CN109815611A - 一种基于数字流域的流域边界生成方法 - Google Patents

一种基于数字流域的流域边界生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字流域的流域边界生成方法，首先基于数字高程模型数据DEM计算水流方向矩阵；根据水流方向矩阵，计算集水面积；生成水系和单元；生成流域边界；流域边界与降雨预报图叠加得到流域降雨量预报数值。本发明通过DEM模型方式提取流域边界，精确绘制了水电站所在流域，使天气预报图中流域范围可视化，实现流域区域内来水的准确预测。

Description

一种基于数字流域的流域边界生成方法
技术领域
本发明属于水文技术领域，具体涉及一种基于数字流域的流域边界生成方法。
背景技术
降雨是水电企业产生效益的重要影响因素之一，而未来降雨预报是梯级水库优化调度决策的主要依据。中央气象台每日滚动发布的未来24～168小时降水预报是面向公众的社会服务产品，其作为中国最高水平的气象产品，对水库调度具有很强指导意义，但并没有针对水电企业的专业服务，没有针对流域进行边界划分，流域区域(边界)不明确导致专业人员、非专业人员只能凭经验判断降雨区域，即无法准确判断降雨是否在流域区域内。流域区域降雨预报不准确会影响到来水预测，引起发电方式安排不科学合理等一系列问题，无法满足水电精益化调度分析的需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于数字流域的流域边界生成方法，实现流域区域内来水的准确预测。
本发明采用如下技术方案，一种基于数字流域的流域边界生成方法，具体步骤如下：
1)基于数字高程模型数据(Digital Elevation Model，DEM)计算水流方向矩阵；
2)根据水流方向矩阵，计算集水面积；
3)生成水系和单元；
4)生成流域边界；
5)流域边界与降雨预报图叠加得到流域降雨量预报数值。
优选地，在所述步骤1)之前对数字高程模型数据DEM进行预处理，具体为预先对数字高程模型数据DEM进行填洼处理，得到无洼地的数字高程模型数据DEM。
优选地，所述步骤1)计算水流方向矩阵的方法为，利用D8算法计算水流的路径及方向，得到与DEM维数相同的水流方向矩阵，具体包括以下步骤：
11)将中心像元的八邻域像元编码，所述八邻域像元编码用于表示水流方向；
12)根据中心像元及八邻域像元的高程关系，计算下降方向，公式为为:
其中，z为邻域像元的高程；value为中心像元的高程；distance表示像元中心之间的距离；
下降方向最大值即为最陡下降方向；
若八邻域像元中存在多个最陡下降方向，则扩大相邻像元范围，直至得到唯一最陡下降方向为止；
13)利用最陡下降方向对应的像元中的编码对输出像元进行赋值，最终得到与DEM维数相同的水流方向矩阵。
优选地，所述步骤2)中计算集水面积的方法为：根据水流方向矩阵计算得出汇流累积量，即上游累积集水面积，每个像元的汇流累积量表示最终汇流经过像元的上游像元的水量，具体方法如下：
依次遍历水流方向矩阵的像元，若当前像元的八邻域像元中没有流入的水流，则当前像元的汇流累积量为零，即当前像元的输出值为零；如果当前像元的八邻域像元中存在汇入方向的水流，则根据分配的水量权重叠加计算汇流累积量，作为当前像元的输出值；
最终获得当前区域中每个像元的汇流累积量，形成汇流累积量矩阵，即为集水面积矩阵。
优选地，所述步骤3)中生成水系和单元的方法为：
在集水面积矩阵中，大于预设的面积阈值的像元为河道，在集水面积矩阵上标注出河道的位置，生成河流网络栅格；
细化河流网络栅格，直到留下彼此连通的由单个栅格点组成的图形；
细化后的河流网络栅格即为骨架栅格，从骨架栅格的西北角开始，根据八邻域进行搜索，依次跟踪相邻栅格，将栅格点转换为矢量点坐标序列并连线，得到矢量化的水系，水系间的分水岭构成单元。
优选地，所述步骤4)中生成流域边界的方法为：确定一个流域出水口，即集水区的最低点，结合水流方向矩阵，从出水口开始遍历每个像元的八邻域，寻找水流方向流向当前像元的邻域单元，记为当前像元的上游像元；
以上游像元继续向上游逐层搜索，直到某一层上游像元的八邻域均不流向当前像元时停止；
最终生成一个栅格流域的包围圈，即流域边界。
优选地，所述步骤5)的方法具体为，设定流域边界投影方式与降雨预报图的投影方式相同，将流域边界与降雨预报图叠加，确定落在流域边界内的格点，获取格点降雨预报数值，从而计算出流域降雨量预报数值。
