CN109325084A - 一种基于gis的河网图生成方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于GIS的河网图生成方法，所述方法包括基于地表汇流的河网提取和河网分级方法，其中，所述河网提取方法包括：DEM洼地预处理、栅格流向判断、上游集水面积累计、河段识别、河道与边界要素矢量化、地形参数统计。所述的河网分级方法包括Strahler方法和Shreve方法。本发明结合全球河流信息系统，根据其提供的基础地理信息的全球河网数据、河道断面数据、河道边界条件数据等生成高精度的河网图，为相关人员提供一个直观、逼真的决策环境。
Description
技术领域
本发明涉及计算机应用技术领域，特别是涉及一种基于GIS的河网图生成方法。
技术背景
在世界各地分布着众多河流,在陆地上伸展蜿蜒,最后流入大海,犹如"大地的血管",不仅承载着全球的水文循环,更带动着全球水气的循环，环境的变化，生态的演变过程。河网是流域中物质能量的输移和耗散通道，是流域中众多河流入汇的拓扑结构。河网的形态揭示了流域地貌的形态特征和发展阶段，河网的统计参数被用作所处流域地貌结构的指标参数。这种参数的内在规律既反映了河网发育的随机性和规律性，也给出了河流作为物质输移通道的基本特征。随着科技的不断进步，地理信息系统(geographic informationsystem，GIS)技术逐渐成为对大流域进行研究的关键技术。
现如今已有结合GIS技术的海洋图，如基于GIS的海洋环境信息数据库在海洋环境可视化分析中的应用，实现了对海洋检测数据的管理，通过对无机氮的分析可以发现，加强了针对性的数据分析功能。空间可视化的查询时空分析，大大方便了对海洋检测数据的分析功能。但是这仅仅解决了数据采集与管理方面的问题，不能全面有效的解决水环境保护的问题。
为有效的解决上述问题，在GIS河网图上实时反应河流健康状态，展现上报的问题图片、视频等的结果反馈，查阅事件发生记录及辖区河长处理进度等，直观展示现场问题。
GIS河网图进行分级显示，并附带河流水文信息、水文站信息、流域重要水利水电工程、生态工程、主要交通、村镇、污染源等信息，河流主要监管要素、重点监控对象信息，及河流不同级别的河长信息、联系方式、河流健康状况等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于GIS的河网图生成方法，GIS河网图使用的关键技术为WebGIS技术，实现GIS一张图。结合全球河流信息系统，根据其提供的基础地理信息的全球河网数据、河道断面数据、河道边界条件数据等生成高精度的河网图。一种GIS河网图的生成方法，一般包括河流提取和河网分级。河流提取方法分为两类:一类是基于高等线和谷线以及图像识别的地貌学方法，另一类是基于水文模拟的地表汇流方法。基于水文模拟的地表汇流方法符合径流运动的物理过程，所以GIS河网图中运用此方法。
具体的，一种GIS河网图的生成方法，其特征在于：
所述方法包括基于地表汇流的河网提取和河网分级方法，
其中，所述河网提取方法主要包括六个步骤:
步骤1：DEM洼地预处理。
步骤2：栅格流向判断。
步骤3：上游集水面积累计。
步骤4：河段识别。
步骤5：河道与边界要素矢量化。
步骤6：地形参数统计。
其中，所述的河网分级方法是一种将级别数分配给河流网络中的连接线的方法。此级别是一种根据支流数对河流类型进行识别和分类的方法。仅需知道河流的级别，即可推断出河流的某些特征。河网分级工具有两种可用于分配级别的方法。这两种方法由Strahler和Shreve提出。在两种方法中，始终将1级分配给上游河段(又称外连接线)。其特征在于：
所述Strahler法，所有没有支流的连接线都被分为1级，它们称为第一级别。当级别相同的河流交汇时，河网分级将升高。因此，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，两条二级连接线相交会创建一条三级连接线，以此类推。但是，级别不同的两条连接线相交不会使级别升高。例如，一条一级连接线和一条二级连接线相交不会创建一条三级连接线，但会保留最高级连接线的级别。
所述Shreve法，是考虑网络中的所有连接线，与Strahler法相同，所以外连接线都被分为1级。但对于Shreve法中的内连接线，级别是增加的。例如，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，一条一级；连接线和一条二级连接线相交会创建一条三级连接线，而一条二级连接线和一条三级连接线相交则会创建一条五级连接线。本发明的有益效果是：GIS河网图通过上报问题及报警提示方式，查阅事件发生记录及辖区河长处理进度等，直观展示现场问题，实时反应了河流健康状态，大大方便了水环境的有效监测。
附图说明
图1为本发明实施例中一种GIS河网图的实现方法的河网提取方法框架图；
