Surfer15.0在海绵城市下垫面地形可视化构建中的应用研究

时间：2024-07-28

□文/吕乐福池风龙周国华卢立波刘玮刘庆岭

2014 年10 月，住房和城乡建设部发布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》文件，指出海绵城市要能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，文件的发布为我国各地海绵城市建设顺利开展提供了指导和保障[1]。海绵城市建设除了与区域的水文条件和气象条件密切相关外，下垫面类型和地形、地貌状况对雨水径流、排水分区划分及海绵设施布设的影响也十分显著[2～3]；因此，有必要对下垫面的地形、地貌进行整体的把握、全面科学的认识研究可视化技术。

Golden Software Surfer 是一款绘制等值线图和3D立体图的软件，广泛应用于气象学、地质学和海洋研究等领域[4～6]。软件提供了12 种内插方法，可以通过已知数据点计算出其他未知点值[7]。在高程等值线绘制过程中，大多数研究仅对几种插值方法进行简单介绍[8～9]，或是对某种插值方法进行具体应用阐述[10]，没有对方法中的变异函数进行对比分析且在海绵城市建设中的应用研究也罕见报道。本文以测绘取得的高程数据为对象，探讨了普通克里金插值法中的4 种变异函数的有效性，优化方法生成3D曲面叠制图并计算地形因子，旨在为海绵城市科学规划和全面建设提供可视化参考。

1 基本思路

Surfer绘图是利用空间上若干离散点的属性数据，通过内插法生成一系列光滑曲线的过程。绘图的前提是将数据转化为软件支持的.xls 文件、.dat 文件、.txt 文件等常用格式；绘图的关键是将包含点位和高程信息的X、Y、Z原始数据格网化，生成规则的格网数据，后期通过边界白化处理，将格网数据进行界限设置，区分边界内部和外部的空白格网节点，最后绘图时消除空白区域，完成绘图。

具体步骤：由于试验基地标高数据原始格式为CAD.dwg 文件，先用CAD 提取功能将测绘点位信息筛选出来，保存为Excel.xls格式，结束时将CAD.dwg文件另存为Surfer.dxf 格式，用于Surfer.bln 边界文件制作。随后，经Surfer软件格网化、边界数字化、白化等处理，生成Surfer 白化.grd 格式文件，该文件也是等值线图、影像图、矢量图及3D曲面图绘制的基础，经调整坐标、图层、图例标注等信息后，按照需求输出相应的格式，即可达到满意的可视效果。见图1。

图1 制图流程

2 插值方法

插值方法既是数学模型又是绘制图形的核心。格网算法共有12种[11]，包括克里金插值法、最小曲率法、改进谢别德法、自然邻点插值法、最近邻点插值法、多元回归法、径向基函数插值法、线性插值三角网法、移动平均插值法、数据度量插值法和局部多项式插值法。这些插值方法各具特点，但都是基于地理学中“靠得越近的事物具有越大的相似性”这一基本规律，因此可以根据实际情况选择使用。

本研究采用的克里金插值法，是地统计中常用的分析方法。根据点数据指点的空间相关度，自动识别采用点在空间内的分布，消除采样点分布不均匀带来的误差。当满足无偏估计和方差最小两个假设条件时，能够在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计，所以又称最优内插法。克里金法插值需要完成两个步骤：一是生成变异函数和协方差函数，二是预测未知点值。Surfer 15.0 软件中提供了12 种变异函数，选择普通克里金插值法（Ordinary Kriging，OK）中的线性函数（Linear）、高斯函数（Gaussian）、球面函数（Spherical）和指数函数（Exponential）4 种变异函数进行比较，通过交叉验证法，评估插值方法的有效性。

研究数据包含了X、Y、Z信息的1 107 个点位，格网化时在X和Y方向各设置1 000个节点，运算时交叉节点共计100 000 个，Z方向转化成线性值；交叉验证时随机确认1 000个点数，经4种函数运算后的结果见表1。

表1 4种普通克里金插值法变异函数

从计算耗时看，线性函数＞指数函数＞高斯函数＞球面函数；耗时越小，选择意向越强。从运算结果的有效性评估，线性函数残差绝对值、PAEE、RMSE和RMSPE值均最小，明显优于其他三种函数，表明线性函数计算的预测值更加接近真实值，差异小，有效性和可靠性高。

结合图2 现场实际，线性函数法绘制的高程等值线图边界清晰，区域内水系和陆地、坡起和洼地等局部细节能够明显区分并真实的反映出来，与现场实际地形更加符合。综合考虑，研究后期制图采用普通克里金插值法中的线性函数进行格网化处理，尽管用时长，但是结果更为精确。

图2 4种变异函数高程等值线

3 海绵城市建设中的应用

3.1 土地利用分析

某区域包括湖面和陆地，经过计算得知：总平面面积为33 210.85 m2，其中湖面面积7 383.17 m2，占总面积的22.23%；陆地面积25 827.68 m2，占总面积的77.77%。陆地体积21 861.14 m3，湖泊体积13 130.28 m3，净容量8 730.86 m3。

