全三维环境下湖泊水位-容积曲线快速计算方法_孟明.pdf

全三维环境下湖泊水位-容积曲线快速计算方法孟明1，2，3*，李仟1，2，3，马俊11.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），郑州450003；3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，郑州450003摘要：为了从本质上提升湖泊水位-容积曲线计算的精度与效率，在分析对比传统水位-容积曲线计算方法的基础上，利用Civil 3D高程分析，结合.NET二次开发，建立了水位-容积曲线计算的新方法。该方法能够在全三维环境不降低实测地形图精度的条件下精确高效计算湖泊的水位-容积曲线，特别是对大范围的湖泊容积分析，具有更加明显的优势，让湖泊的传统水文分析技术有了质的提升。关键词：湖泊水位-容积曲线；Civil 3D；三维地形；高程分析；二次开发中图分类号：TV13文献标志码：A文章编号：2096-2347（2023）01-0070-08收稿日期：2022-11-28基金项目：黄河勘测规划设计研究院有限公司自主研究开发项目2021KY039（2）。作者简介：孟明，工程师，硕士，主要从事河湖生态综合治理的设计与研究以及河湖工程BIM设计关键技术研究。E-mail:引用格式：孟明，李仟，马俊.全三维环境下湖泊水位-容积曲线快速计算方法J.三峡生态环境监测，2023，8（1）：70-77.Citation format:MENG M,LI Q，MA J.Fast calculation method of water level and lake volume curve based on full 3D environmentJ.Ecologyand Environmental Monitoring of Three Gorges，2023，8（1）：70-77.Fast Calculation Method of Water Level and Lake Volume Curve Basedon Full 3D EnvironmentMENG Ming1,2,3*,LI Qian1,2,3,MA Jun1（1.Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.,Zhengzhou 450003,China;2.Key Laboratory of Water Management and Water Security for Yellow River Basin,Ministry of Water Resources(under Construction),Zhengzhou 450003,China;3.Henan Engineering Research Center of Urban Water Resources and Environment,Zhengzhou 450003,China）Abstract:In order to improve the accuracy and efficiency of calculation for lake water level-volume curve in essence,this paper established a new method for calculation of lake water level-volume curve by combining the Civil 3D elevation analysis with.NETsecondary development,based on the analysis and comparison of traditional calculation methods.This new method can accuratelyand efficiently calculate the water level-volume curve of lakes in the full three-dimensional environment without reducing the accuracy of the measured topographic map.It especially has obvious advantages for the analysis of large scale lake volume,and makesan essential improvement to the traditional hydrological analysis technology of lakes.Key words:lake water level volume curve;Civil 3D;three dimensional terrain;elevation analysis;secondary development随着国家不断提高对湖泊生态环境的重视程度，湖区生态环境修复治理成了一项急迫而重要的任务。在湖区治理方案的设计以及正常运行阶段，湖泊水位-容积曲线（以下简称水位-湖容曲线）计算是工程水文分析中极为重要的环节和内容，是一项非常重要的参数，其准确性是合理确定湖泊规模规划设计及管理运行方案的重要依据，也决定了工程建设投资的大小以及后期运行过程的经济性。随着科学技术的不断进步，电脑辅助设计（computer aided design，CAD）技术快速发DOI：10.19478/ki.2096-2347.2023.01.09三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年3月Mar.2023第8卷第1期Vol.8No.1模型计算方法研究第8卷第1期71展。许多学者和工程技术人员在水位-容积曲线的计算方法上也做了相关研究。