CN112017282A - 面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，通过考虑断面所在空间网格单元与其他网格单元的流向隶属关系，划分断面上游和空间网格边界，在剔除目标水域覆盖区的基础上，以此为边界提取集水区河网系，能根据认为设定的河流、湖泊、水库目标水域断面，灵活地提取断面上游的集水边界和河网，明确断面水文影响方位；同时借助Python3语言的开发环境，代码结构简单，操作方便，是自动化提取指点断面集水区河网水系，划分集水单元的一种有效方法。
Description
技术领域
本发明涉及水文水资源、地理信息系统领域，更具体的，涉及一种面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法。
背景技术
数字高程模型(Digital Elevation Model)，简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)。基于DEM提取的地表水系是大多数水文模型的主要输入，也是流域水资源开发利用、防灾减灾和生态环境保护的基础支撑。在实际应用过程中，流域边界和水系提取分别依据流向和流量隶属关系实现，根据流域完整闭合的原则，流域划分必须以完整的集水边界为单元，流域边界的倾泻点(出口)多为自动捕捉得到，流域之间的边界是相对固定不变的。然而实际工作中，如专利CN2012103211128公开的基于大数据量DEM数据的子流域划分方法，其需要明确某一断面上游的集水区域或水体污染物来源可能范围，即准确划分指定断面上游的流域边界和河网水系。其次，常规基于DEM提取水系算法对数据要求严格，当存在DEM数据临近像元值无变化或精度粗糙时，流域边界、水系提取存在平行、交叉等错误情况，尤其是水域覆盖区。
发明内容
本发明为解决现有的基于DEM提取水系算法需要准确划分指定断面上游的流域边界和河网水系，存在对数据要求严格且容易出错的技术缺陷，提供一种面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法。
为实现以上发明目的，而采用的技术手段是：
面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，包括以下步骤：
S1：将栅格DEM文件.tiff和矢量shape文件.shp为输入数据，利用开源的python语言包库分别读取DEM数据和矢量计算区域矩形边界以及目标水域数据；
S2：统一输入数据的坐标系统，对所有输入数据设置成WGS84地理坐标系，避免因坐标系不一致产生后续空间计算边界不一致的问题；
S3：为缩小未知目标水域断面提取的计算范围，设定目标水域的矩形边界缓冲区(.shp)为计算区域；读取目标水域数据的矩形边界后设置缓冲区距离，得到目标水域粗略的集水区范围；
S4：采用格网化方法对其进行填洼计算、流向计算、累积流量计算过程，设置流量阈值，提取完整的水系和各集水单元边界，初步计算出流域水系栅格，并划分出多个集水单元；
S5：通过流域水系栅格、集水单元和目标水域进行空间叠加与融合，将目标水域属性赋给重叠的栅格水系，依据属性字段将目标水域剔除，以生成不包含目标水域的水系和集水单元，从而消除平坦水域导致水系、集水单元平行分布的问题；
S6：利用不含目标水域的栅格河网、集水单元与指定断面上游集水区进行空间裁剪，最终得到准确的指定断面集水单元和河网水系；
S7：将指定断面集水单元和河网水系进行制图输出，实现对集水区河网、边界特征提取的处理。
上述方案中，将上述7个步骤封装成独立函数，以raster.tiff文件和.shp边界文件为输入，得到指定水域的集水区范围和水系的制图输出，实现对集水区河网、边界特征提取的自动处理。
其中，所述步骤S2中，需要对加载的.tiff和.shp的原始坐标系统进行判断，当无空间参考时，则直接构建WGS84地理坐标系统，若已有其他坐标系，则转成WGS84地理坐标系统。
其中，在所述步骤S3中，所述目标水域数据的矩形边界的计算公式具体为：
式中，px和py分别代表所有边界点x和y的坐标集合。
其中，在所述步骤S3中，粗略的集水区矩形边界范围应当明显大于目标水域面积，从而使得计算区域涵盖整个目标水域的集水范围；若初次选取的计算区域不能包括整个流域边界，则需要再次扩大选取范围后重新计算。
