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前言

GIS是計算機科學、地理學、測量學、地圖學等多門學科綜合的技術(shù)。GIS作為處理地理數(shù)據(jù)的輸入、輸出、管理、查詢、分析和輔助決策工具，以其出色的數(shù)據(jù)集成和空間數(shù)據(jù)處理及可視化表現(xiàn)能力，為我們管理和分析各種資料提供了一種有效的手段。

以往的沖淤定量計算往往采用物理模型和數(shù)學模型的方法。物理模型的直觀性強，對工程結(jié)構(gòu)近區(qū)模擬的準確性高，但它受比尺的限制，在大型工程中投資較大。數(shù)學模型投資較小，但它的前處理需要花費很多時間和精力，其結(jié)果也僅僅是一大堆的數(shù)據(jù)，無法直觀的顯示結(jié)果。

筆者想利用GIS出色的數(shù)據(jù)輸入能力和空間數(shù)據(jù)處理加快和改善沖淤計算中數(shù)據(jù)前處理的工作，利用GIS豐富的可視化表現(xiàn)能力是計算結(jié)果的表現(xiàn)跟直觀，例如結(jié)果表現(xiàn)為一張沖刷和淤積的分層設(shè)色圖。筆者試圖找到GIS支持下的沖淤定量計算通用的方法并開發(fā)出單機環(huán)境下專門的軟件。

1研究現(xiàn)狀

自上世紀90年代起，中國GIS技術(shù)步入實用化和產(chǎn)業(yè)化階段，國內(nèi)一些研究人員開始研究利用GIS技術(shù)研究海岸與河口的沖淤計算，岸灘演變情況。趙庚星、張萬清等（1999）利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)研究了黃河口1986年5月至1996年10月淤積與侵蝕面積的變化及其空間動態(tài)[1]。吳華林、沈煥庭等（2002）依據(jù)1842~1997年10幅不同年代的長江口海圖資料，利用GIS和數(shù)字化儀進行處理，建立不同時期的長江口水下數(shù)字高程模型，以此作為基礎(chǔ)資料，從橫剖面、深泓線縱剖面、平面變化等不同角度對對長江口攔門沙地區(qū)灘槽演變、岸線侵蝕、沙島形成與變遷等進行研究。通過計算河槽容積，實現(xiàn)對不同時段泥沙沖淤量的計算[2]。鞏彩蘭、惲才興（2002）利用地理信息系統(tǒng)軟件強大的數(shù)據(jù)輸入和空間數(shù)據(jù)分析功能，將長江口南港1988年至2000年的海圖數(shù)字化，通過最小距離內(nèi)插得到柵格水深圖，并且通過相鄰兩年海圖對應位置水深值相減，得到河床沖淤變化圖，在此基礎(chǔ)上定量分析成形沙體的特征，河道容積變化、河道淤積部位和底沙輸移路線、預測下一年河道淤積部位、輸沙率等[3]。通過他們的實踐研究表明GIS技術(shù)是定量研究泥沙沖淤的一種有效手段。

2研究方法和步驟初定

（1）通過美國ESRI公司的地理信息系統(tǒng)軟件“ARCINFO”的數(shù)據(jù)輸入功能，將研究區(qū)域的多年海圖數(shù)字化，獲取帶有每個點的水深值和線段屬性信息的矢量數(shù)據(jù)；

（2）在ARCINFO中將比例尺統(tǒng)一和并將水深統(tǒng)一訂正至理論深度基面；

（3）利用ARCVIEW中擴展的3DAnalyst模塊和SpatialAnalyst模塊，通過對原始測點三角網(wǎng)插值，產(chǎn)生不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN)，繼而轉(zhuǎn)化成柵格數(shù)據(jù)模型(GRID)，該GRID具有數(shù)字高程模型(DEM)的特性，建立了DEM；還可以在DEM的基礎(chǔ)上，生成等深線，三維地形模型；

（4）在（3）得到的GRID的基礎(chǔ)上，發(fā)揮MATLAB軟件的矩陣運算功能將兩年的水深圖上相同位置的水深值相減，得到?jīng)_淤演變圖，并以不同色標或不同的圖案表示沖刷或淤積的范圍和等級，還可以得到?jīng)_淤3D分布圖；

（5）在（3）得到的三維地形模型上作橫剖面，縱剖面，得到橫斷面和縱剖面的水深形態(tài)圖，分別得到不同方向的沖淤變化。

（6）沖淤體積計算。在MATLAB中先求出單元大小，和高程矩陣中所有的高程值作乘法運算，即為計算體積。兩個不同年代的體積的差即得出沖淤的體積變化。

（7）為了圖件編輯和打印方便，將水深圖和沖淤圖轉(zhuǎn)到ARCINFO的圖象編輯、顯示軟件“ArcView”進行整飾處理。

（8）在MATLAB中將得到的水下地形圖捕捉成幀，生成沖淤動畫。

該研究方法中，（1）~（3）步為數(shù)據(jù)前處理過程，（4）~（6）步為沖淤計算過程，（7）和（8）步為計算結(jié)果的呈現(xiàn)過程。通過這種研究方法得到的沖淤計算結(jié)果的呈現(xiàn)比較直觀。由于缺乏水深圖資料，還不能充分對實踐該研究方法的遇到的細節(jié)性問題做出探討，但是總體上來講這種研究方法是可行的。

