CN103677826A - 基于IDL和Mapinfo的子流域划分与信息提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于IDL和Mapinfo的子流域划分与信息提取方法，属于地球物理科学门类的水文科学类。本发明是一种通过IDL程序语言实现利用高精度的DEM资料对流域进行升尺度的子流域划分方法，很好地利用了IDL面向矩阵，运算效率高的特点。通过对DEM的分析，获得子流域划分结构、子流域间拓扑关系、子流域控制点、控制范围、集水面积、子流域间河道长度、坡度等地质、地貌特征，为流域径流模拟提供支撑。同时，利用强大的地理信息系统软件MapInfo对子流域划分结果显示。基于IDL生成了子流域拓扑关系、子流域控制点位置，利用MapInfo的编程语言MapBasic展示子流域的拓扑关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用编程语言IDL和MapInfo进行子流域划分、分析、显示的方法，属于地球物理下水文分支技术领域。
背景技术
分布式水文模型是预测流域内水文情势的空间分布，评价人类活动（水资源开发利用、土地利用、面源污染等）的影响，为流域规划与治理、水资源可持续开发利用科学指导的有效方法。基于DEM的分布式水文模型是水文模型研究的热点问题。基于DEM的流域内子单元的划分对模拟精度有重要的影响，根据需要进行有效的流域划分具有重要意义。传统的子单元划分多是基于格网的划分，精度低，并不能满足现实需要。日本学者Yamazaki等于2009年提出基于格网的自然子流域划分，自然子流域划分具有单元内和单元间水文过程清晰的特点，子流域作为独立单元，容易进行产汇流计算，很多模型选择自然子流域划分，因此研究子流域划分及地形、地貌信息对流域模拟很重要。子流域划分最基本的方法是利用ArcGIS进行子流域划分，但随着人们对子流域划分结果的要求越来越高，单独依据ArcGIS进行的子流域划分并不能满足应用要求。本发明利用IDL和Mapinfo相结合的技术结合日本学者提出的方法进行子流域划分。
发明内容
发明目的：考虑到以往子流域划分不灵活，提取信息不完善等缺陷，本发明提供一种基于IDL和Mapinfo的子流域划分与信息提取方法，利用面向矩阵的IDL编程语言进行子流域划分，并通过MapInfo对划分结果进行展示，同时，利用MapInfo辅助语言MapBasic显示子流域拓扑结构。
技术方案：一种基于IDL和Mapinfo的子流域划分与信息提取方法利用面向矩阵运算的程序语言IDL对高精度DEM进行提取分析，获得流域的子流域划分、子流域拓扑关系等指标，利用MapInfo的MapBasic编程语言读取子流域拓扑信息、出口点信息，对子流域划分结果进行显示。具体包括如下步骤：
第一步：从中国科学院数据应用环境网站上下载研究区域的高精度DEM数据（（30m或90m）），利用ArcGIS对研究区数据进行合并处理，基于研究流域边界提取研究流域内的DEM。利用Hydrology模块的填洼功能生成研究区无洼地DEM，利用Hydrology模块的生成流向、汇流累积量功能生成研究区的流向、汇流累积量。利用ArcGIS中栅格转ASCII工具，将流域DEM、流向、汇流累积量分别导出为ASCII码，供IDL处理。
第二步：编写生成子流域控制点及拓扑关系的程序，按照网格划分，利用IDL的where函数获得网格内汇流累积量最大的点的位置，作为子流域控制点，最终生成每个大网格的子流域控制点位置文件。利用控制点沿流向向下游搜索，并记录搜索路径，获得该网格控制点的下游控制点，记录控制点之间的拓扑关系，即为子流域间拓扑关系，生成拓扑关系文件。利用控制点位置文件及DEM信息获得控制点高程，作为子流域的代表高程。利用控制点的搜索路径，计算上游子流域到下游子流域间的河道长度。利用控制点间河道长度和控制点高程差，得到河道坡度信息。
第三步：编写子流域生成程序。首先，利用子流域拓扑关系生成子流域的上游子流域，将子流域控制点的汇流累积量将去上游子流域的汇流累积量，获得子流域的汇流面积。其次，对子流域集水面积进行由小到大排序，利用IDL编写基于矩阵的流向追踪程序，依次对排序单元进行流向追踪，创建初始矩阵，判断流向流入控制点的网格，将子流域控制区内的网格赋值为子流域编号。最后，得到每个子流域的控制区域，生成子流域控制区域文件。
第四步：利用第三步中生成的子流域控制矩阵文件，按照各子流域控制区的边界，生成子流域的mif文件格式，方便MapInfo导入。
第五步：打开MapInfo，利用工具----表----import工具将mif文件导入到MapInfo中，生成流域的子流域划分tab文件。
第六步：编写MapBasic程序，读取子流域拓扑关系文件、子流域控制点位置文件，生成子流域的拓扑关系图。与第六步的子流域划分图叠加在一起，就生成了流域的拓扑关系图。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于IDL和Mapinfo的子流域划分与信息提取方法，利用面向矩阵的IDL编程语言进行子流域划分，并通过MapInfo对划分结果进行展示；编程语言IDL简单、方便、计算效率高，容易被研究者所掌握，研究者可根据自己的需要进行不同的子流域划分。同时，本发明利用高精度DEM提取了子流域的有效信息，对径流模拟提供有效支撑。利用MapInfo对子流域化法结果进行展示、出图，方便研究者使用。