其中，在所述步骤S4中，所述填洼计算具体计算过程为：
式中，W(c)为修正后的高程值；Z(c)为原始值；ε(c,n)为中心网格与临近网格高差最小的正值；W(n)为临近网格的最小值。通过公式(2)修正后的高程值，确保了地形表面流向计算的连贯性，消除洼地对水系的阻挡作用。
其中，在所述步骤S4中，所述流向计算采用D8算法，具体为：在3×3窗口中，计算中心格网C与邻域八格网i(i＝1，2，…8)之间的距离落差P，流向为具有最大P值的邻域格网方向。
其中，在所述步骤S4中，所述累积流量计算具体为：经过流向计算后，将依据流向的隶属关系，把相同流向和交叉流向进行合并，赋予单元网格统一的单位产流量后，计算出每个网格的累积流量，具体计算公式为：
式中，F(c)为中心网格的累积流量值，flow(i)为隶属于中心网格的第i个网格流量。
其中，在所述步骤S4中，计算区域设置累计流量大于平均值或指定的分位数值，作为提取河网水系详略程度的依据，阈值越大水系越简略，反之越详细；提取的集水区河网和边界均转成栅格文件格式.tif，便于后续空间叠加后的属性赋值。
其中，在所述步骤S5中，所述空间叠加与融合的计算公式具体为：
式中xi,yj计算区域内第i行第j列栅格坐标值，T(xm,yn)为与计算区域空间位置重叠的属性值，属性值判断依据为对应网格坐标未超出计算区域坐标最大值。
其中，在所述步骤S6中，为了获取准确的目标水域集水区的河网水系和集水边界，需要指定一个或多个目标水域的倾泻点，即出口断面位置。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，通过考虑断面所在空间网格单元与其他网格单元的流向隶属关系，划分断面上游和空间网格边界，在剔除目标水域覆盖区的基础上，以此为边界提取集水区河网系，能根据认为设定的河流、湖泊、水库目标水域断面，灵活地提取断面上游的集水边界和河网，明确断面水文影响方位；同时借助Python3语言的开发环境，代码结构简单，操作方便，是自动化提取指点断面集水区河网水系，划分集水单元的一种有效方法。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图；
图2为D8算法计算示意图；
图3为本发明所述方法的技术路线图；
图4为一实施例中广东省数字高程模型示意图；
图5为一实施例中水库计算区域DEM及其水域范围示意图；
图6为一实施例中水库计算区域的填洼值示意图；
图7为一实施例中水库计算区域流向示意图；
图8为一实施例中水库计算区域累计流量示意图；
图9为一实施例中水库水域汇流线平行交叉的现象示意图；
图10为一实施例中水库指定与不指定断面集水区的不重叠区域示意图；
图11为一实施例中指定断面上游地表水系与集水边界示意图(累计流量阈值：25％)。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，包括以下步骤：
S1：将栅格DEM文件.tiff和矢量shape文件.shp为输入数据，利用开源的python语言包库分别读取DEM数据和矢量计算区域矩形边界以及目标水域数据；
S2：统一输入数据的坐标系统，对所有输入数据设置成WGS84地理坐标系，避免因坐标系不一致产生后续空间计算边界不一致的问题；
S3：为缩小未知目标水域断面提取的计算范围，设定目标水域的矩形边界缓冲区(.shp)为计算区域；读取目标水域数据的矩形边界后设置缓冲区距离，得到目标水域粗略的集水区范围；
S4：采用格网化方法对其进行填洼计算、流向计算、累积流量计算过程，设置流量阈值，提取完整的水系和各集水单元边界，初步计算出流域水系栅格，并划分出多个集水单元；
S5：通过流域水系栅格、集水单元和目标水域进行空间叠加与融合，将目标水域属性赋给重叠的栅格水系，依据属性字段将目标水域剔除，以生成不包含目标水域的水系和集水单元，从而消除平坦水域导致水系、集水单元平行分布的问题；
S6：利用不含目标水域的栅格河网、集水单元与指定断面上游集水区进行空间裁剪，最终得到准确的指定断面集水单元和河网水系；
S7：将指定断面集水单元和河网水系进行制图输出，实现对集水区河网、边界特征提取的处理。
在具体实施过程中，将上述7个步骤封装成独立函数，以raster.tiff文件和.shp边界文件为输入，得到指定水域的集水区范围和水系的制图输出，实现对集水区河网、边界特征提取的自动处理。