发明所达到的有益效果：本发明是一种基于数字流域的流域边界生成方法，实现流域区域内来水的准确预测。本发明采用DEM模型方式提取流域边界，精确绘制了水电站所在流域，使天气预报图中流域范围可视化，提高精益调度气象支持信息的准确性，来水预测精度提高，能够用于指导水库调度，为水电节水增发创造经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例中一种中心像元的八邻域像元编码方式示意图；
图2是本发明实施例中一种集水面积计算示意图；
图3是本发明实施例中一种流域边界图；
图4是本发明实施例中一种流域边界与天气预报叠加图。
具体实施方式
下面根据附图并结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1：
一种基于数字流域的流域边界生成方法，具体步骤如下：
1)基于数字高程模型数据DEM计算水流方向矩阵；
2)根据水流方向矩阵，计算集水面积；
3)生成水系和单元；
4)生成流域边界；
5)流域边界与降雨预报图叠加得到流域降雨量预报数值。
实施例2：
在实施例1的基础上，在所述步骤1)之前对数字高程模型数据DEM进行预处理，具体为预先对数字高程模型数据DEM进行填洼处理，得到无洼地的数字高程模型数据DEM。
DEM在离散化过程中的插值误差和采样误差，造成许多洼地(凹陷型洼地和阻挡型洼地)，这些洼地将在水流方向计算时，造成有些水不能流出流域边界，从而产生很大的误差或不能计算出合理的结果。流域信息的提取需要高质量的DEM，要求没有坑和坝，需要对DEM进行预处理，即对原始的DEM进行填洼处理，得到无洼地的DEM。
填洼过程是对DEM进行地表面水流动的模拟，假设有无限量的降水，雨水不断在地表形成径流，由于洼地是在周边地形中无水流方向的像元，则可以根据水流方向判断出洼地的位置，继而将凹陷处填平。通过不断地迭代，即填平之后再次判断是否存在洼地，如果存在则继续填洼处理，直到设定高程阈值(判断洼地的高程差)内所有的洼地填充完成。
作为一种较佳的实施例，所述步骤1)计算水流方向矩阵的方法为，利用D8算法计算水流的路径及方向，得到与DEM维数相同的水流方向矩阵，具体包括以下步骤：
11)将中心像元的八邻域像元编码，所述八邻域像元编码用于表示水流方向，如图1所示；每个水流方向(水流离开中心像元的指向)都有固定的编码，以编码矩阵表示该区域水流的方向；
12)根据中心像元及八邻域像元的高程关系，计算下降方向，公式为为:
其中，z为邻域像元的高程；value为中心像元的高程；distance表示像元中心之间的距离；如果像元大小为1，则两个正交像元之间的距离为1，两个对角线像元之间的距离为
下降方向最大值即为最陡下降方向；
若八邻域像元中存在多个最陡下降方向，则扩大相邻像元范围，直至得到唯一最陡下降方向为止；
水流方向的连线即为水流路径；
13)利用最陡下降方向对应的像元中的编码对输出像元进行赋值，最终得到与DEM维数相同的水流方向矩阵。
优选地，所述步骤2)中计算集水面积的方法为：根据水流方向矩阵计算得出汇流累积量，即上游累积集水面积，每个像元的汇流累积量表示最终汇流经过像元的上游像元的水量，具体方法如下：
依次遍历水流方向矩阵的像元，若当前像元的八邻域像元中没有流入的水流，则当前像元的汇流累积量为零，即当前像元的输出值为零；如果当前像元的八邻域像元中存在汇入方向的水流，则根据分配的水量权重叠加计算汇流累积量，作为当前像元的输出值；所述水量权重可以缺省，缺省值为1，即认为以规则格网表示的数字高程模型的每个单元都有一个单位的水量。
最终获得当前区域中每个像元的汇流累积量，形成汇流累积量矩阵，即为集水面积矩阵，如图2所示。
高流量的单元是集中流动区域，汇流累积的数值越大，该区域越容易形成地表径流。因此集水面积的计算可用于识别河道。
优选地，所述步骤3)中生成水系和单元的方法为：
在集水面积矩阵中，大于预设的面积阈值的像元为河道，在集水面积矩阵上标注出河道的位置，生成河流网络栅格；本实施例中面积阈值设置为38841。
细化河流网络栅格，直到留下彼此连通的由单个栅格点组成的图形；
所述细化河流网络栅格具体为从曲线的边缘开始，每次剥掉一个栅格宽的一层，直到留下彼此连通的由单个栅格点组成的图形。
细化后的河流网络栅格即为骨架栅格，从骨架栅格的西北角开始，根据八邻域进行搜索，依次跟踪相邻栅格，将栅格点转换为矢量点坐标序列并连线，得到矢量化的水系，水系间的分水岭构成单元。
优选地，所述步骤4)中生成流域边界的方法为：确定一个流域出水口，即集水区的最低点，结合水流方向矩阵，从出水口开始遍历每个像元的八邻域，寻找水流方向流向当前像元的邻域单元，记为当前像元的上游像元；
以上游像元继续向上游逐层搜索，直到某一层上游像元的八邻域均不流向当前像元时停止；
最终生成一个栅格流域的包围圈，即流域边界，如图3所示。
