CN105138722A - 基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，改变传统由DEM生成栅格流向矩阵提取河网的方法，直接采用真实数字河湖网络并将其用于辅助流域集水单元的划分，以期获得真实表达平原河网区水文拓扑关系的水系结构和集水单元。其步骤如下：第一步、构建平原河网区水文空间要素数据模型；第二步、提取水文节点，并根据节点类型定义矢量河网流向，建立河湖网络之间的拓扑关系；第三步、用DEM生成栅格流向，再用具有流向关系的河湖网络对栅格流向进行修正；第四步、根据栅格流向和河湖网络位置划分流域集水单元。本发明的方法解决了河湖网络结构复杂的平原河网区的集水单元划分问题，对于平原河网区的分布式水文模拟具有重要意义。

Description

基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法

技术领域

本发明涉及一种面向平原河网区的流域集水单元划分方法，技术应用领域为水文分析与模拟。

背景技术

分布式水文模型被广泛应用于流域水文过程的模拟，成为科学认识与合理解决水资源和水环境问题不可或缺的工具。为了更好地反映地理要素和地理过程的空间可变性，分布式水文建模需要将整个流域划分成较小的、具有相对单一水文过程的空间单元，空间单元的合理划分是分布式水文模拟的重要基础。

目前流域的划分通常采用基于数字高程模型(DEM)的水文分析方法，其中具有代表性的是以D8(Deterministiceight-neighbors)流向模型为基础的算法，即D8方法。D8方法利用DEM的高程信息计算坡面水流流向，再通过设定汇水累积阈值提取河网，进而划分子流域。然而，D8方法在平坦地区的应用受到限制，这是由于大多DEM数据的精度不足以描述平坦区的细微地形，导致计算的水流方向不准确，提取的河网与真实河网偏差很大。为了解决这个问题，许多学者进行了研究，并在D8方法的基础上提出了一系列改进的方法，如被广泛应用的“StreamBurning”方法，这些方法通过对DEM数据的高程值进行修正，迫使模拟的水流流向指定的方向，从而得到与真实河网更接近的水流路径。尽管这些方法使得从DEM提取的河网准确性得到了很大的提高，但这种本质上基于DEM计算格网流向–提取河网–划分子流域三步骤的流域划分方法在平原河网区仍面临一些问题。

平原河网区具有地势平坦、河网纵横交错、湖荡星罗棋布、圩区众多的特点。在平原河网区，湖泊、水库和圩区都是具有独立集水功能的单元，在流域划分过程中应该作为单独的集水单元进行划分。此外，平原河网区的河网呈网状结构，与丘陵、山区的枝状河网结构截然不同，河段与湖泊、水库和圩区之间也具有复杂的水文关联关系。然而，平原河网区这种复杂的流域特征无法从DEM数据中进行识别，这使得现有方法难以在平原河网区进行合理的集水单元划分，也将影响分布式水文模型在平原河网区的应用。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种基于数字河湖网络的流域集水单元划分方法。该方法通过构建平原河网区水文空间要素数据模型建立真实河湖网络的拓扑关系，用于辅助定义格网流向与划分集水单元，解决了现有基于DEM的子流域划分方法无法合理表达平原河网区网状河网结构、湖泊、水库和圩区的问题，能够将流域划分为湖泊、水库、圩区和坡面集水区四种类型，对于平原河网区的分布式水文模拟具有重要意义。

本发明的技术解决方案为：

基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，该方法通过建立平原河网区的数字河湖网络矢量数据模型，将其用于辅助栅格流向的确定和流域的划分，其具体步骤是：

第一步、构建平原河网区水文空间要素数据模型：对平原河网区的河段、湖泊、水库、圩区、坡面集水区和水文节点6种要素的空间结构与水文联系进行解析，设计点、线和面的矢量数据结构对各要素进行组织，采用上、下游关系属性来建立各要素之间的拓扑关系，拓扑关系包括：水文节点与水文节点之间的上下游关系、水文节点与河段之间的关联关系、水文节点与湖泊、水库、圩区、坡面集水区之间的关联关系、河段与河段之间的上下游关系、河段与湖泊、水库、圩区、坡面集水区之间的关联关系；通过Geodatabase数据模型对矢量要素进行存储；

第二步、水文节点提取与类型定义：按照矢量河段、湖泊、水库和圩区之间的邻接拓扑关系以及水文站点与圩区排灌站位置数据，提取水文节点数据，并根据节点的水文功能定义节点类型，节点类型包括：河道源节点、河道连接节点、流域出口节点、湖泊出口节点、湖泊入口节点、水库出口节点、水库入口节点、圩区排灌站节点和水文站节点；

