surfer河道演变分析

Surfer在河道演变分析中的应用

1.2绘制数字高程模型图

经过前期数据处理后，就可以绘制数字高程模型图了。具体步骤如下：

步骤一，把数据文件转换成grd文件：①打开菜单“网格|数据”在open对话框中选择数据文件；②打开“网格|数据”对话框.在“数据列”中选择要进行grid的网格数据（X和Y坐标）以及格点上的值（Z列）（不用选择，因只有3列数据且它们的排列顺序已经是X，Y，Z了，如果是多列数据，则可在下拉菜单中选择所需要的列数据）。选择好X，Y，Z值后，在“插值模式”中选择一种插值方法（如需要比原始数据的网格X和Y更密的Z数据，或网格为非均匀），则在grid的过程中，Surfer会自动插值计算，生成更密网格的数据。如果只是想绘制原始数据的图，不想插值，则最好选择反距离加权插值法（Inverse Distance To A Power）或克里金法（Kriging Method）。因为这两种方法在插值点与取样点重合时，插值点的值就是样本点的值，而其他方法不能保证如此。在Output Grid File中输入将输出的文件命名，然后在“网格点几何分布”中设置网格点数，确认，画图所需要的grd文件就生成了。不过，为了便于后面对各年地形进行比较分析或冲淤分析，尽量使每个grd文件的几何分布一直，即同样的XY坐标范围和插值的网格密度。

步骤二，将河道边界白化。在Surfer中默认的插值区域为数据文件中离散点坐标x，y 的最小值和最大值所围成的矩形，经过插值生成的图形边界为矩形，但在实际情况下，河道边界可能是不规则的，或者需要显示某些特定区域的形态（如潜洲）、添加图签等，这时就用到Surfer的白化（Grid Blank）功能。

白化文件[.bln]格式

[.bln]文件是以ASCII文件格式存储的用来描述白化边界及白化信息的文件，其格式如下：

length，flag″Pname 1″

x1，y1

x2，y2

...

xn，yn

x1，y1

length，flag″Pname 2″

x1，y1

x2，y2

...

xn，yn

x1，y1

其中，length是一个用来表示组成白化区域定点X，Y坐标对的整数；flag取值为0或1，若flag为1，则白化指定区域内部，若flag为0，则白化指定区域外部；Pname是一个用来指定白化区域ID的可选参数；以下是组成白化区域定点的X，Y坐标对，每行存储一对X，Y坐标，最后重复x1，y1表示所描述的对象是封闭区域。在河道演变分析中，白化边界一般是河道的岸线，通常将DWG格式的河势图存为DXF文件，然后在Surfer中选取地图│基面图（map│base map）命令，将该DXF文件导入Surfer，然后用CS Scripter编程

读取岸线的离散数据，也可点击右键选取数字化命令，用鼠标沿着岸线顺时针方向点击，每当点击一次，该点的XY 坐标便会被读取到一个临时文件中，当点击与首点会合后，将该临时文件另存为bln 文件即可。注意：在弯曲段要多点击几次。白化洲滩其方法与之相同。

然后选取网格│白化命令，将在步骤一中生成的grd 文件按照bln 文件白化即可，生成白化后新的grd 文件。

步骤三，绘制三维数字高程模型图：打开菜单“地图|3D 表面图” （map │3D surface ），在“打开网格”对话框中选择白化后的grd 文件，再点“OK ”，一副精致的三维数字高程模型图就画完了。接下来可以对三维数字高程模型图进行设置：在所画的图中双击鼠标，或点击右键，选中“属性”，就会出现设置图形的各种属性，在图的边缘双击鼠标则可以改动坐标轴的属性.三维数字高程模型图的属性设置分为常规、网格、光照、覆盖、查看、比例、限制、背景等。经加工处理后，结果如图1所示。

541000542000543000544000545000546000547000

548000336400033650003366000

3367000

336800033690003370000

3371000

33720003373000

3374000

图1. 长江宜都河段三维数字高程图 1.3提取等值线 数据处理基本方法同上，只是在步骤三中要选择“地图│等值线图”命令（map │contour map ），导入白化后的文件，即可生成一个等值线图，在等值线图属性中“常规”选项卡中，选择“平滑等值线”，在“等级”选项卡中可更改默认等级，设置要在图中显示出的某一特定等级的等值线（如航行0m 或3m 等深线等）并选择标注，这样该等值线就生成了，如图2中标注为35.79的即为当地的航行基准面，而黑色较粗标注为32.79的为当地的航行基准面以下3m 水深线。如果需要在AutoCAD 河势图中显示该等值线，则需要将该等值线图在Surfer 中输出为DXF 文件，用AutoCAD 打开，将要显示的等值线选中并原坐标复制到河势图中即可。

