基于自適應算法的彎曲河道斷面布設

張凌源 王超 劉林佳

摘要：針對現階段傳統斷面布設算法在彎曲河道斷面布設中的不足，提出一種河道斷面布設的自適應算法。根據給定的水邊和河道中心線獨立生成每根斷面線，使得斷面線不僅能適配水邊，還能與河道中心線保持較高的垂直度，并對斷面線在彎曲河道的集束問題和相交問題進行優化處理，保證斷面線在河道內均勻分布。為驗證算法的可行性，選取3種類型河道地形進行對比試驗，并從主觀角度和客觀指標對斷面布設效果進行評價。試驗結果表明，自適應算法在保證斷面間距的前提下兼顧了斷面垂直度和分合理性，明顯優于傳統算法。

關鍵詞：河道斷面布設;自適應算法;彎曲河道

中圖法分類號：P333.4 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.05.008

文章編號：1006 - 0081（2021）05 - 0030 - 03

1 研究背景

河道斷面線的布設一直是河道演變分析研究等的基礎性課題。現階段的水道地形測量基本上采用預設斷面線的走航法，所以開展對斷面線布設算法的研究尤為重要[1]。

目前，HYPACK水文測量軟件的斷面布設算法應用最為廣泛，主要有內插法、中心線法和平行線法。內插法和平行線法的基本原理是根據已知斷面等距內插或延伸，中心線法的原理是根據河道中心線等距垂直分布，這些算法在順直河道都取得了較好的效果，但是在連續彎曲河道則各有不足。內插法在連續彎曲河道需要大量的人工控制斷面才能保證斷面與流向的垂直度，需要較多的人工干預[2]。中心線法能保證與流向具有較高的垂直度，但無法精準控制斷面線的邊緣間距，往往會出現外彎超距和內彎相交的現象，也不能較好地適配水邊線。平行線算法則完全不適用于彎曲河道[3]。針對上述斷面線布設算法的不足，本文提出一種自適應算法，實現了斷面線和水邊線的高度契合，解決了彎曲河道斷面線的均勻分布問題。

2 傳統HPACK算法介紹

2.1 內插法

內插法的原理如下：M和N為控制斷面，1，2，3，4為內插斷面，內插斷面的端點即為MN端點連線的等分點。使用內插法布設斷面時，控制斷面的位置和數量決定最終的斷面布設效果。此算法一般適用于順直河道，在彎曲河道要達到較好的斷面布設效果，需人工布設大量控制斷面，對人工干預依賴程度較高，不利于斷面布設的自動化[4]。內插法原理見圖1。

2.2 中心線法

中心線法的原理是根據河道中心線的走向，在中心線上等距垂直分布斷面線。在順直河道的效果較好，但在連續彎曲河道效果不佳。該算法在河道外彎可能會出現斷面超距現象，在河道內彎可能會出現斷面相交現象，而這些現象都是斷面布設中應該避免的。該算法原理示意見圖2。

3 適配水邊的自適應河道斷面算法

3.1 自適應算法的特點

針對傳統算法所存在的問題，筆者提出了一種適配水邊的自適應河道斷面算法，該算法具有如下特點。

（1）可以精準控制斷面間距，控制精度達到0.01 m。為了保證斷面不出現超距現象，內插法往往只能減小斷面距離參數，不僅無法精準控制斷面間距，還導致斷面數量的非必要增多。中心線法則只能精確控制中心線上的斷面間距，邊緣間距則往往會出現超距或相交現象。

（2）可以根據水邊線的走向自動適配，契合水邊，較傳統算法更為美觀且應用性更強。

（3）可以較好地解決彎曲河道斷面布設的集束問題、相交問題和均勻分布問題。

3.2 自適應算法的實現步驟

實現河道斷面自適應算法需先準備包含左右水邊線和河道中心線的 dxf文件，然后預設斷面間距d。具體實現步驟如下。

（1）分別讀取 dxf文件的左右水邊線、中心線的節點坐標，根據節點坐標進行線性內插，內插間距0.01 m，用內插點近似替代曲線。

（2）自適應算法原理見圖3。將左右水邊的端點連線視為初始斷面線。在左水邊選取距端點為d的點A，在中心線上選取距離A點最近的點B，再在右水邊上選取距離AB最近的點C，AC即為利用左水邊得到的斷面線。同樣，在右水邊選取距端點為d的點E，在中心線上選取距離E點最近的點F，再在左水邊上選取距離EF最近的點G，EG即為利用右水邊得到的斷面線。然后從AC、EG中選取一條距離初始斷面更遠但又不超距的斷面，圖3中明顯AC更加合適，這樣就能得到02號斷面線，并以02號斷面線AC為分界點，舍棄之前的左右水邊點和中心線點。將02號斷面線AC視為初始斷面，循環上述過程，最終將得到全部斷面線。

