CN109241369A - 基于网格延展法的降雨等值线构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网格延展法的降雨等值线构建方法，包括降雨数据采集、构建计算区域网格、网格插值、重分类、等值线追踪、降雨等值线平滑步骤。本发明通过网格延展算法实现插值以及插值范围的控制，生成降雨等值线过程中不会因为数据分布不规律而发生等值线追踪错误，避免了边界裁剪计算，减少了降雨等值线生成的计算量，降低了降雨等值线算法的难度。

Description

基于网格延展法的降雨等值线构建方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及到降雨等值线空间算法。

背景技术

降雨等值线是指空间上降雨量相等各点的连线，降雨等值线广泛的应用于汛情服务系统、防汛决策系统、防洪调度等系统中。通常的等值线算法分为网格法和基于三角网法的两类算法，其中三角网法计算速度快，但对降雨数据要求高，适应性不强，所以一般采用网格法进行降雨等值线计算。

网格法的降雨等值等算法主要算法步骤分为降雨数据插值、重分类、边界追踪、边界平滑、等值面裁剪等过程(算法步骤参考Arc GIS等值线算法模型)。边界追踪则是根据数据分布特点，从上述的重分类的结果数据中追踪等值线(等值面的边界)，实际计算过程中往往由于数据分布不规律或者边界数据的畸变(数据存在凸点、环等现象)，不健壮的追踪算法有时会产生错误的结果，导致等值线追踪失败或等值线边界出现交叉等现象。等值线的平滑算法是将等值线的追踪结果进行平滑处理，使等值线看上去更平滑自然。等值线的边界裁剪算法复杂、计算量大，很多等值线算法依赖于GIS平台的裁剪算法进行裁剪。

现有等值线算法在等值线追踪方面的算法复杂；现有等值线算法在等值线裁剪方面算法复杂；现有等值线组件产品调用复杂且容易发生错误(如ArcGIS产品、SuperMap产品)。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于网格延展法的降雨等值线构建方法，可以实现一种简单的基于网格单元的等值线算法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于网格延展法的降雨等值线构建方法，包括以下步骤：

1)数据采集：确定降雨量观测点的空间位置，并采集对应观测点的降雨量；

2)构建计算区域网格：在生成降雨等值线之前先构建插值计算的网格，网格的范围是容纳降雨等值面的边界和所有的降雨量观测点；

3)网格插值：包括生成插值边界、网格插值计算、要插值的网格范围的确定；

生成插值边界：降雨等值面的结果叠加到GIS地图上显示，生成插值边界将矢量数据点构成的地图边界栅格化，栅格化的边界网格构成一个闭合的区域；

网格插值计算：根据观测点数据对指定区域内的其他网格进行插值计算，采用反距离加权平均算法作为网格插值算法；

要插值的网格范围的确定：基于网格延展法来追踪要插值的网格范围；

4)重分类：将网格插值后的结果数据进行归类；

5)等值线追踪：追踪上述同一分类所构成的不规则区域的边界，通过延展法提取不规则面，求不规则面的外切；

6)降雨等值线平滑：逐段将等值线的每个边的中点依次连接起来，形成一个新的环。

进一步的，步骤2)中，选取1000*1000的网格；在计算机程序中，对于网格二维数据组，创建整形类型的二维数组来计算，对于非整形的数字转换为整形来处理，构建多个同等大小的数组作为计算过程的辅助数组。

进一步的，步骤3)中反距离加权平均算法的具体计算步骤为：

首先计算每个雨量观测点的权重λ_i，公式如式(1)：

式中：d_i为插值点到雨量观测点的距离，

然后计算插值点值，公式如式(2)：

式中：为插值点的插值结果，Z(X_i，Y_i)为各个雨量站的降雨量值。

步骤3)中基于网格延展法来追踪要插值的网格范围：上述生成的等值线边界构成的区域是闭合的，即要插值的点在边界范围内是连续分布的，连续分布的每个栅格至少和区域内的某一栅格相邻，从区域内的任何一个栅格点可以通过网格延展法遍历到区域内的所有栅格点。