如江惠芳等 1、张莉芳等 2 和陆家驹等 3 利用卫星遥感图像提取库区的水体面积，结合影像成像时对应的实测库水位，根据等高线体积法推算水位库容曲线。张建新等 4、许辉熙等 5 和孙玉兵等 6 利用实测库区地形图，采用数字高程模型（digital elevation model，DEM）法对库容曲线进行了计算。王领法等 7 和陆桂华等 8 通过计算每块地形三角网与给定高程之间棱柱体的体积，然后叠加所有给定高程下的棱柱体计算库容曲线。曹培国 9 采用基于闭合等高线的等高线体积法计算库容。江明新 10 通过对库区固定横断面地形的复测，分析了河床的演变并修正了库容曲线。这些方法的基本原理都是按照微积分学的方法进行切割、分块、求和，总体可归纳为：断面法、等高线体积法、平面网格法和DEM法等，在实际项目的运用过程中发现这些方法都有破坏原始地形精度、计算量大、效率低、耗时长等缺陷。因此，亟须研究出一种高精度、高效率的湖容计算方法。近年来三维技术的快速兴起，为解决一些工程技术难题提供了新的思路和方法。本文从三维的角度出发，基于Civil 3D并结合.NET二次开发，建立了一种新型水位-湖容曲线计算方法。在实际工程应用中，对于湖区范围相当大、所需计算水位间隔相当密集的情形，该方法仅需数分钟即可在全三维环境下完成整个湖泊的容积曲线计算，既能无损利用实测地形图精度，又能高效快速地计算水位-湖容曲线，所得结果精确、真实、可靠。详细讨论新的湖区水位-面积-容积曲线高精度、高效计算方法。其基本思想是以Civil 3D为基础工具，利用其强大的三维曲面快速创建及处理功能，根据实测高程点生成高精度的湖区三维地形曲面，作为计算所需的基准曲面。通过Civil 3D程序自动加载不同水位曲面，作为计算所需的对照曲面。根据基准曲面与对照曲面的高程差值，通过Civil 3D程序内置算法的自动计算便可得到对应水位的分层二维水面面积增量和分层范围体积增量。再结合.NET二次开发，编写出数据处理和数据提取所需插件，经过研究的定制算法规则进行数据后处理，最终形成该新型水位-容积曲线高效计算方法。1三维湖容高效计算方法1.1高精度三维地形曲面基于 Civil 3D 的曲面功能，导入各类高程数据，创建高精度三维地形曲面，并生成可视化的三维地形模型，再利用其强大的曲面编辑处理功能进行原始曲面的处理。1.1.1地形曲面的创建、编辑与处理地形曲面是土地某个区域的三维几何表示形式，由三角形或栅格组成。这些三角形或栅格是Civil 3D 在连接组成曲面数据的各个点时所创建的。将工程项目上需要计算的二维测量提供的地形创建成可编辑处理的三维地形曲面，确定好需要计算的范围，利用曲面中的添加边界功能设定分析边界，如图1所示。图1根据二维测量提供的地形生成的三维地形曲面以及根据计算边界提取所需三维地形Fig.1The 3D terrain surface generated from the 2D elevationmeasurements and the extracted 3D terrain according to thecalculated boundary孟明，等：全三维环境下湖泊水位-容积曲线快速计算方法三峡生态环境监测http:/ 3D曲面分析功能的所有内部程序代码以及各种分析计算方法进行研究、分析及推演，从程序的源代码中找出能够提高水位-面积-容积和水体规模计算效率的方法。适合后续开发应用的源代码如图2所示（部分截取）。图2后续开发应用的源代码Fig.2Application source code subsequently developed通过Civil 3D执行该代码可以得到所需要的关键中间成果，但是这些数据仅是存储在计算机内存中的数据，还无法直接使用和提取。为解决这一问题，基于Civil 3D定制了能够承载这些中间数据的表格样式，并将表头自定义成所需的有意义的名称，如图3和表1所示。图3程序算法及参数设定Fig.3Program algorithm and parameter setting曲面特性-地形曲面信息定义分析统计信息分析类型：高程图例高程范围范围创建依据：指定范围间隔与基准高程基准高程：1014.500000范围详细信息缩放方案以符合预览0.500000ID1234567891011121314151617181920最小高程/m最大高程/m1014.5001015.0001015.5001016.0001016.5001017.0001017.5001018.0001018.5001019.0001019.5001020.0001020.5001021.0001021.5001022.0001022.5001023.0001023.5001024.0001015.0001015.5001016.0001016.5001017.0001017.5001018.0001018.5001019.0001019.5001020.0001020.5001021.0001021.5001022.0001022.5001023.0001023.5001024.0001024.500第8卷第1期73表1程序分析计算所得中间数据Table 1Intermediate data from program analysis and calculation编号123456789101112131415161718192021最大高程/m1 014.501 015.001 015.501 016.001 016.501 017.001 017.501 018.001 018.501 019.001 019.501 020.001 020.501 021.001 021.501 022.001 022.501 023.001 023.501 024.001 024.50分间隔面积/m2024.55955.96530 895.205 409 898.8117 158167.3479 138 451.2094 845 433.3882 572 487.7627 989 092.88