附图说明
图1为本发明实施例的研究区王家坝站以上流域边界；
图2为本发明实施例的王家坝站以上流域子流域划分；
图3为本发明实施例的王家坝站以上流域子流域拓扑关系展示；
图4为本发明实施例的研究区外洲站以上流域边界；
图5为本发明实施例的外洲站以上流域子流域划分；
图6为本发明实施例的外洲站以上流域子流域拓扑关系展示。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
1 软件安装
（1）IDL安装：
第一步：下载IDL7.0，解压缩到本地文件。
第二步：双击解压缩文件里面的安装文件idl70winx86_32.exe，点击下一步。
第三步：同意IDL协议，点击下一步。
第四步：选择安装路径或默认安装路径，点击下一步。
第五步：选择IDL扩展模块，根据需要选择安装。点击下一步，开始安装。
第六步：提示是否要导入License，选择是，进入License导入界面，选择第三项，从本机导入License。点击next，选择本机上IDL安装包里面的License，导入License。注意：License里面的计算机名要改为本机名。
第七步：从开始菜单里面，启动IDL License管理器，选择Start/Stop/Reread，先点击Stop停止License，接着Start License，点击Reread License，在下方出现Server Start Successful。表示启动成果。
第八步：点击IDL启动界面，启动IDL。
（2） MapInfo安装：第一步：下载正版MapInfo10.0版本软件，解压缩到本地文件。
第二步：双击解压缩文件里面的安装文件setup.exe，点击下一步。
第三步：输入安装包里面的序列号和注册码，点击下一步。
第四步：选择安装路径，点击下一步，完成安装。
第五步：在完成安装后，将安装包里面的micore.dll覆盖到安装目录，完成安装。
第六步：启动MapInfo。
（3） MapBasic安装：
第一步：下载MapBasic软件，将其解压到本地文件夹。
第二步：双击SETUP.EXE，进入安装页面，点击下一步。
第三步：进入软件设置界面，输入MapBasic的注册码，点击下一步。
第四步：设置软件安装路径，最后完成安装。
2 具体实施步骤：
第一步：从中国科学院数据应用环境网站上下载研究区域的高精度DEM数据（90m），利用ArcGIS对研究区数据进行合并处理，基于王家坝流域边界提取研究流域内的DEM。利用Hydrology模块的填洼功能生成研究区无洼地DEM，利用Hydrology模块的生成流向、汇流累积量功能生成研究区的流向、汇流累积量。利用ArcGIS中栅格转ASCII工具，将流域DEM、流向、汇流累积量分别导出为ASCII码，供IDL处理。
第二步：编写生成子流域控制点及拓扑关系的程序，按照网格划分，利用IDL的where函数获得网格内汇流累积量最大的点的位置，作为子流域控制点，最终生成每个大网格的子流域控制点位置文件。利用控制点沿流向向下游搜索，并记录搜索路径，获得该网格控制点的下游控制点，记录控制点之间的拓扑关系，即为子流域间拓扑关系，生成拓扑关系文件。利用控制点位置文件及DEM信息获得控制点高程，作为子流域的代表高程。利用控制点的搜索路径，计算上游子流域到下游子流域间的河道长度。利用控制点间河道长度和控制点高程差，得到河道坡度信息。
第三步：编写子流域生成程序。首先，利用子流域拓扑关系生成子流域的上游子流域，将子流域控制点的汇流累积量将去上游子流域的汇流累积量，获得子流域的汇流面积。其次，对子流域集水面积进行由小到大排序，利用IDL编写基于矩阵的流向追踪程序，依次对排序单元进行流向追踪，创建初始矩阵，判断流向流入控制点的网格，将子流域控制区内的网格赋值为子流域编号。最后，得到每个子流域的控制区域，生成子流域控制区域文件。
第四步：利用第三步中生成的子流域控制矩阵文件，按照各子流域控制区的边界，生成子流域的mif文件格式，方便MapInfo导入。
第五步：打开MapInfo，利用工具----表----import工具将mif文件导入到MapInfo中，生成流域的子流域划分tab文件。
第六步：编写MapBasic程序，读取子流域拓扑关系文件、子流域控制点位置文件，生成子流域的拓扑关系图。与第六步的子流域划分图叠加在一起，就生成了流域的拓扑关系图。
3 实列介绍：
实例1：选择王家坝水文站以上流域（如图1所示）进行划分，王家坝水文站位于淮河中游豫皖两省交界处，集水面积为3.6万km2，是淮河干流第一大站，它是淮河的晴雨表，在历次淮河流域抗洪抢险工作中发挥了巨大的作用。
淮河地处我国南北气候过渡带，淮河以北属暖温带区，淮河以南属北亚热带区，气候温和，多年平均降水量约为830mm，年内降水时空分布不均，其中最大年降水量约为最小年降水量的两倍，汛期（6~9月）降水约占全年降水的60% 
80%，集水面积为27万km2。
第一步：从国际科学数据服务平台（http://datamirror.csdb.cn/dem/files/ys.jsp）下载DEM数据，利用ArcGIS合并功能将数据合并，并利用王家坝站的边界提取出王家坝站流域内DEM。利用ArcGIS的填洼、流向、汇流累积量功能生成无洼地DEM，流域内流向、汇流累积量，并导出为相应ASCII文件。