进一步的，网格延展法具体算法，步骤如下：

a)根据边界数据将对应位置的网格标记为边界网格，将其余网格标记“未搜索”网格，设置两个队列分别存储“待搜索”和“待插值”；

b)选取所求等值线区域内任何一个网格作为起始网格，并将该网格加入“待插值”网格队列中；

c)从“待插值”网格队列中选取一个网格，向该网格的四个方向进行搜索，并对这个四个方向的网格标记进行判断，为“待插值”或是“边界”网格则转入d)步骤，否则将该网格标记为“待插值”，并将该网格加入到“待搜索”队列中；

d)当“待搜索”队列为空时，转入e)步骤，否则从“待搜索”队列中选取一个网格进行c)步骤的操作；

e)输出“待插值”队列的所有网格信息，即所有“待插值”网格点，网格延展法插值网格范围确定算法流程结束。

进一步的，步骤4)按照数值范围对插值结果进行重分类。

本发明的有益效果：

本发明的网格延展法利用网格插值区域网格连续分布的特性在等值线生成计算之初确定网格插值范围，避免了后期复杂的等值线裁剪计算。同时利用同一等值面区域内网格分布连续的特性，通过网格延展算法提取等值面并追踪等值面的边界，使等值线追踪过程简单且适应性强。经过实际程序的实现表明该等值线算法对数据分布的适应性强，计算效率高，生成的等值线能够满足等值线的实际应用需求。

基于网格延展法算法的目的是要省去等值线的裁剪计算以及形成一个可靠的等值线追踪算法。网格延展法算法是基于等值线插值范围在空间上连续分布以及同一等值面在空间上连续分布的特性基础上实现的，从连续面内的一个网格点可以延展到面内的其他所有网格点。延展算法首先是应用到等值线裁剪算法的规避，将等值线的计算限定在是连续分布的范围内(对于有岛的地图，可以作为多个插值范围来处理)，连续分布的面上从一点开始插值可以延展到所有的点(所有网格点连续分布的特点)直至延展至有特殊标记的边界为止，这样插值计算就在边界内进行，减少计算量的同时还避免了后期边界裁剪计算。延展算法另外使等值线的追踪算法稳定可行，同一类数据(同一等值面内的数据)是连续分布的，那么这一类数据的边界就是要追踪的等值线，于是等值线的追踪就转化为连续区域的提取和连续分布区域的边界提取。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明—降雨等值线边界栅格化图示。

图2为本发明—基于延展法确定插值范围图示。

图3为本发明—降雨等值线重分类图示。

图4为本发明—降雨等值线提取图示。

图5为本发明—北京怀柔区降雨量等值线生成效果。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于网格延展法的降雨等值线构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)数据采集：确定降雨量观测点的空间位置，并采集对应观测点的降雨量；

2)构建计算区域网格：生成降雨等值线之前首先要构建插值计算的网格，网格的范围是容纳降雨等值面的边界和所有的降雨观测点。网格的大小根据实际应用需要来定，一般选取1000*1000的网格大小，网格数目越大生成的等值线越细致，但需要耗费的计算量也越大。网格在计算机程序中是一个二维数组，为了提高运算速度创建整形类型的二维数组来计算，对于非整形的数字可以转换为整形来处理，这样等值线的整体计算速度会更快。实际程序中会构建多个同等大小的数组作为计算过程的辅助数组。

3)生成插值边界(图1)：降雨等值面的结果一般是要叠加到GIS地图上显示的，等值线显示在地图边界范围内，这时候就需要限定等值线的生成范围，传统的等值线算法是在在整个网格范围内生成等值线，后期在用地图边界来裁剪等值线。为了规避复杂的裁剪步骤，网格延展法是先生成插值边界，然后在边界范围内执行插值、追踪等步骤，最终的等值线结果便不用裁剪就是地图边界范围内的等值线。边界地图的边界一般是一组矢量数据，即由矢量的点数据组成的环，地图的边界是不规则的多边形，而所有的等值线应该在这个不规则的多边形中。生成插值边界将矢量数据点构成的边界栅格化，栅格化的边界网格构成一个闭合的区域。

网格插值计算：网格插值是根据观则点数据点对指定区域内的其他网格进行插值计算，网格插值算法有多种，本发明采用反距离加权平均算法作为网格插值算法。反距离加权平均算法首先计算每个雨量站的权重，公式如式(1)：