第三步、定义矢量河网流向：根据水文节点数据的类型和河流流向拓扑规则，确定矢量河网一部分河段的流向，其余河段流向定义为与流域平均坡向一致，最后结合河流流向拓扑规则与水文观测数据对河网流向进行纠正；其中，河流流向拓扑规则为：关联2条以上河段的水文节点，其关联的河段中至少有一条是流入节点并且至少有一条是从节点流出；将河段流向定义为与流域平均坡向一致的方法为：分别求取河段端点连接线段的两个方向的向量与流域平均坡向向量的夹角，取能使向量夹角为锐角的那个河流方向；

第四步、基于矢量河网流向数据和平原河网区水文空间要素数据模型建立河段、湖泊、水库、圩区以及水文节点之间的拓扑关系；

第五步、栅格流向定义与编码：河网所在栅格流向根据矢量河网的流向，逐河段进行定义并采用多流向栅格编码方法设定栅格流向，湖泊、水库和圩区所在栅格值设定为唯一要素识别码，其余坡面栅格流向先使用D8方法进行定义再根据坡面栅格与河段、湖泊、水库、圩区的空间位置关系对其流向进行修正；其中，多流向栅格编码方法为：将D8模型的8个单流向编码(1、2、4、8、16、32、64、128)中的若干方向编码进行“按位或”运算，即得到这几个方向的复合编码；反之，将复合编码与8个单流向编码逐一进行“按位与”运算，结果不为0的方向即为分解出来的单流向；坡面栅格流向修正方法为：将每条河段两侧一定缓冲距离内的栅格流向修正为流向最近的河段栅格，将湖泊、水库和圩区外围相邻栅格流向修正为沿外围边界流入最近的河道栅格，其中各河段的缓冲距离定义为该河段两侧绝对平坦地形的最大宽度；

第六步、集水单元划分与拓扑关系构建：基于栅格流向数据和水文节点、湖泊、水库、圩区的空间位置进行集水单元划分，得到湖泊、水库、圩区和坡面集水区四种类型的集水单元数据，并根据河网流向建立集水单元、水文节点、河段之间的拓扑关系。

本发明的方法改变了传统利用DEM生成栅格流向和集水面积来提取河网的步骤，直接采用数字化的真实河湖网络，再辅助用于栅格流向的定义和集水单元划分，解决了平原河网区难以准确提取水系网络和合理划分集水单元的问题，并通过设计多流向栅格编码方法实现了对平原河网区交叉河网结构的表达，对于分布式水文模型在平原河网区的应用具有重要意义。

附图说明

图1本发明方法的实现流程图；

图2流域水文节点与矢量河网流向示意图；

图3多流向编码示意图；

图4河网栅格流向定义示意图：(a)矢量河网，(b)河网所在栅格的流向，(c)河网所在栅格流向编码，其中斜线阴影栅格为河网所在栅格，深色阴影栅格为多流向栅格；

图5坡面栅格流向定义示意图：(a)原始DEM高程值与河段(带箭头线段)、湖泊(灰色多边形)位置，(b)填洼处理(深灰色填充)后的DEM高程值、河段(斜线阴影)与湖泊(灰色填充)所在栅格、河段两侧绝对平坦地形范围(虚线框)，(c)D8法计算的原始坡面栅格流向、河段栅格流向与湖泊栅格识别码，(d)修正后(粗线框)的栅格流向；

图6划分的集水单元示意图，其中右上角的插图为图中方框部分的放大图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法包括如下步骤：

第一步，构建平原河网区水文空间要素数据模型。首先，对平原河网区的河段、湖泊、水库、圩区、坡面集水区和水文节点6种要素的空间结构与水文联系进行解析，分别设计点、线和面的矢量数据结构对各要素进行组织，采用上、下游关系属性来建立各要素之间的拓扑关系。其中，点要素即为水文节点，包括：河道源节点、河道连接节点、流域出口节点、湖泊出口节点、湖泊入口节点、水库出口节点、水库入口节点、圩区排灌站节点和水文站节点9种类型；线要素即为河段；面要素即为集水单元，包括：湖泊、水库、圩区和坡面集水区4种类型。然后，通过Geodatabase数据模型对矢量要素进行存储，每个要素具有唯一的标识码，各要素之间的拓扑关系通过上、下游属性字段进行存储。

