用于数字岸线演变分析的正交断面方法及系统

技术领域

本发明涉及GIS(地理信息系统)与海岸工程相结合的应用技术领域，尤其涉及一种计算岸线冲淤演变分析的正交断面方法及自动化的岸线演变分析系统。

背景技术

精确分析和掌握历史岸线的演变规律，有助于评估和预测未来岸线的变化趋势，对于海岸带规划和管理具有重要意义。由于岸线的几何形态是各种动力要素综合作用的结果，因此在海岸工程技术领域相对于水动力模型而言，通过对岸线变化进行建模来间接地研究内在的海岸侵蚀过程就成为一种广泛应用和便于实现的方法。而且，随着遥感技术的快速发展，从遥感影像上获取数字岸线变得更加容易，精度也越来越高，因而数字岸线的演变分析日益得到更为广泛和深入的应用。

在现有的数字岸线演变分析方法中，断面法是最常用的对岸线变化进行建模的方法之一。《海洋学报》1992年第14卷第3期中“黄河口区域演变的预测研究”一文介绍了一种中心辐射状断面方法，其构成方法是从用户选定的基点出发做直线与岸线相交，不足之处是该方法仅适用于对形状较为规则的扇形三角洲海岸进行分析，无法用于其它海岸类型；美国地质调查局(USGS)网站2009年发布的报告“Digital Shoreline Analysis System(DSAS)version 4.0-AnArcGIS extension for calculating shoreline change”(“数字岸线分析系统4.0-计算岸线变化的一个ArcGIS扩展”)公开了一种垂直断面方法，其构成方法是垂直于用户选定的海岸基线等间距地做直线与岸线相交，不足之处是该方法仅适用于简单平直岸线的分析，对于复杂的非平直岸线则无法得到可靠的结果。尤其是，随着可获得数据空间精度的提高，数字岸线的复杂度和对分析结果精度的要求也随之不断提升，这成为传统的断面方法所面临的主要挑战之一。另一方面，在实际应用当中也缺乏有针对性的分析工具，通常的做法是通过大量的手工作业，同时借助其它分析软件如ArcGIS、MapInfo、Excel等的功能分步骤地实现，工作效率、计算精度都无法适应当前大规模业务化应用的要求。此外，海岸带是社会经济发展的敏感地带，海岸带的演变规律不应当仅限于专业人士所了解，更需要为普通公众所认识和关注，因此有必要发展公众易于认知的方式来展示海岸带演变的专业信息，而目前仍缺乏类似的系统方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种对各种类型岸线具有普适性的正交断面方法，并且利用GIS技术和图形学的方法，整合断面构造、统计分析、结果展示、生成分析报告等处理步骤，建立了数字岸线演变分析系统，实现了整个业务流程的自动化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一特征是提供了一种用于数字岸线演变分析的正交断面生成方法，包括以下步骤：

(1)、生成虚拟岸线

将基线包括在岸线当中，设有n条岸线可以利用，实现步骤如下：

a)如果岸线之间有交点，以交点为界将对应岸线打断为多个岸线段；岸线之间无交点，则只有从起点到终点一个岸线段；

b)从向岸或向海一侧出发，将最靠近向岸或向海一侧的岸线段重新连接为一条新“岸线”，依此类推，直到距离向岸或向海一侧最远的岸线段被重新连接；这样将原有岸线重新组合为n条彼此不相交但存在公共点的新“岸线”；

c)从空间上相邻的每两条新“岸线”的起点出发，以公共点为界，从起点到第一个公共点为第一段、从第一个公共点到第二个公共点为第二段、……、从最后一个公共点到终点为最后一段；若无公共点，则只有从起点到终点一段；把每一段对应的两条线段都等分为数个小段，依次对应，将等分后对应小段的端点分别相连构成直线段；再将构成的所有直线段等分，得到多个中间点，将相应的中间点相连即得到对应的中间“岸线”；

d)所有新“岸线”与中间“岸线”共同构成虚拟岸线，虚拟岸线的条数记为m；

(2)、构造正交断面

a)从第一条虚拟岸线即基线出发，按距离基线由近及远的顺序依次为第二条虚拟岸线、第三条虚拟岸线，直到最后一条虚拟岸线；

b)首先，在第一条虚拟岸线上选择一个点记为P₁，P₁所在的直线段记为L₁，在第二条虚拟岸线上与L₁相邻的直线段记为L₂，L₁与L₂的交点或者延长线的交点记为O，以O为圆心，线段OP₁为半径构造一个圆，圆与L₂的交点记为P₂，L₁与L₂之间所夹的圆弧记为