图2为本发明实施例中一种GIS河网图的实现方法的河网分级工作流程图；
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种GIS河网图的生成方法，GIS河网图使用的关键技术为WebGIS技术，实现GIS一张图。结合全球河流信息系统，根据其提供的基础地理信息的全球河网数据、河道断面数据、河道边界条件数据等生成高精度的河网图。
一种GIS河网图的生成方法，包括河网提取方法和河网分级方法。其中，河网提取是通过水文模拟地表汇流的方法获得河道。河网分级是一种将级别数分配给河流网络中的连接线的方法。
其中，所述的河网提取方法分为两类:一类是基于高等线和谷线以及图像识别的地貌学方法，另一类是基于水文模拟的地表汇流方法。基于水文模拟的地表汇流方法符合径流运动的物理过程，所以GIS河网图中运用此方法。
请参考图1，图1为本发明实施例中一种GIS河网图的实现方法的河网提取方法框架图。其具体实施过程为：
步骤1：DEM洼地预处理。在进行水文数据分析之前，通过ArcGIS软件中的Fill工具将DEM中存在一些凹陷区域的洼地填平，从而确保所有栅格中的“水流”都能汇流到流域出水口。
步骤2：栅格流向判断。采用的方法是单流向的D8法。在ArcGIS中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码(D8算法)，来确定水流方向。水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定的，距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果高程差为正值，则为流出；负值则为流入。
步骤3：上游集水面积累计。为加快统计速率，将栅格高程最大值到最小值进行排序，然后按着排序依次统计计算。
步骤4：河段识别及河网建立。采用集水面积阈值的方法，在DEM中的斜坡上可以寻找斜坡由凸形向凹形转折出现的临界区域，该临界区域确定了河网的界限。聚集水面积阈值发生变化时，河网密度变化趋于平缓时，此时的集水面积阈值最合理。步骤5：河道与边界要素矢量化。运用得到的栅格标记，将对整个栅格图层执行自动矢量化，这也是默认情况下的操作方式。可以使用ArcScan提供的其他工具来指定仅将栅格数据中用户定义的部分执行矢量化。还可以利用单元选择工具，将其与“生成要素”命令结合使用，以将矢量化范围仅限定于当前所选的栅格单元。
步骤6：地形参数统计。在ArcGIS中根据高程点、等高线矢量数据等生成TIN，在由生成的TIN转换成DEM，在DEM中将子流域的坡面栅格划分为左坡，右坡和源坡栅格，这样就可以统计对应坡面的地形参数。
在步骤1填洼预处理过程中，需要通过ArcGIS软件中的Fill工具将DEM中存在一些凹陷区域的洼地填平，然后可提前对所有DEM栅格根据其高程大小进行排序，并将其转化为栅格链表，用于存储排序后的栅格序列。栅格的排序有利于步骤3的进行。在进行步骤2中判断栅格的流向。A通过ArcGIS技术将中心栅格的8个邻域栅格编码(D8算法)，来确定水流方向，将确定好水流流向后继续下一步。步骤3逐步累积栅格的上游集水面积。然后，步骤4可采用集水面积阈值法识别河道栅格，确定合理的集水面积阈值。可以利用默认自动矢量化方法来进行步骤5，对于其余指定的栅格数据可采用ArcScan提供的工具来执行矢量化。在步骤6中，每个子流域的坡面栅格将被进一步划分并标记为左坡，右坡或源坡栅格，同时统计对应的坡面地形参数以及相关河道参数。
通过GIS技术结合水文模拟地表汇流的方法将河流流向及流量显示出。河流提取后的河网图可直观的展示现场问题。
其中，所述河网分级方法是一种根据支流数对河流类型进行识别和分类的方法。仅需知道河流的级别，即可推断出河流的某些特征。河网分级工具有两种可用于分配级别的方法。这两种方法由Strahler和Shreve提出。在两种方法中，始终将1级分配给上游河段(又称外连接线)。其特征在于：
所述Strahler法，所有没有支流的连接线都被分为1级，它们称为第一级别。当级别相同的河流交汇时，河网分级将升高。因此，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，两条二级连接线相交会创建一条三级连接线，以此类推。但是，级别不同的两条连接线相交不会使级别升高。例如，一条一级连接线和一条二级连接线相交不会创建一条三级连接线，但会保留最高级连接线的级别。
所述Shreve法，是考虑网络中的所有连接线，与Strahler法相同，所以外连接线都被分为1级。但对于Shreve法中的内连接线，级别是增加的。例如，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，一条一级；连接线和一条二级连接线相交会创建一条三级连接线，而一条二级连接线和一条三级连接线相交则会创建一条五级连接线。
