CN111125805B

CN111125805B - 一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法

Info

Publication number: CN111125805B
Application number: CN201911335754.1A
Authority: CN
Inventors: 吴梦琪; 廖卫红; 雷晓辉; 蔡思宇; 王超; 苑瑞芳; 王晓颖; 卢思成; 殷兆凯
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: CN111125805A

Abstract

本发明公开了一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，包括S1、根据实际河道的已知资料生成河网栅格数据；S2、在所述河网栅格数据上任意选择一个定点，并以该定点为圆心，向四周扩展为圆形区域；所述圆形区域即为实际河道的识别区域，并生成所述识别区域的DEM数据分布；S3、根据所述识别区域的DEM数据分布以及河网栅格数据中所选定点的上游河道网格大致流向，推求出假定断面方向；等步骤。优点是：不仅能给出河道断面方向，还能根据河道断面方向处的高程数据勾勒出河道断面形状，可更好地为河道洪水演算，地表水‑地下水耦合模型提供数据支持。

Description

一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法

技术领域

本发明涉及地理信息领域，尤其涉及一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法。

背景技术

河道断面信息在水利工程及水文预报方面都有着广泛的应用，如：流量-水位关系的推求，河道洪水的演算，地表水-地下水耦合模型等，都需要详细的河道断面信息。传统的河道断面信息的提取是依靠人工实地进行测量，然而在一些无资料地区，或者环境较为恶劣的区域实现难度较高，或将耗费大量的人力物力。而对于现在的技术而言，DEM数据、河流流向等信息的获得较为简易；但是，以往基于数字高程模型(DEM)数据进行识别的方法中，仅仅通过对给定点附近的高程数据进行识别虽然可大致判断出断面方向，但是仍存在误差；而且针对河道信息在进行大范围的断面识别中，以往使用计算机进行河道断面的识别方法仅仅考虑研究处的数字高程信息数据，在断面方向识别时误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，所述识别方法包括如下步骤，

S1、根据实际河道的已知资料生成河网栅格数据；

S2、在所述河网栅格数据上任意选择一个定点，并以该定点为圆心，向四周扩展为圆形区域；所述圆形区域即为实际河道的识别区域，并生成所述识别区域的DEM数据分布；

S3、根据所述识别区域的DEM数据分布以及河网栅格数据中所选定点的上游河道网格大致流向，推求出假定断面方向；

S4、将经过所述定点处假定断面方向的直线沿顺时针和逆时针各旋转设定角度，形成两个对角相等的扇形区域，则此两个扇形区域即为实际河道断面方向所在的区域范围；

S5、识别该区域范围内每个网格的DEM数据，确定实际河道断面方向，并绘制经过所选定点的河道断面形状，即为实际河道的断面形状；

步骤S3具体为，所述定点所在的河网栅格中的网格为目标网格，并根据所述定点所在的河网栅格，获取相对于此目标网格上游的至少三个网格的中心点坐标信息，通过对此三个网格和目标网格的中心点坐标进行最小二乘拟合，生成一条直线，所述直线的延伸方向即代表河网栅格数据中所选定点的上游河道网格大致流向，则所述直线的垂直方向即为定点处的假定断面方向；所述直线的表达式为，

y＝k₁x+b₁

其中，x_i和y_i分别是所述目标网格与其上游n-1个网格的中心点横纵坐标，此处n＝4；

步骤S5具体包括如下步骤，

A、在实际河道断面方向所在的区域范围内识别每个网格的DEM数据，计算每个网格与目标网格的高程差与距离之比，获取高程差与距离之比最大的网格，将该网格与定点的连线方向确定为经过该定点的河道断面方向；每个网格与目标网格的高程差与距离之比计算如下，

其中，α为高程差与距离之比，△Z_OA为任意网格A与定点O之间的高程差，L_OA为任意网格A的中心点与定点O之间的距离；

B、识别经过上述定点的河道断面方向网格的DEM数据，并计算每个网格的高程差与距离之比；当高程差与距离之比大于临界差值时，则判定坡降增大，实际河道断面进入护坡地段，将高程差与距离之比等于临界差值的临界网格两侧分别定为第一点和第二点，并将所述第一点和第二点与所述定点的距离分别定为第一距离和第二距离，第一点和第二点之间的距离定为实际河道的河床底部宽度；当高程差与距离之比小于临界差值时，则判定超过实际河道的河道断面范围，实际河道断面进入河岸地段，将高程差与距离之比等于临界差值的临界网格两侧分别定为第三点和第四点，并将所述第三点和第四点与所述定点的距离定为第三距离和第四距离，将所述第三点和第四点处的高程分别定为第一高度和第二高度；