式中：d_i为插值点到雨量站点的距离，

然后计算插值点值，公式如式(2)：

式中：为插值点的插值结果，Z(X_i，Y_i)为各个雨量站的降雨量值。

在网格插值之前首先要确定要插值的网格范围：这里基于网格延展法来追踪要插值的网格范围。延展法利用需要插值的区域是连续分布的特点，上述生成的栅格边界构成的区域是闭合的，即要插值的点在边界范围内是连续分布的，连续分布的栅格至少和一个区域内的栅格相邻，那么从区域内的一个栅格点就可以遍历到区域内的所有栅格点，图2左图示意从插值区域内(灰色边界表示需要插值的区域)的一个栅格点通过延展法遍历到区域内所有网格点的算法。网格延展法具体操作步骤说明如下：

a)根据边界数据(如来自GIS的地图数据)将对应位置的网格标记为边界网格，将其余网格标记“未搜索”网格，设置两个队列分别存储“待搜索”(需以该网格进行网格延展法搜索)和“待插值”(最终需要进行插值计算和等值线生成的网格)；

b)选取所求等值线区域内任何一个网格作为起始网格，并将该网格加入“待插值”网格队列中；

c)从“待插值”网格队列中选取一个网格，向该网格的四个方向进行搜索，并对这个四个方向的网格标记进行判断，为“待插值”或是“边界”网格则转入地d)步骤，否则将该网格标记为“待插值”，并将该网格加入到“待搜索”队列中；

d)当“待搜索”队列为空时，转入e)步骤，否则从“待搜索”队列中选取一个网格进行c)步骤的操作；

e)输出“待插值”队列的所有网格信息，即所有“待插值”网格点，网格延展法插值网格范围确定算法流程结束。

4)重分类：是将网格插值后的结果数据按照一定条件进行归类，重分类的条件是根据实际需要设定的，本实施方式中按照一定数值范围对插值结果进行分类，如雨量等值面一般按照0mm—10mm，10—20mm，20—30mm以此类推进行分类。重分类算法比较简单，将所有网格遍历一次，按照指定的重分类条件对网格进行重新赋值(如图3)。

5)等值线追踪：等值线追踪是要追踪上述同一分类值所构成的区域的边界，然而这个重分类计算结果组成的区域往往也很不规则，这时可以同样通过网格延展法将该由不规则面构成的等值线提取出来，网格延展法提取等值线的原理和步骤如下：

a)将所有重分类完成的网格标记为“未提取”状态；

b)新建两个队列分别存放“等值线提取成果”和“待搜索”网格队列，选取已经重分类网格的任意一个标记为“未提取”的网格，并记录其重分类的值为x，向其四个方向进行搜索，如果搜索的网格的值也为x且为“未提取”状态,则将搜索到的该网格加入到“等值线提取成果”队列，并标记为“已提取”，同时加入到“待搜索”队列；

c)当“待搜索”队列为空时，转入d)步骤，否则从“待搜索”队列中选取一个网格继续进行b)步骤的操作；

d)将“等值线提取成果”队列的所有网格作为一个等值线面输出；整个重分类结果网格中尚存在“未提取”状态网格时，则从中任取一个“未提取”状态的网格进入步骤b)，否则进入步骤e；

e)输出所有等值线提取结果，网格延展法提取等值线算法计算完成。

基于网格延展法追踪等值线的算法只是对网格的遍历计算，算法容易实现，也避免其他等值线算法因为遇到复杂插值结果引起等值线追踪失败的情况。

6)降雨等值线平滑：由网格数据追踪形成的等值线是梯形的图形效果不好，所以要对追踪形成的等值线进行平滑。等值面的边界平滑算法既要有平滑效果，还要保证平滑后的等值线之间不相交，本发明使用一种简单的平滑算法，可以消除边界梯形，也可以保证等值线的边界平滑后不相交，满足大多数场合对等值线平滑的要求。降雨等值线的平滑算法的是逐段将等值线的每个边的中点依次连接起来，形成一个新的环，新的环从视觉上显得更加平滑。

通常的等值线算法中等值线边界追踪和等值面裁剪在算法实现上比较复杂，等值线追踪时往往因为数据的分布不规律而出现等值线追踪发生偏差，等值线裁剪因为计算量大影响等值线的生成速度。网格延展法是一种新的降雨等值线算法，通过网格延展算法实现插值以及插值范围的控制，生成降雨等值线过程中不会因为数据分布不规律而发生等值线追踪错误，而避免了边界裁剪计算减少了降雨等值线生成的计算量和降低了降雨等值线算法的难度。网格延展法生成降雨等值线使得整个降雨等值线计算过程变得简单，数据计算上基本是对二维数组的操作，并且可以通过多种计算机语言来实现。