请参考图2，图2为本发明实施例中一种GIS河网图的实现方法的河网分级工作流程图。其具体实施过程为:创建无凹陷DEM是流向处理操作过程中所需的输入，在创建时将重复进行汇的识别与移除。在栅格数据中有许多分析数据，创建好无凹陷DEM后，进行栅格数据流向分析，之后进行流量分析。将分析得到的数据运用条件函数，选出符合阀值流量栅格。通过筛选出的符合阀值流量栅格，创建河流数据，两个相邻交汇点的河流将被相连接，之后进行河流链接分析。根据分析得到的河流数据进行河网分级，最后栅格河流矢量化。
以上所述是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种GIS河网图的生成方法，其特征在于，所述方法包括河网提取方法和河网分级方法；其中，河网提取是通过水文模拟地表汇流的方法获得河道。河网分级是一种将级别数分配给河流网络中的连接线的方法。
2.如权利要求1所述的一种GIS河网图的生成方法，其中，所述河网提取方法主要包括六个步骤:
步骤1：DEM洼地预处理。
步骤2：栅格流向判断。
步骤3：上游集水面积累计。
步骤4：河段识别。
步骤5：河道与边界要素矢量化。
步骤6：地形参数统计。
3.如权利要求1所述的一种GIS河网图的生成方法，其中，所述的河网分级方法是一种将级别数分配给河流网络中的连接线的方法。此级别是一种根据支流数对河流类型进行识别和分类的方法。仅需知道河流的级别，即可推断出河流的某些特征。河网分级工具有两种可用于分配级别的方法。这两种方法包括Strahler方法和Shreve方法。
4.如权利要求3所述的一种GIS河网图的生成方法，其中，所述Strahler法，所有没有支流的连接线都被分为1级，它们称为第一级别。当级别相同的河流交汇时，河网分级将升高。因此，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，两条二级连接线相交会创建一条三级连接线，以此类推。但是，级别不同的两条连接线相交不会使级别升高；
所述Shreve法，是考虑网络中的所有连接线，与Strahler法相同，所以外连接线都被分为1级。但对于Shreve法中的内连接线，级别是增加的。例如，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，一条一级；连接线和一条二级连接线相交会创建一条三级连接线，而一条二级连接线和一条三级连接线相交则会创建一条五级连接线。
5.如权利要求2所述的一种GIS河网图的生成方法，其中，具体的步骤为：
步骤1：DEM洼地预处理。在进行水文数据分析之前，通过ArcGIS软件中的Fill工具将DEM中存在一些凹陷区域的洼地填平，从而确保所有栅格中的“水流”都能汇流到流域出水口。
步骤2：栅格流向判断。采用的方法是单流向的D8法。在ArcGIS中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码(D8算法)，来确定水流方向。水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定的，距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果高程差为正值，则为流出；负值则为流入。
步骤3：上游集水面积累计。为加快统计速率，将栅格高程最大值到最小值进行排序，然后按着排序依次统计计算。
步骤4：河段识别及河网建立。采用集水面积阈值的方法，在DEM中的斜坡上可以寻找斜坡由凸形向凹形转折出现的临界区域，该临界区域确定了河网的界限。聚集水面积阈值发生变化时，河网密度变化趋于平缓时，此时的集水面积阈值最合理。
步骤5：河道与边界要素矢量化。运用得到的栅格标记，将对整个栅格图层执行自动矢量化，这也是默认情况下的操作方式。可以使用ArcScan提供的其他工具来指定仅将栅格数据中用户定义的部分执行矢量化。还可以利用单元选择工具，将其与“生成要素”命令结合使用，以将矢量化范围仅限定于当前所选的栅格单元。
步骤6：地形参数统计。在ArcGIS中根据高程点、等高线矢量数据等生成TIN，在由生成的TIN转换成DEM，在DEM中将子流域的坡面栅格划分为左坡，右坡和源坡栅格，这样就可以统计对应坡面的地形参数。
6.如权利要求4所述的一种GIS河网图的生成方法，其中，河网分级方法具体实施过程为:创建无凹陷DEM是流向处理操作过程中所需的输入，在创建时将重复进行汇的识别与移除。在栅格数据中有许多分析数据，创建好无凹陷DEM后，进行栅格数据流向分析，之后进行流量分析。将分析得到的数据运用条件函数，选出符合阀值流量栅格。通过筛选出的符合阀值流量栅格，创建河流数据，两个相邻交汇点的河流将被相连接，之后进行河流链接分析。根据分析得到的河流数据进行河网分级，最后栅格河流矢量化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190212 |