（3）上述循環推進的過程能保證斷面線與水邊契合，既不會超距，也不會相交，但不能保證斷面線在河道內均勻分布。實際上，上述過程生成的斷面線會出現聚集現象，尤其是在河道內彎部分，斷面分布并不均勻，如圖4所示。

（4）為解決斷面在河道內彎的不均勻分布現象，需要在算法上對斷面線進一步優化。先定義距離值DD，如果兩條斷面線之間的間距小于DD，則視這兩條斷面線之間的區間為密集區間，比如圖4中的（8，13），（15，17），先找出所有密集區間，并對所有密集區間進行前后擴展，比如（8，13）則擴展為（3，18），（15，17）則擴展為（10，22）。再將有交集的擴展區間進行合并，如（3，18），（10，22）合并為（3，22），直到各擴展區間之間都沒交集，即可得到最終的優化區間。

（5）本算法中，優化區間一般擴展為密集區間的3倍以上，比如密集區間（8，13）包含6根斷面，優化區間（3，22）則包含20根斷面。如果直接將優化區間內的斷面線直接重新均勻分布，往往會因為涉及的斷面過多，導致分布后的斷面與河道中心線垂直度不夠。因而需要結合測量比例尺和自然河道的彎曲情況選擇合適的參數對優化區間進行分割，進而得到最終的優化子區間，對優化子區間內的左右斷面端點分別重新等距分布，即可得到最終的斷面線，如圖5所示。

在算法中，根據輸入的參數對優化區間進行分割，參數越大，分割后的優化子區間越大，最終的斷面分布越均勻;參數越小，分割后的優化子區間越小，最終的斷面與河道中心線垂直度越高，所以對于不同彎曲程度的河道，參數的選擇也會不同。自適應算法流程見圖6。

4 試驗結果與分析

為檢測各算法的效果，特選取武漢市蔡甸區內的漢江河段，該河段為典型的連續彎曲河段，河道長8.7 km，分別運用3種算法獨立生成斷面，斷面間距參數為40 m。其中，自適應法輸入參數為40 m，內插法人工控制斷面線為18根，中心線法分別輸入參數為40，35和30，斷面統計情況見表1。

從表1中的各項指標參數可分析出各算法的斷面布設效果：

（1）自適應算法的各項指標參數表現最為突出，綜合性能最佳。

（2）隨著人工干預斷面的增多，內插算法布設效果可以逐漸接近自適應算法，但是自動化程度會越來越低，不利于推廣應用。

（3）中心線算法自動化程度與自適應算法相當，但普遍存在斷面超距現象。隨著輸入參數變小，逐漸降低超距占比的同時，斷面總數又會明顯多于另外兩種算法。

5 結 論

通過對自適應河道斷面算法的論述和分析，可得出如下結論：①該算法能實現較高程度的自動化斷面布設。②該算法能精確控制斷面間距，較高程度契合水邊線。③該算法能滿足不同比例尺的斷面布設要求，在保證斷面垂直度的前提下實現河道斷面線的均勻分布。

參考文獻：

[1] 楊志剛. 關于水文測驗斷面測量方法的思考[J]. 水土保持應用技術， 2018（1）： 47-48.

[2] 王建英，黃德武.? 基于插值法和擬合法的水文大斷面繪制方法[J].? 人民長江， 2020， 51（6）：96-100，206.

[3] 趙學民， 王衛平， 張宗德.? HYPACK水文測量軟件在水下地形測量中的應用[J].? 水文， 2000， 20（3）：38-40.

[4] 張立華，殷曉冬. 水深測量計劃測線布設與航跡控制算法[J]. 海洋測繪，2002，22（2）：33-35.

（編輯：唐湘茜）

Abstract：Aiming at the shortcomings of the current algorithm of flow measuring vertical line layout across cross-section in curved river， an self-adaptive algorithm for flow measuring vertical line layout is proposed. This algorithm generates each vertical line independently according to the given water frontier and the river centerline ， so that the vertical line can not only adapt to the water frontier， but also maintain a relatively high perpendicular to the river centerline， and optimize the clustering and intersection problems of the vertical lines in curved river to ensure that the vertical lines are evenly distributed across the rivers. In order to verify the feasibility of the algorithm， three different river topographies were selected for comparative analysis， and the effect of vertical line layout was evaluated subjectively and objectively. The analysis results show that by the adaptive algorithm， both the higher perpendicular to the river centerline and the reasonable distribution of the vertical lines can be obtained under the assurance of evenly distribution vertical lines， which is significantly better than traditional algorithms.

Key words： layout of flow measuring vertical line; adaptive algorithm; curved river