C、假设实际河道的断面为梯形断面，则根据所述第一距离、第二距离、河床底部宽度、第三距离、第四距离、第一高度和第二高度，即可绘制实际河道的断面形状。

优选的，所述已知资料为实际河道的相关基础数据，包括河网矢量数据和河网DEM数据。

优选的，步骤S1具体为，根据所述河网矢量数据和所述河网DEM数据，在ArcGIS软件中转换为单位为1Km的河网栅格数据。

优选的，步骤S2中，所述圆形区域的半径为1Km，将所述圆形区域作为实际河道识别区域，并使用该圆形区域对所述河网DEM数据进行裁剪，获取识别区域的DEM数据分布。

优选的，步骤S4中的所述设定角度为10°。

优选的，所述临界差值为0.25。

本发明的有益效果是：1、本发明基于分布式水文模型、流域地理信息系统(GIS)环境和平台，通过对目标区域的数字高程模型(DEM)数据进行识别，判断出河流的流向及断面方向，再根据断面处的DEM数据勾勒出大致河流断面形状；该方法的整个过程主要由计算机进行处理，人工干预少，效率高，可进行大范围的河道断面识别工作，为水利工程或水文模拟方面提供更好的数据支持。2、本发明根据上游的河流网格的方向大致判断断面方向，并圈出一个可控范围，在此范围内继续识别，更能精确地判断出河道断面方向，也减少了对定点附近高程识别的工作量，大大提高了工作效率。3、本发明不仅能给出河道断面方向，还能根据河道断面方向处的高程数据勾勒出河道断面形状，可更好地为河道洪水演算，地表水-地下水耦合模型提供数据支持；相较于现有的使用计算机进行河道断面的识别方法，更适合用来进行河道断面信息的提取。

附图说明

图1是本发明实施例中识别方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中实际河道的局部河网栅格图；

图3是本发明实施例中初始断面方向的区域范围示意图；

图4是本发明实施例中实际河道的断面形状；

图5是本发明实施例中实际河道的实际断面形状。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示，本实施例中提供了一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，所述识别方法包括如下步骤，

S1、根据实际河道的已知资料生成河网栅格数据；

S4、将经过所述定点处假定断面方向的直线沿顺时针和逆时针各旋转设定角度，形成两个对角相等的扇形区域，则此两个扇形区域即为实际河道断面方向所在的区域范围；所述设定角度为10°；

S5、识别该区域范围内每个网格的DEM数据，确定实际河道断面方向，并绘制经过所选定点的河道断面形状，即为实际河道的断面形状。

本实施例中，所述已知资料为实际河道的相关基础数据，包括河网矢量数据和河网DEM数据。首先收集要研究的实际河道的相关基础数据，主要包括河网栅格信息、DEM等，需基于足够的基础数据实现后续的所有工作。

本实施例中，步骤S1具体为，根据所述河网矢量数据和所述河网DEM数据，在ArcGIS软件中转换为单位为1Km的河网栅格数据。所述河网栅格数据的网格尺度为30m。

本实施例中，步骤S2中，所述圆形区域的半径为1Km，将所述圆形区域作为实际河道识别区域，并使用该圆形区域对所述河网DEM数据进行裁剪，获取识别区域的DEM数据分布。

本实施例中，步骤S3具体为，所述定点所在的河网栅格中的网格为目标网格，并根据所述定点所在的河网栅格，获取相对于此目标网格上游的至少三个网格的中心点坐标信息，通过对此三个网格和目标网格的中心点坐标进行最小二乘拟合，生成一条直线，所述直线的延伸方向即代表河网栅格数据中所选定点的上游河道网格大致流向，则所述直线的垂直方向即为定点处的假定断面方向；所述直线的表达式为，

y＝k₁x+b₁

k₁＝[n∑(x_iy_i)-(∑x_i∑y_i)]/(n∑x_i ²-∑x_i∑x_i)