更具体的，所述步骤S2中，需要对加载的.tiff和.shp的原始坐标系统进行判断，当无空间参考时，则直接构建WGS84地理坐标系统，若已有其他坐标系，则转成WGS84地理坐标系统。
更具体的，在所述步骤S3中，所述目标水域数据的矩形边界的计算公式具体为：
式中，px和py分别代表所有边界点x和y的坐标集合。
更具体的，在所述步骤S3中，粗略的集水区矩形边界范围应当明显大于目标水域面积，从而使得计算区域涵盖整个目标水域的集水范围；若初次选取的计算区域不能包括整个流域边界，则需要再次扩大选取范围后重新计算。
更具体的，在所述步骤S4中，所述填洼计算具体计算过程为：
式中，W(c)为修正后的高程值；Z(c)为原始值；ε(c,n)为中心网格与临近网格高差最小的正值；W(n)为临近网格的最小值。通过公式(2)修正后的高程值，确保了地形表面流向计算的连贯性，消除洼地对水系的阻挡作用。
更具体的，在所述步骤S4中，所述流向计算采用D8算法，如图2所示，具体为：在3×3窗口中，计算中心格网C与邻域八格网i(i＝1，2，…8)之间的距离落差P，流向为具有最大P值的邻域格网方向。
更具体的，在所述步骤S4中，所述累积流量计算具体为：经过流向计算后，将依据流向的隶属关系，把相同流向和交叉流向进行合并，赋予单元网格统一的单位产流量后，计算出每个网格的累积流量，具体计算公式为：
式中，F(c)为中心网格的累积流量值，flow(i)为隶属于中心网格的第i个网格流量。
更具体的，在所述步骤S4中，计算区域设置累计流量大于平均值或指定的分位数值，作为提取河网水系详略程度的依据，阈值越大水系越简略，反之越详细；提取的集水区河网和边界均转成栅格文件格式.tif，便于后续空间叠加后的属性赋值。
更具体的，在所述步骤S5中，所述空间叠加与融合的计算公式具体为：
式中xi,yj计算区域内第i行第j列栅格坐标值，T(xm,yn)为与计算区域空间位置重叠的属性值，属性值判断依据为对应网格坐标未超出计算区域坐标最大值。
更具体的，在所述步骤S6中，为了获取准确的目标水域集水区的河网水系和集水边界，需要指定一个或多个目标水域的倾泻点，即出口断面位置。
在具体实施过程中，本发明提供的一种面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，通过考虑断面所在空间网格单元与其他网格单元的流向隶属关系，划分断面上游和空间网格边界，在剔除目标水域覆盖区的基础上，以此为边界提取集水区河网系，能根据认为设定的河流、湖泊、水库目标水域断面，灵活地提取断面上游的集水边界和河网，明确断面水文影响方位；同时借助Python3语言的开发环境，代码结构简单，操作方便，是自动化提取指点断面集水区河网水系，划分集水单元的一种有效方法。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，为比较一种面向数字高程模型的集水区河网与边界程序化提取方法在指定目标水域断面的适用性，本实施案例以Python 3为平台，选取三个典型水库断面的河网与集水边界提取为例，验证该方法是否在水库流域内提取结果的准确性。如图3所示，其步骤包括：预处理、流域河网及边界提取、制图输出、函数调用。
S1.预处理:其步骤包括文件读取与投影转换、合并与裁剪、掩模提取。采用gpd.read_file()批量读取shp文件的水域范围，然后采用GeoDataFrame.crs()赋予无空间参考的文件以WGS84坐标系(‘epsg:4326’)，采用GeoDataFrame.to
_crs()函数转换原文件投影，实现统一地理坐标系处理；进一步循环获取geometry对象的四至点边界，并以此建立矩形geometry对象作为计算区域，最后保存为.shp矢量文件。
采用fiona.open()、rasterio.open()函数读取计算区域边界、陆地边界和DEM，然后通过geopandas.clip()函数合并、裁剪计算区域陆地范围(不包括目标水域)，通过rasterio.mask.mask()函数提取计算区域目标水域外的DEM。
S2.流域河网及边界提取：其步骤包括填洼、流向提取、累积流量计算、河网提取与输出4个环节。采用pysheds.grid()函数读取DEM数据后，通过fill_depressions()函数对其进行填洼处理，得到无洼地的DEM数据；采用resolve_flats()函数消除填洼后DEM中的平地，得到差异化的DEM；采用flowdir()函数计算DEM像元中的流向，并分成(1,2,4,8,16,32,64 128,)八个方向；采用accumulation()函数计算像元的累积流量；