3.2 地形分析

1）坡度表示了地表单元的陡缓程度，通常把坡面的垂直高度和水平距离比值称为坡度。根据《土地利用现状调查技术规程》对耕地坡度的分级，将坡地划分为坡度＜2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°和坡度＞25°五个等级。由图3可知，坡度＜2°的面积16 271.55 m2，占总面积的49.23%，为主要地形；2°～6°的面积8 966.46 m2，占总面积的27.13%，为次要地形；6°～15°的面积5 689.92 m2，占总面积的17.22%；15°～25°的面积1 852.79 m2，占总面积的5.61%；坡度＞25°的面积268.19 m2，占总面积的0.81%。坡度较大地形主要集中在湖岸四周和较为凸出的堆土。

2）坡向是反映斜坡所面对的方向，对山地生态影响较大。坡向以北方为起始方向，正北方向为0°并按顺时针方向度量，取值范围为0°～360°。由图3可知，区域内无平缓坡（-1°），北坡（0°-22.5°，337.5°-360°）面积2 838.27 m2，占总面积的8.59%；东北坡（22.5°-67.5°）面积2 794.68 m2，占总面积的 8.46%；东坡（67.5°-112.5°）面积2 640.34 m2，占总面积的7.99%；东南坡（112.5°-157.5°）面积5 691.83m2，占总面积的17.22%；南坡（157.5°-202.5°）面积4 517.20 m2，占总面积的13.67%；西南坡（202.5°-247.5°）面积5 139.36 m2，占总面积的15.55%；西坡（247.5°-292.5°）面积 3 837.25 m2，占总面积的11.61%；西北坡（292.5°-337.5°）面积5 589.98 m2，占总面积的16.91%。

3）曲率反映了地表坡度和曲面弯曲变化情况。由图3 可知，区域坡面曲率负值面积15 486.16 m2，负值表示流水速度加快的凸面，主要沿湖岸周围、排盐渠和凸起土堆分布；正值面积17 440.33 m2，正值表示流水速度减慢的凹面，分布于湖泊底部、区域内道路和其他低洼区域。平面曲率值为负表示形成辐散水流的表面，正值表示形成汇流的表面。经计算可知，辐散水流面积16 443.14 m2，汇流面积16 483.35 m2。

图3 地形因子分析

3.3 海绵城市规划

区域地貌为低洼的芦苇荒地，建设规划为公园绿地，经过回填原土、土地平整和地形塑造，形成了高低起伏的地貌，见图4。

图4 基地标高3D曲面叠置

为与3D 叠置图进行对比分析，拍摄现状地貌照片，见图5。

图5 基地实景现状

由图4和图5可知：1～4号场地为人工堆坡，地势高于周边区域0.20～1.30 m；5～6号场地为人工开挖内湖，地势低洼，最深处低于湖岸四周4.50 m；7号场地为排盐沟渠，图4中仅在西北和东南方向两端显现，这是由于测绘点位集中于两端，未在沟渠中间均匀布设点位，模型无法反应该部分真实地貌特征；8号为场地内园路，尚未修葺，地势整体低于周围绿地。此外，在区域北面、东面以及5号湖西岸也呈现出部分凸起地形，分别对应道路防护绿地、牛粪改良物料堆置和湖底盐土暂存形成的坡起。总得来看，Surfer15.0 生成的3D叠置图与实际地貌具有高度的契合性，能够为海绵城市建设和规划提供真实可靠的模型参考。

根据现场地貌情况，考虑到该地块为临时性用地，海绵建设要尽可能减少投资，充分利用现状地形，发挥最大海绵效果。采取的主要海绵措施和排水方案为：

1）靠近东西湖泊（5 号和6 号场地）和西部排盐沟渠区域，雨水径流和土壤中渗透的雨水自流入水体；

2）远离水体区域（西北部和东南部）、局部地势低洼处，布设盲井或建设下洼绿地，起到滞留雨水和促进雨水向地下迁移的目的；

3）充分利用乔灌木生态树穴和地被植物栽植围堰，集蓄雨水，加强雨水的利用；

4）结合盐渍土改良措施，表层土掺拌牛粪、草炭土、山皮砂和粉碎物料等材料改良后，增大土壤孔隙度，改善土壤物理性状，同时借助地下埋设的暗管排盐系统，加速雨水下渗，雨水最终经集水井下渗补充地下水或经集水管导流进入水体；

5）区域内部道路尚未进行路面铺设，可考虑路面用碎石硝压实，增加路面透水性，道路边缘下洼，设置卵石沟或植草沟传输雨水，最终汇入水体；

6）在水环境方面，水系边坡地可种植芦苇、水生鸢尾和千蕨菜等，坡上栽植耐盐柽柳、紫穗槐和旱柳等护岸，既能防止水土侵蚀污染水体，又能改善区域盐碱恶劣自然环境。