第二步，利用平原河网区的数字河湖网络提取水文节点并定义节点类型。首先，从水系图和水工设施专题图中数字化河网、湖泊、水库、排灌站和水文站，按照平原河网区水文空间要素数据模型进行组织与存储。其次，根据各要素之间的空间邻接关系提取水文节点。最后，根据水文资料手动定义流域出口节点、湖泊出入口节点和水库出入口节点，根据要素关联关系自动定义河道源节点和河道关联节点。

第三步，矢量河网流向定义。首先，根据节点类型的含义，自动定义与河道源节点、流域出口节点、湖泊出入口节点和水库出入口节点相关联的河段的流向。其次，根据节点关联河段中至少有一条流入和流出的河流流向规则，自动定义一部分与河道连接节点关联河段的流向。再次，剩余未定义流向的河段自动定义为与流域平均坡向相近的流向。最后，根据河流流向规则自动识别存在错误流向的河段，利用水文资料进行手动修正。

第四步，多流向栅格编码方法。多流向栅格编码方法是为了存储交叉河网结构中具有多个流向的节点。采用将D8模型单流向编码互相进行“按位或”运算得到复合流向编码，将复合流向编码分别与D8模型的8个单流向编码进行“按位与”运算得到分解的单流向。

第五步，栅格流向矩阵的生成。首先，逐河段遍历矢量河网，根据河段流向和多流向栅格编码方法定义河网所在栅格的流向。其次，使用洼地填充工具对流域DEM数据进行洼地填充，并用D8方法生成初始的流域栅格流向矩阵。最后，对初始栅格流向矩阵进行修正，河网所在栅格流向用预先定义的河网栅格流向进行替换，每条河段缓冲区范围内的栅格设置为流向最近的河段栅格，湖泊、水库和圩区外围相邻栅格设置为沿着其外围边沿流入最近的河段栅格，湖泊、水库和圩区内部栅格值设置为对应要素的唯一识别码。其中，每条河段的缓冲距离分别设置为河段两侧绝对平坦地形的最大宽度。

第六步，流域集水单元划分。首先，湖泊、水库和圩区这3种集水单元直接根据栅格流向矩阵中的要素唯一识别码进行标记。其次，结合水文节点位置和栅格流向矩阵划分坡面集水区，从流域出口节点A开始遍历栅格，用唯一识别码标记流入节点A的栅格，当剩下待标记的栅格是另一个水文节点B时，从节点B开始用另一个唯一识别码重复这一过程，以此方法完成整个流域栅格的标识。最后，将相同标识码的栅格组合在一起，即为一个个的集水单元，通过搜索这些组合的边界生成矢量集水单元。

第七步，构建集水单元拓扑关系。首先根据河流的流向关系得到水文节点之间的上下游关系，再根据每个集水单元所对应的出口水文节点，建立集水单元之间的上下游关系，存储到集水单元要素的属性表中。

实施例

下面结合附图，以太湖流域湖西区(7722km²)为例，对本发明作进一步详细说明。

(1)数字化湖西区河湖网络。通过湖西区的水系图和水工设施专题图，分别提取河网、湖泊、水库、圩区、排灌站和水文站。

(2)提取水文节点。利用ArcGIS的FeatureVerticesToPoints工具提取水文节点。

(3)定义水文节点类型。利用水文资料手动定义流域出口节点、湖泊出入口节点和水库出入口节点的类型，再通过空间关联关系自动识别河道源节点和河道连接节点，最后补充排灌站节点和水文站节点。

(4)定义矢量河网流向。先根据水文节点类型，自动定义与河道源节点、流域出口节点、湖泊出入口节点和水库出入口节点相关联的河段流向，再根据河流流向规则定义一部分河段的流向，剩下河段流向定义为与流域平均坡向保持相近，最后用河流流向规则自动识别错误流向的河段，并根据水文资料进行修正，最终得到流域矢量河网流向(见图2)。

(5)生成栅格流向矩阵。先将湖泊、水库和圩区所在栅格值设置为对应要素的唯一识别码，再结合矢量河网流向和多流向栅格编码方法(见图3)定义河网所在栅格流向(见图4)；利用D8方法计算坡面栅格流向，然后计算各条河段的缓冲距离，将每条河段缓冲区内栅格值设置为流向最近河段栅格，最后将湖泊、水库和圩区外围相邻栅格设置为沿边界流入最近的河段栅格(见图5)。