2.绘制河道冲淤分布图和计算冲淤量

2.1绘制河道冲淤分布图

按照1.2中步骤一和步骤二的方法，可以生成白化后的grd 文件。选取“网格│数学”（grid │math ）命令可以进行grd 文件的相减操作，先在对话框中选中一个某时期河道白化后的grd 文件 （A 文件），确认，然后另选一个要与之对比的另一时期的河道白化文件（B 文件），再将第三个文件（C 文件）命名为“A-B.grd ”，最后将运算公式写为“C=A-B ”。由于文件运算的是Z 值，那么“A-B.grd ”文件即反映为B 时期到A 时期该分析河段各坐标点的Z 值变化量。注意：必须是同样的网格信息，即平面区域和间距均相等，否则无法运算。

然后选取“地图│影像图” 命令（map │image ）即可绘制成河道冲淤分布图，双击该图，在属性各个选项中进行调整，使其具有较好的视觉效果，如图3即反映的是长江宜都河道在三峡蓄水后某年度的冲淤分布。

541000542000543000544000545000546000547000548000

33640003365000

3366000

33670003368000

3369000

3370000

3371000

3372000

3373000

3374000

图3.长江宜都河段某年度冲淤分布图 图4. 断面bln 文件的格式 2.2冲淤量的计算 Surfer 可以对三维地形进行体积和面积计算，只需指定上表面和下表面即可。由于在2.1中相减生成的grd 文件反映的是冲淤变化，那么利用数据计算功能“体积”还可以计算出冲淤量。具体操作如下：选取“网格│体积”（grid │volume ）命令，指定上表面为该网格文件，下表面为高程为0的水平面，确认之后获得的报告文件中含有“cut volumes （正体积）”、“fill volumes （负体积）”、“net volumes （净体积）” “planar areas （平面积）”等数据指标，其中“cut volumes （正体积）”表示上表面在下表面之上的那部分实体的净体积，在这里即为泥沙的淤积量；“fill volumes （负体积）” 表示上表面在下表面之下的那部分实体的净体积，即为泥沙冲刷量、“net volumes （净体积）”为两者之差，为该河段这一时期的净淤积量。

此外，利用网格化中可以选择不同的间距和面积计算功能，即用不同的尺度来量取河道表面积，可以得到不同的数值[5]，然后按分维数计算方法，可以得到一个冲积河道表面的分维数来表征该河道表面的冲淤起伏程度。

3.绘制特征断面冲淤图

具体河段的河演分析中，经常要对河段一些特征断面（比如分汊河段的进口和出口断面、或一些浅滩碍航断面）进行冲淤分析，这样就需要专门绘制这些特征断面的冲淤图。在Surfer 中可以由冲淤网格文件（如2.1中的“A-B.grd ”）提取任意断面的数据，然后导入Excel 或Matlab 等软件绘出XY 折线图即可。在提取这些断面之前，一般首先要给出一个由这些断面两岸端点的XYZ 坐标组成的数据文件，即bln 文件，描述的是截取断面所用矩形的各控制点信息。文件格式如图4，与白化文件类似，每两行所示空间点连线即为截取矩形在XY 平面上的投影，而端点的Z 坐标应该尽量取极大值，以保证该断面上所有点均不会超出这一矩形所限范围。然后用“网格│片断”命令（grid │slice ），选择要截面的冲淤网格文件，可生成一个数据文件（.dat ），该文件包括5列数据，排列如下：

第一列：断面上各点的X 坐标；

第二列：断面上各点的Y 坐标；

第三列：断面上各点的Z 坐标；

第四列：断面上各点在断面连线方向上的累积距离；

第五列：断面编号，用于一次取多个断面的时候。

由此数据，以第四列为X轴，第三列为Y轴即可绘制断面冲淤图。

如果要绘制断面形态图，方法一样，只是选取grd文件时选择1.2中生成的河道白化后的grd文件即可。