适用于海岸、河口、内河、航道的泥沙计算，这样做可以避免考虑数学模型方法中要考虑的一些产生冲淤的因素，内河与河口冲淤的不同成因可以不考虑。本文对GIS支持下的泥沙冲淤定量计算进行了探讨，试图找到一个通用的方法并开发出单机环境下专门的软件的。要实现本文提出的设想还需进一步的摸索实践，并在实践中不断提高和更新一些方法。

参考文献：

[1] 赵庚星，张万清，李玉环，等．GIS支持下的黄河口近期淤、蚀动态研究［Ｊ］．地理科学，1999，5：442~445．

[2] 吴华林，沈焕庭，胡辉，等．GIS支持下的长江口拦门沙泥沙冲淤定量计算．海洋学报，2002，3：84~93.

[3] 巩彩兰，恽才兴．应用地理信息系统研究长江口南港底沙运动规律．水利学报，2002，4：18~22．