但是這種研究方法，得利用到ARCINFO、ARCVIEW、MATLAB三種軟件，因為ARCINFO和ARCVIEW都是ESRI公司的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)和模型的導入導出比較方便，但要將地形數(shù)據(jù)的方便導入到MATLAB中還要近一步研究，另外還要解決在MATLAB中三維地形的影象圖貼圖的問題。

因此，筆者想在單機環(huán)境下開發(fā)一個專門針對海岸和河口沖淤計算的軟件，目標主要是能實現(xiàn)上述的（3）~（8）這個過程。

3系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)想

3.1系統(tǒng)詳細功能

系統(tǒng)按初步設(shè)想的菜單編排的詳細功能描述如下：

1、系統(tǒng)

系統(tǒng)菜單提供對應用程序進行介紹和常用管理的一些功能，包括系統(tǒng)簡介、打印、輸出圖像、重新啟動系統(tǒng)、退出等。

系統(tǒng)簡介以文字的形式敘述系統(tǒng)的開發(fā)背景、整體概況、數(shù)據(jù)信息、功能、軟硬件平臺等內(nèi)容，使用戶對系統(tǒng)有總體的了解。打印可以讓用戶把當前地圖窗口的內(nèi)容在打印機上輸出。輸出圖像可以把地圖窗口中的所有內(nèi)容復制成圖像并保存。當系統(tǒng)打開窗口過多而致使界面凌亂時，可以點擊重新啟動系統(tǒng)菜單，應用程序?qū)⒅匦鲁跏蓟?。退出菜單可以關(guān)閉系統(tǒng)。

2、操作

該菜單實現(xiàn)系統(tǒng)操作的絕大部分功能，工具條上的地圖操作按鈕和屬性操作按鈕都要能在該菜單中找到。主要包括鷹眼、選擇、放大、縮小、移動、全圖、返回、標注、定位等。鷹眼、選擇、放大、縮小、移動、全圖、返回這七個菜單的功能與一般的地理信息系統(tǒng)平臺的類似。標注可以將地圖窗口中任意對象的屬性臨時顯示出來，也可以通過取消標注菜單清除所有的標注。定位可以將地圖窗口中心位置定位到用戶指定的坐標點。

3、研究區(qū)域概況

考慮影響河口的主要因素，如來水來沙、海岸動力包括波浪、潮流、余流等，可將這些信息加入該系統(tǒng)，利用該菜單項來管理這些數(shù)據(jù)，以便為用戶沖淤結(jié)果分析提供資料。

4、水下地形模擬

該菜單是實現(xiàn)對水下地形的模擬，包括生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，轉(zhuǎn)化成柵格數(shù)據(jù)模型(GRID)，生成等深線，生成三維地形模型。這些功能的實現(xiàn)都要開發(fā)人員通過一定的算法實現(xiàn)。

5、沖淤計算

該菜單功能包括生成沖淤2D演變圖、生成沖淤3D分布圖、生成橫斷面水深形態(tài)圖、生成縱剖面水深形態(tài)圖、沖淤體積計算、水下地形演變動畫。這些功能的實現(xiàn)也要通過一定的算法實現(xiàn)。

6、窗口

該菜單為標準的Windows菜單，提供在打開多個子窗體時對窗體進行排列的功能，包括水平排列、層疊排列，與ArcView中窗口排列的功能類似。同時提供當前打開的所有窗體的列表。

7、幫助

幫助功能塊提供了系統(tǒng)所有操作過程的詳細說明，可方便地實現(xiàn)在線幫助。

3.2系統(tǒng)開發(fā)的軟件平臺

筆者根據(jù)自己熟悉的軟件及其功能，初步擬定為：

操作系統(tǒng)：MicrosoftWindows2000

開發(fā)工具：MicrosoftVisualBasic6.0

利用組件：ESRIMapObjects2.1

數(shù)據(jù)庫：MicrosoftAccess2000

3.3補充

系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)要遵循系統(tǒng)工程的原理，以免耗費過多的精力。筆者打算把系統(tǒng)開發(fā)的主要精力放在水下地形模擬和沖淤計算的算法上，經(jīng)過初步的嘗試，在VB環(huán)境下，已實現(xiàn)了通過測點生成delaunay三角網(wǎng)和通過規(guī)則GRID生成三維地形圖。所以說開發(fā)這個系統(tǒng)是完全可行的。

4結(jié)語

文章提出的沖淤定量計算方法可適用于海岸、河口、內(nèi)河、航道的泥沙計算，這樣做可以避免考慮數(shù)學模型方法中要考慮的一些產(chǎn)生沖淤的因素，內(nèi)河與河口沖淤的不同成因可以不考慮。本文對GIS支持下的泥沙沖淤定量計算進行了探討，試圖找到一個通用的方法并開發(fā)出單機環(huán)境下專門的軟件的。要實現(xiàn)本文提出的設(shè)想還需進一步的摸索實踐，并在實踐中不斷提高和更新一些方法。

參考文獻：

[1]趙庚星，張萬清，李玉環(huán)，等．GIS支持下的黃河口近期淤、蝕動態(tài)研究［J］．地理科學，1999，5：442~445．

[2]吳華林，沈煥庭，胡輝，等．GIS支持下的長江口攔門沙泥沙沖淤定量計算．海洋學報，2002，3：84~93.

[3]鞏彩蘭，惲才興．應用地理信息系統(tǒng)研究長江口南港底沙運動規(guī)律．水利學報，2002，4：18~22．