依据计算出的流向、累计流量，设定累积流量超过99％分位数作为河网提取的阈值，使用.extract_river_network()函数提取出计算区域河网，选取与目标水域交叉的水系输出为.shp文件；
依据计算出的流向，指定倾泻断面经纬度，使用grid.catchment()函数提取计算区域的集水边界，采用polygonize()函数将所有集水边界转成generator对象，然后保存为.shp文件。
S3.数据输出：其步骤包括采用matplotlib.pyplot()函数输出3个案例水库计算区域的DEM、目标水域、地表河网水系和集水边界等图件。
S4.函数调用：其步骤包括将数据提取语句封装成独立的函数模块，并在其他程序中直接调用。
本发明的第二实施例为：广东省新丰江、枫树坝和白盆珠3座水库，基于本发明的数据提取步骤解析如下：
1.以广东省境内30米分辨率(0.01°)的ASTGTM_NC.003_ASTER_GDEM作为地形数据源，以广东省境内30米分辨率Landsat影响解译数据为水域数据源，上述两个数据均为全球公开数据源，适用范围广，其空间分布特征如图4所示。
(1)采用geopandas.read_file()读取案例水库的水域文件(.shp)，并统一投影到WGS84地理坐标系，然后采用bounds()函数分别读取出3个案例水库的经纬度最值。然后以经纬度最值四个方向扩展2°的范围建立polygon geometry对象作为计算区域，如图5所示。所有计算区域均建立name字段，标注案例名称。
(2)分别采用各个目标水体的矩形计算区域，擦除水域范围，将擦除后陆地范围用来裁剪DEM数据，得到各个目标水域准确的DEM计算范围。
采用geopandas.overlay(how＝‘union’)函数，将矩形计算区域与水域范围进行叠加，然后依据字段属性提取目标水域之外的矢量文件。
采用fiona.open()和rasterio.open()函数分别打开不含目标水域的计算区域及DEM文件，然后利用rasterio.mask.mask()函数掩模裁剪出准确的DEM计算范围，如图6所示。
2.依据非目标水域DEM提取案例水库的集水河网与边界，其提取过程包括填洼、计算累积流量、集水区水系和河网提取和结果储存。首先用pysheds.grid.from_raster()读取DEM数据，分别采用grid.fill_depressions()和grid.resolve_flats()函数对原始DEM进行填洼和去除水平像元，构建差异化无洼地的DEM数据；其次，采用grid.flowdir()计算出区域的像元水系方向，并将其标记为[1,2,4,8,16,32,64,128]8个方向(图7)；利用流向数据计算出累积流量grid.accumulation()(图8)。
为了克服水域范围内水系平行和集水边界不能与指定断面不重合的问题(图9-10)，采用水域擦除掉平行水系，利用空间叠加gpd.sjoin()，将水系的累积流量属性赋给水域断面，形成水系与水域联合的地表河网。
利用grid.catchment()函数提取指定断面(3个案例水库大坝泄水口)上游的集水边界，利用grid.extract_river_network()提取累积流量超过25％分位数值作为原始河网水系，并转换输出为shp文件格式，如图11所示。
3.将流域提取过程数据和结果数据进行可视化表达。采用Baemap函数添加底图，imshow()显示栅格数据的边界，并进行制图输出。
4.通过定义函数Class()的方式，将该提取方法封装成函数模块，并将完整代码保存为basin_extraction.py文件格式。把该模块放在特定文件夹(或相对文件夹路径)，使用sys.append(r'调用的模块路径')，将该模块所在路径添加到搜索路径，当需要在不同的程序代码编写过程中，可采用import工具直接调用该函数(类)。
以上案例结果表明，本发明考虑了人为指定断面的随机性，从断面上游集水网格单元的角度，确定了指定断面上游集水边界和径流网络，并基于Python 3平台批量自动化提取，操作简单，是提取指定断面河网和水系一种新方法。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，包括：