c)然后，从P₂出发，在第二条和第三条虚拟岸线之间按照步骤b同样方法构造圆弧依此类推，直到最后一条虚拟岸线，分别构造圆弧

d)连接圆弧即构成一条正交断面；

(3)、从基线起点开始，沿基线等间距地重复步骤(2)构造每一条正交断面，直到基线的终点，完成所有正交断面的构造。

所述步骤(2)中两条相邻虚拟岸线所夹的圆弧，可以用连接圆弧两端点的直线、内接折线或外切折线近似实现。

所构造的正交断面与基线和所有的岸线正交。

本发明的第二特征是提供了一种数字岸线演变分析系统，由以下模块构成：

(1)、参数设置模块：用于设置基线参数、岸线参数、断面参数和交点参数；

(2)、构造断面模块：用于设置断面输出路径、断面名称、是否反转基线方向，并根据所设置的参数生成相应的断面；

(3)、计算统计模块：用于选择断面图层、置信水平及统计方法参数，并根据所设置的参数计算统计出相应的岸线变化率及其对应的统计量；

(4)、结果展示模块：用于展示输出计算得到的最终结果，包括断面动态、岸线变化率和统计报告文本；

(5)、动态模拟模块：用于岸线演变过程的模拟。

本发明的进一步措施是：

所述参数设置模块，其中：设置基线、岸线参数包括选择基线图层、岸线图层，以及岸线图层的年份字段和误差字段；设置断面参数包括选择断面类型为垂直断面或正交断面、设置断面间距和断面长度、选择断面方向为左、右或自动检测；设置交点参数包括选择交点为最近交点或者最远交点。

所述构造断面模块，用于根据所设置的参数生成对应的垂直断面或正交断面；如果所生成断面的方向不能够与岸线相交，则可以选择反转基线方向重新生成，并能够根据用户指定的路径和断面名称，将所生成的断面保存为独立文件。

所述计算统计模块，用于选择所要计算的断面图层、指定置信水平、并选择端点法、线性回归和加权线性回归三种统计方法中的一至三种方法进行计算统计，并输出交点数据表和结果数据表；

其中：交点数据表包括每条岸线与断面的交点坐标、每个交点沿断面到基线的距离等数据信息；结果数据表包括根据用户所选择的方法计算得到的结果：端点法的计算结果为利用端点法得到的岸线变化率；线性回归和加权线性回归方法的计算结果包括各自对应的岸线变化率，以及R²、估计标准差、用户指定置信水平下的斜率标准差。

所述结果展示模块，用于生成统计报告文本和交互式展示最终的输出结果，包括岸线变化率图、断面动态图和统计报告文本；

其中：岸线变化率图，可以选择由用户所指定统计方法中的任意一种进行展示，并且岸线变化率为正值和负值的点分别用不同的颜色进行标记；选择关联地图，则地图窗口中岸线变化率为正值和负值的断面分别显示为岸线变化率图中对应点的标记颜色，并且选择其中一个断面，岸线变化率图中的对应点被高亮显示，同时显示对应的岸线变化率数值；岸线变化率图可以输出为jpeg、bmp、png、gif和封装式PostScript图片；

其中：断面动态图，可以选择由用户所指定统计方法中的任意一种进行展示，也可以由用户指定置信水平进行展示；断面动态图直接与结果数据表和地图关联，选择结果数据表中的一条记录，显示对应的断面动态图，地图窗口中对应的断面被选中；选择地图窗口中的一个断面，显示对应的断面动态图，结果数据表中对应的记录被选中；断面动态图可以输出为jpeg、bmp、png、gif和封装式PostScript图片；

其中：统计报告文本，内容包括计算岸线总长度、断面间距；用户所选每一种计算统计方法各自对应的总体最大、最小和平均岸线变化率，淤涨岸段总长度、最大、最小和平均淤涨速率，侵蚀岸段总长度、最大、最小和平均侵蚀速率；以及无计算结果岸段长度。

所述动态模拟模块，假定相邻两个时间点之间岸线匀速演变，进而采用变形(Morphing)技术实现岸线冲淤演变过程的模拟，并可以对模拟过程进行控制；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的正交断面方法可以适用于不同类型的岸线，对于平直岸线，所构造出来的断面接近于垂直断面，而对于复杂的非平直岸线，所构造的断面正交于每一条岸线，其方向与岸线的自然演变模式相吻合，提高了岸线变化率计算的可靠性；本发明的岸线演变分析系统，利用GIS技术和图形学的方法实现了岸线演变分析整个处理流程的自动化，降低并消除了手工作业的强度和主观性，提高了工作效率，保证了计算结果的精度和可靠性，也使得计算结果具有可比较性；同时采用二维图表与地图关联的方式，以及动态模拟的方式对结果进行展示，增强了专业数据信息的直观性，使结果易于为非专业用户所理解。

附图说明

图1是本发明虚拟岸线生成示意图

图2是本发明构造正交断面示意图

图3是本发明数字岸线演变分析系统流程图

图4是本发明需要用户指定的主要参数示意图

图5是本发明所生成的正交断面图

图6是本发明岸线变化率图与地图关联展示图

图7是本发明岸线动态图与地图关联展示图

图8是本发明岸线演变过程模拟图