优选地，所述步骤5)的方法具体为，设定流域边界投影方式与降雨预报图的投影方式相同，将流域边界与降雨预报图叠加，确定落在流域边界内的格点，获取格点降雨预报数值，从而计算出流域降雨量预报数值。
中央气象台降雨量预报图每日8点、20点各更新一次。采用自动下载程序每隔半小时刷新、下载新的预报图至本地文件夹。
将生成好的流域边界与降雨量预报图叠加，设定流域边界投影方式(与中央气象台降雨量预报图采用同样的投影方式)，将流域边界与降雨预报图叠加，如图4所示，确定落在流域边界内的格点，获取格点降雨预报数值，从而计算出流域降雨量预报数值。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；应当指出：对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于数字流域的流域边界生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)基于数字高程模型数据DEM计算水流方向矩阵；
2)根据水流方向矩阵，计算集水面积；
3)生成水系和单元；
4)生成流域边界；
5)流域边界与降雨预报图叠加得到流域降雨量预报数值。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字流域的流域边界生成方法，其特征在于，在所述步骤1)之前对数字高程模型数据DEM进行预处理，具体为预先对数字高程模型数据DEM进行填洼处理，得到无洼地的数字高程模型数据DEM。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字流域的流域边界生成方法，其特征在于，所述步骤1)计算水流方向矩阵的方法为，利用D8算法计算水流的路径及方向，得到与DEM维数相同的水流方向矩阵，具体包括以下步骤：
11)将中心像元的八邻域像元编码，所述八邻域像元编码用于表示水流方向；
12)根据中心像元及八邻域像元的高程关系，计算下降方向，公式为为:
其中，z为邻域像元的高程；value为中心像元的高程；distance表示像元中心之间的距离；
下降方向最大值即为最陡下降方向；
若八邻域像元中存在多个最陡下降方向，则扩大相邻像元范围，直至得到唯一最陡下降方向为止；
13)利用最陡下降方向对应的像元中的编码对输出像元进行赋值，最终得到与DEM维数相同的水流方向矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字流域的流域边界生成方法，其特征在于，所述步骤2)中计算集水面积的方法为：根据水流方向矩阵计算得出汇流累积量，即上游累积集水面积，每个像元的汇流累积量表示最终汇流经过像元的上游像元的水量，具体方法如下：
依次遍历水流方向矩阵的像元，若当前像元的八邻域像元中没有流入的水流，则当前像元的汇流累积量为零，即当前像元的输出值为零；如果当前像元的八邻域像元中存在汇入方向的水流，则根据分配的水量权重叠加计算汇流累积量，作为当前像元的输出值；
最终获得当前区域中每个像元的汇流累积量，形成汇流累积量矩阵，即为集水面积矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字流域的流域边界生成方法，其特征在于，所述步骤3)中生成水系和单元的方法为：
在集水面积矩阵中，大于预设的面积阈值的像元为河道，在集水面积矩阵上标注出河道的位置，生成河流网络栅格；
细化河流网络栅格，直到留下彼此连通的由单个栅格点组成的图形；
细化后的河流网络栅格即为骨架栅格，从骨架栅格的西北角开始，根据八邻域进行搜索，依次跟踪相邻栅格，将栅格点转换为矢量点坐标序列并连线，得到矢量化的水系，水系间的分水岭构成单元。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字流域的流域边界生成方法，其特征在于，所述步骤4)中生成流域边界的方法为：确定一个流域出水口，即集水区的最低点，结合水流方向矩阵，从出水口开始遍历每个像元的八邻域，寻找水流方向流向当前像元的邻域单元，记为当前像元的上游像元；
以上游像元继续向上游逐层搜索，直到某一层上游像元的八邻域均不流向当前像元时停止；
最终生成一个栅格流域的包围圈，即流域边界。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字流域的流域边界生成方法，其特征在于，所述步骤5)的方法具体为，设定流域边界投影方式与降雨预报图的投影方式相同，将流域边界与降雨预报图叠加，确定落在流域边界内的格点，获取格点降雨预报数值，从而计算出流域降雨量预报数值。
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