第二步：利用生成子流域控制点及拓扑关系的程序，生成王家坝站子流域控制点及拓扑关系。生成子流域的高程、子流域间河道长度、河道坡度等信息，结果分别如表1、2、3所示，其中数据所在行列即为图2大网格化法子流域所在位置的数据。下面的表同理。
第三步：利用子流域分割程序，对流域进行分割，获得子流域控制面积（如表3），子流域控制区矩阵。
第四步：利用子流域控制区矩阵，生成子流域的边界文件mif文件。
第五步：将mif文件导入MapInfo，生成子流域的tab文件，如图2所示。
第六步：利用编写的MapBasic程序，读取生成的子流域控制点文件及子流域拓扑关系文件，生成子流域拓扑关系图，如图3所示。叠加在子流域图上，即为最终图形。
表 1 王家坝以上流域提取的子流域面积信息（km2）
| 2838 | 4044 | 0 |
| 2871 | 6935 | 11277 |
| 642 | 1394 | 727 |
表 2王家坝以上流域提取的子流域间河道长度信息（km）
| 128.9 | 163.1 | 0 |
| 161.6 | 116.8 | 0 |
| 167.5 | 140.8 | 106.1 |
表 3王家坝以上流域提取的子流域间河道坡度信息（10-4）
| 1.55 | 0.98 | 0 |
| 2.29 | 0.6 | 0 |
| 4 | 1.35 | 2.36 |
表 4 王家坝以上流域提取的子流域高程信息（m）
| 62 | 42 | 0 |
| 70 | 33 | 26 |
| 100 | 45 | 51 |
实例2：选择外洲水文站以上流域进行子流域划分，它是赣江水系的控制站，流域位于东经113.7°~116.6°、北纬24.5°~28.7°之间，控制面积为80948km2。赣江是中国江西省最大河流，长江下游最重要支流之一。全长991km，流域面积8.35万km2。赣江流域属于亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量充足，非常适宜植物动物人类生长，年均降水量1400~1800毫米。
具体实施步骤如实例1，最终划分结果见附图4-6、提取信息为表5-8。
表 5外洲以上流域提取的子流域面积信息（km2）
| 0 | 0 | 6 | 209 | 125 | 112 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1401 | 2476 | 75 | 5259 | 0 | 0 |
| 0 | 38 | 2353 | 2288 | 3197 | 414 | 0 | 0 |
| 0 | 868 | 2015 | 8786 | 4976 | 1455 | 136 | 0 |
| 0 | 383 | 94 | 5673 | 44 | 658 | 1151 | 34 |
| 0 | 37 | 1079 | 1976 | 329 | 4104 | 472 | 75 |
| 0 | 587 | 2174 | 4077 | 5579 | 4755 | 1175 | 0 |
| 0 | 52 | 1153 | 3882 | 13 | 1653 | 7 | 0 |
| 0 | 0 | 375 | 2008 | 26 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表 6外洲以上流域提取的子流域间河道长度信息（km）
| 0.0 | 0.0 | 103.1 | 65.4 | 155.9 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| 0.0 | 0.0 | 79.2 | 158.1 | 80.9 | 15.1 | 0.0 | 0.0 |
| 0.0 | 79.6 | 76.4 | 83.7 | 91.6 | 80.4 | 0.0 | 0.0 |
| 0.0 | 66.1 | 115.5 | 60.3 | 74.6 | 108.0 | 68.4 | 0.0 |
| 0.0 | 83.0 | 105.0 | 88.8 | 79.3 | 44.5 | 121.1 | 210.3 |
| 0.0 | 112.4 | 132.3 | 87.3 | 73.6 | 85.9 | 104.7 | 196.2 |
| 0.0 | 85.8 | 110.6 | 79.9 | 28.7 | 78.9 | 107.5 | 0.0 |
| 0.0 | 113.9 | 137.4 | 83.6 | 81.4 | 81.4 | 38.6 | 0.0 |
| 0.0 | 0.0 | 60.2 | 107.5 | 77.1 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| 0.0 | 0.0 | 92.1 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
表 7外洲以上流域提取的子流域间河道坡度信息（10-4）