其中，x_i和y_i分别是所述目标网格与其上游n-1个网格的中心点横纵坐标，此处n＝4。

如图3所示，本实施例中，步骤S4，将经过所述定点处初始断面方向的直线沿顺时针和逆时针各旋转设定角度，形成两个对角相等的扇形区域，则此两个扇形区域即为实际河道断面方向所在的区域范围；将此区域范围定义精确识别实际河道的断面信息的范围，从而实现缩减工作量，提高效率的目的。

本实施例中，步骤S5具体包括如下步骤，

B、识别经过上述定点的河道断面方向网格的DEM数据，并计算每个网格的高程差与距离之比；当高程差与距离之比大于临界差值(所述临界差值为0.25)时，则判定坡降增大，实际河道断面进入护坡地段，将高程差与距离之比等于临界差值的临界网格两侧分别定为第一点和第二点，并将所述第一点和第二点与所述定点的距离分别定为第一距离和第二距离，第一点和第二点之间的距离定为实际河道的河床底部宽度；当高程差与距离之比小于临界差值时，则判定超过实际河道的河道断面范围，实际河道断面进入河岸地段，将高程差与距离之比等于临界差值的临界网格两侧分别定为第三点和第四点，并将所述第三点和第四点与所述定点的距离定为第三距离和第四距离，将所述第三点和第四点处的高程分别定为第一高度和第二高度。

其中，识别经过上述定点的河道断面方向网格的DEM数据的具体识别过程为，由定点所在的网格沿着河道断面方向逐渐向两侧识别。

C、假设河道的断面为梯形断面，则根据所述第一距离、第二距离、河床底部宽度、第三距离、第四距离、第一高度和第二高度，即可绘制实际河道的断面形状。

如图4和图5所示，本实施例中，第一点、第二点、第三点、第四点分别为B1、B2、C1、C2；第一点和第二点的距离为L_B12，即为实际河道的河床底部宽度；第一距离、第二距离、第三距离、第四距离分别为L_OB1、L_OB2、L_OC1、L_OC2；第一高度和第二高度即为Z_C1、Z_C2；即可根据上述各数据绘制实际河道的断面形状。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，本识别方法基于分布式水文模型、流域地理信息系统(GIS)环境和平台，通过对目标区域的数字高程模型(DEM)数据进行识别，判断出河流的流向及断面方向，再根据断面处的DEM数据勾勒出大致河流断面形状；该方法的整个过程主要由计算机进行处理，人工干预少，效率高，可进行大范围的河道断面识别工作，为水利工程或水文模拟方面提供更好的数据支持；本识别方法根据上游的河流网格的方向大致判断断面方向，并圈出一个可控范围，在此范围内继续识别，更能精确地判断出河道断面方向，也减少了对定点附近高程识别的工作量，大大提高了工作效率；本事别方法不仅能给出河道断面方向，还能根据河道断面方向处的高程数据勾勒出河道断面形状，可更好地为河道洪水演算，地表水-地下水耦合模型提供数据支持；相较于现有的使用计算机进行河道断面的识别方法，更适合用来进行河道断面信息的提取。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，其特征在于：所述识别方法包括如下步骤，

S1、根据实际河道的已知资料生成河网栅格数据；

y＝k₁x+b₁

步骤S5具体包括如下步骤，

2.根据权利要求1所述的基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，其特征在于：所述已知资料为实际河道的相关基础数据，包括河网矢量数据和河网DEM数据。

3.根据权利要求2所述的基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，其特征在于：步骤S1具体为，根据所述河网矢量数据和所述河网DEM数据，在ArcGIS软件中转换为单位为1Km的河网栅格数据。

4.根据权利要求3所述的基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，其特征在于：步骤S2中，所述圆形区域的半径为1Km，将所述圆形区域作为实际河道识别区域，并使用该圆形区域对所述河网DEM数据进行裁剪，获取识别区域的DEM数据分布。

5.根据权利要求1所述的基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，其特征在于：步骤S4中的所述设定角度为10°。

6.根据权利要求1所述的基于数字高程模型和河流流向的无资料地区河道断面信息识别方法，其特征在于：所述临界差值为0.25。