使用网格外延方法进行等值线计算，避免数据分布不规律导致的等值线发生偏差。

使用网格外延方法进行降雨等值线计算，使得降雨等值线算法变得简单易行，数据操作主要涉及二维数组的操作，算法可以使用多种语言实现，可以有较广泛的应用范围。

使用网格外延方法进行降雨等值线计算避免复杂的降雨等值线裁剪算法，使的降雨等值线裁剪更加简单和快速。

实施例2

实施例1中基于网格延展法的降雨等值线构建方法应用于2017年至2018年的全国山洪灾害监测预警系统中使用，部署数量超过100个，算法程序运行稳定，降雨等值线计算结果合理(如图5的北京市怀柔区山洪灾害监测预警系统的等值线效果图)。

上述的实施方式仅是本发明的部分体现，并不能涵盖本发明的全部，在上述实施例以及附图的基础上，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下可获得更多的实施方式，因此这些不付出创造性劳动的前提下获得的实施方式均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于网格延展法的降雨等值线构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)降雨数据采集：确定降雨量观测点的空间位置，并采集对应观测点的降雨量；

2)构建计算区域网格：在生成降雨等值线之前先构建插值计算的网格，网格的范围是容纳降雨等值面的边界和所有的降雨量观测点；

3)网格插值：包括生成插值边界、网格插值计算、要插值的网格范围的确定；

生成插值边界：降雨等值面的结果叠加到GIS地图上显示，生成插值边界将矢量数据点构成的地图边界栅格化，栅格化的边界网格构成一个闭合的区域；

网格插值计算：根据观测点数据对指定区域内的其他网格进行插值计算，采用反距离加权平均算法作为网格插值算法；

要插值的网格范围的确定：基于网格延展法来追踪要插值的网格范围；

4)重分类：将网格插值后的结果数据进行归类；

5)等值线追踪：追踪上述同一分类所构成的不规则区域的边界，通过延展法提取不规则面，求不规则面的外切；

6)降雨等值线平滑：逐段将等值线的每个边的中点依次连接起来，形成一个新的环。

2.根据权利要求1所述的基于网格延展法的降雨等值线构建方法，其特征在于：步骤2)中，选取1000*1000的网格；在计算机程序中，对于网格二维数据组，创建整形类型的二维数组来计算，对于非整形的数字转换为整形来处理，构建多个同等大小的数组作为计算过程的辅助数组。

3.根据权利要求1所述的基于网格延展法的降雨等值线构建方法，其特征在于：步骤3)中反距离加权平均算法的具体计算步骤为：

首先计算每个雨量观测点的权重λ_i，公式如式(1)：

式中：d_i为插值点到雨量观测点的距离，

然后计算插值点值，公式如式(2)：

式中：为插值点的插值结果，Z(X_i，Y_i)为各个雨量站的降雨量值。

步骤3)中基于网格延展法来追踪要插值的网格范围：上述生成的等值线边界构成的区域是闭合的，即要插值的点在边界范围内是连续分布的，连续分布的每个栅格至少和区域内的某一栅格相邻，从区域内的任何一个栅格点可以通过网格延展法遍历到区域内的所有栅格点。

4.根据权利要求3所述的基于网格延展法的降雨等值线构建方法，其特征在于：网格延展法具体算法，步骤如下：

a)根据边界数据将对应位置的网格标记为边界网格，将其余网格标记“未搜索”网格，设置两个队列分别存储“待搜索”和“待插值”；

b)选取所求等值线区域内任何一个网格作为起始网格，并将该网格加入“待插值”网格队列中；

c)从“待插值”网格队列中选取一个网格，向该网格的四个方向进行搜索，并对这个四个方向的网格标记进行判断，为“待插值”或是“边界”网格则转入d)步骤，否则将该网格标记为“待插值”，并将该网格加入到“待搜索”队列中；

d)当“待搜索”队列为空时，转入e)步骤，否则从“待搜索”队列中选取一个网格进行c)步骤的操作；

e)输出“待插值”队列的所有网格信息，即所有“待插值”网格点，网格延展法插值网格范围确定算法流程结束。

5.根据权利要求1所述的基于网格延展法的降雨等值线构建方法，其特征在于：步骤4)按照数值范围对插值结果进行重分类。