| 0 | 0 | 20.56 | 9.18 | 3.34 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 4.67 | 1.9 | 0.74 | 0.66 | 0 | 0 |
| 0 | 7.92 | 5.49 | 2.15 | 1.09 | 7.09 | 0 | 0 |
| 0 | 8.33 | 5.37 | 1.33 | 1.34 | 3.61 | 10.81 | 0 |
| 0 | 13.62 | 5.9 | 1.58 | 1.64 | 8.31 | 3.88 | 14.79 |
| 0 | 66.17 | 4.39 | 1.95 | 2.99 | 4.54 | 3.92 | 7.03 |
| 0 | 15.97 | 5.51 | 3.26 | 2.78 | 2.66 | 6.79 | 0 |
| 0 | 22.56 | 4.37 | 5.39 | 5.53 | 7.5 | 78.18 | 0 |
| 0 | 0 | 11.8 | 4.75 | 22.44 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 56.54 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
表 8外洲以上流域提取的子流域高程信息
| 0 | 0 | 255 | 103 | 65 | 12 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 80 | 43 | 19 | 13 | 0 | 0 |
| 0 | 146 | 83 | 41 | 23 | 80 | 0 | 0 |
| 0 | 158 | 103 | 41 | 33 | 72 | 258 | 0 |
| 0 | 216 | 103 | 47 | 46 | 221 | 184 | 448 |
| 0 | 849 | 105 | 64 | 120 | 137 | 178 | 275 |
| 0 | 288 | 151 | 90 | 98 | 119 | 192 | 0 |
| 0 | 408 | 150 | 143 | 143 | 180 | 482 | 0 |
| 0 | 0 | 265 | 194 | 316 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 715 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Claims (3)
1. 一种基于IDL和Mapinfo的子流域划分与信息提取方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：获取研究区域DEM；
步骤二：利用ArcGIS的数据合并功能将获取的分块数据合并为一个大的DEM；基于研究区的流域边界提取研究区的内的DEM；利用ArcGIS的hydrology模块的填洼、生成流向、汇流累积量功能获得全流域无洼地DEM、流向、汇流累积量；
步骤三：利用ArcGIS的栅格转ASCII工具，将生成的高精度DEM、流向、汇流累积量结果导为ASCII码，以方便IDL读取；
步骤四：利用IDL编写程序，读取汇流累积量，对流域进行网格划分，利用IDL提取各网格范围内的汇流累积量信息，利用where函数确定汇流累积量最大的点，即子流域的出口点，称之为控制点；利用各网格的子流域划分控制点，生成流域子流域出口控制点文件；利用控制点沿流向向下游搜索，并记录搜索路径，获得该网格控制点的下游控制点，记录控制点之间的拓扑关系，即为子流域间拓扑关系，生成拓扑关系文件；利用控制点位置文件及DEM信息获得控制点高程，作为子流域的代表高程；利用控制点的搜索路径，计算上游子流域到下游子流域间的河道长度；利用控制点间河道长度和控制点高程差，得到河道坡度信息；
步骤五：子流域边界生成，利用子流域拓扑关系生成子流域的上游子流域，将子流域控制点的汇流累积量减去上游子流域的汇流累积量，获得子流域的汇流面积；对子流域汇流面积进行由小到大排序，生成的子流域出口控制点的汇流累积量和；利用IDL编写基于矩阵的流向追踪程序，依次对排序单元进行流向追踪，创建初始矩阵，判断流向流入控制点的网格，将子流域控制区内的网格赋值为子流域编号；最后，得到每个子流域的控制区域，生成子流域控制区域文件；
步骤六：利用步骤四中生成的子流域控制矩阵文件，生成流域的mif文件；
步骤七：将步骤六中生成的mif文件导入到MapInfo中，生成流域的子流域划分文件；
步骤八：编写MapBasic程序，读取子流域拓扑关系文件、子流域控制点位置文件，生成子流域的拓扑关系图。
2. 如权利要求1所述的基于IDL和Mapinfo的子流域划分与信息提取方法，其特征在于，获取研究区域DEM，是从中国科学院数据应用环境网站上下载研究区域DEM。
3. 如权利要求1所述的基于IDL和Mapinfo的子流域划分与信息提取方法，其特征在于，编写MapBasic程序，读取子流域拓扑关系文件、子流域控制点位置文件，生成子流域的拓扑关系图；与第六步的子流域划分图叠加在一起，就生成了流域的拓扑关系图。
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