(6)划分集水单元。根据水文节点位置，分别将流入对应节点的栅格用唯一识别码进行标记，得到多组具有相同唯一识别码的栅格集合，沿着这些栅格集合的边界连线生成矢量的集水单元(见图6)。

(7)构建集水单元拓扑关系。利用河网流向定义水文节点之间的上、下游关系，再根据每个集水单元关联的出口节点，得到集水单元之间的上、下游拓扑关系，将每个集水单元的上、下游单元唯一识别码存储至属性表。表1列出了部分集水单元(见图6)的拓扑属性表。

表1集水单元拓扑属性表

Claims (7)

1.基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，其特征在于，该方法建立平原河网区的数字河湖网络矢量数据模型，将其用于辅助栅格流向的确定和流域的划分，其具体步骤是：

第一步、构建平原河网区水文空间要素数据模型：对平原河网区的河段、湖泊、水库、圩区、坡面集水区和水文节点6种要素的空间结构与水文联系进行解析，设计点、线和面的矢量数据结构对各要素进行组织，采用上、下游关系属性来建立各要素之间的拓扑关系，通过Geodatabase数据模型对矢量要素进行存储；

第二步、水文节点提取与类型定义：按照矢量河段、湖泊、水库和圩区之间的邻接拓扑关系以及水文站点与圩区排灌站位置数据，提取水文节点数据，并根据节点的水文功能定义节点类型；

第三步、定义矢量河网流向：根据水文节点数据的类型和河流流向拓扑规则，确定矢量河网一部分河段的流向，其余河段流向定义为与流域平均坡向一致，最后结合河流流向拓扑规则与水文观测数据对河网流向进行纠正；

第四步、基于矢量河网流向数据和平原河网区水文空间要素数据模型建立河段、湖泊、水库、圩区以及水文节点之间的拓扑关系；

第五步、栅格流向定义与编码：河网所在栅格流向根据矢量河网的流向，逐河段进行定义并采用多流向栅格编码方法设定栅格流向，湖泊、水库和圩区所在栅格值设定为唯一要素识别码，其余坡面栅格流向先使用D8方法进行定义再根据坡面栅格与河段、湖泊、水库、圩区的空间位置关系对其流向进行修正；

第六步、集水单元划分与拓扑关系构建：基于栅格流向数据和水文节点、湖泊、水库、圩区的空间位置进行集水单元划分，得到湖泊、水库、圩区和坡面集水区四种类型的集水单元数据，并根据河网流向建立集水单元、水文节点、河段之间的拓扑关系。

2.根据权利要求1所述的基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，其特征在于，所述第一步中，各要素之间的拓扑关系包括：水文节点与水文节点之间的上下游关系、水文节点与河段之间的关联关系、水文节点与湖泊、水库、圩区、坡面集水区之间的关联关系、河段与河段之间的上下游关系、河段与湖泊、水库、圩区、坡面集水区之间的关联关系。

3.根据权利要求1所述的基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，其特征在于，所述第二步中，水文节点类型包括：河道源节点、河道连接节点、流域出口节点、湖泊出口节点、湖泊入口节点、水库出口节点、水库入口节点、圩区排灌站节点和水文站节点。

4.根据权利要求1所述的基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，其特征在于，所述第三步中，河流流向拓扑规则为：关联2条以上河段的水文节点，其关联的河段中至少有一条是流入节点并且至少有一条是从节点流出。

5.根据权利要求1所述的基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，其特征在于，所述第三步中，将河段流向定义为与流域平均坡向一致的方法为：分别求取河段端点连接线段的两个方向的向量与流域平均坡向向量的夹角，取能使向量夹角为锐角的那个河流方向。

6.根据权利要求1所述的基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，其特征在于，所述第五步中，多流向栅格编码方法为：将D8模型的8个单流向编码中的若干方向编码进行“按位或”运算，即得到这几个方向的复合编码，其中，8个单流向编码分别为1、2、4、8、16、32、64和128；反之，将复合编码与8个单流向编码逐一进行“按位与”运算，结果不为0的方向即为分解出来的单流向。

7.根据权利要求1所述的基于数字河湖网络的平原河网区流域集水单元划分方法，其特征在于，所述第五步中，坡面栅格流向修正方法为：将每条河段两侧一定缓冲距离内的栅格流向修正为流向最近的河段栅格，将湖泊、水库和圩区外围相邻栅格流向修正为沿外围边界流入最近的河道栅格，其中各河段的缓冲距离定义为该河段两侧绝对平坦地形的最大宽度。