S1：将栅格DEM文件.tiff和矢量shape文件.shp为输入数据，利用开源的python语言包库分别读取DEM数据和矢量计算区域矩形边界以及目标水域数据；
S2：统一输入数据的坐标系统，对所有输入数据设置成WGS84地理坐标系；
S3：读取目标水域数据的矩形边界后设置缓冲区距离，得到目标水域粗略的集水区范围；
S4：采用格网化方法对其进行填洼计算、流向计算、累积流量计算过程，设置流量阈值，提取完整的水系和各集水单元边界，初步计算出流域水系栅格，并划分出多个集水单元；
S5：通过流域水系栅格、集水单元和目标水域进行空间叠加与融合，将目标水域属性赋给重叠的栅格水系，依据属性字段将目标水域剔除，以生成不包含目标水域的水系和集水单元；
S6：利用不含目标水域的栅格河网、集水单元与指定断面上游集水区进行空间裁剪，最终得到准确的指定断面集水单元和河网水系；
S7：将指定断面集水单元和河网水系进行制图输出，实现对集水区河网、边界特征提取的处理。
2.根据权利要求1所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，所述步骤S2中，需要对加载的.tiff和.shp的原始坐标系统进行判断，当无空间参考时，则直接构建WGS84地理坐标系统，若已有其他坐标系，则转成WGS84地理坐标系统。
3.根据权利要求1所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述目标水域数据的矩形边界的计算公式具体为：
式中，px和py分别代表所有边界点x和y的坐标集合。
4.根据权利要求3所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，在所述步骤S3中，粗略的集水区矩形边界范围应当明显大于目标水域面积，从而使得计算区域涵盖整个目标水域的集水范围；若初次选取的计算区域不能包括整个流域边界，则需要再次扩大选取范围后重新计算。
5.根据权利要求4所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述填洼计算具体计算过程为：
式中，W(c)为修正后的高程值；Z(c)为原始值；ε(c,n)为中心网格与临近网格高差最小的正值；W(n)为临近网格的最小值。
6.根据权利要求5所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述流向计算采用D8算法，具体为：在3×3窗口中，计算中心格网C与邻域八格网i(i＝1，2，…8)之间的距离落差P，流向为具有最大P值的邻域格网方向。
7.根据权利要求6所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述累积流量计算具体为：经过流向计算后，将依据流向的隶属关系，把相同流向和交叉流向进行合并，赋予单元网格统一的单位产流量后，计算出每个网格的累积流量，具体计算公式为：
式中，F(c)为中心网格的累积流量值，flow(i)为隶属于中心网格的第i个网格流量。
8.根据权利要求7所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，在所述步骤S4中，计算区域设置累计流量大于平均值或指定的分位数值，作为提取河网水系详略程度的依据，阈值越大水系越简略，反之越详细；提取的集水区河网和边界均转成栅格文件格式.tif，便于后续空间叠加后的属性赋值。
9.根据权利要求7所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述空间叠加与融合的计算公式具体为：
式中xi,yj计算区域内第i行第j列栅格坐标值，T(xm,yn)为与计算区域空间位置重叠的属性值，属性值判断依据为对应网格坐标未超出计算区域坐标最大值。
10.根据权利要求9所述的面向数字高程模型的任意断面集水区边界与河网提取方法，其特征在于，在所述步骤S6中，为了获取准确的目标水域集水区的河网水系和集水边界，需要指定一个或多个目标水域的倾泻点，即出口断面位置。
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