CN112287052B - 一种面向河长制信息化应用的河网关系表达方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向河长制信息化应用的河网关系表达方法，本专利提出的河网数据表达方法，综合河网拓扑关系的构建和行政单元分级管理，建立河流、河段、水利附属对象和河长对象的强耦合关系，实现面向行政管理单元以河流为主体的水体对象信息化表达。实现了任意河流的精准定位标识、河网关系的多视角表达以及河系的分级制图；可以任意浏览目标河段的上下游、左右岸情况，服务于河流的上下游、左右岸统筹管理；基于信息编码实现了任意河流或流域上的所有水利专题对象的查阅。应用本专利提出的表达方法，建设河长制一张图基础数据库，较好地支撑了四川省河长制基础信息平台的建设，为河长制工作的开展提供了智慧化信息科学管理手段。

Description

一种面向河长制信息化应用的河网关系表达方法

技术领域

本发明涉及一种河流编码技术，尤其涉及一种面向河长制信息化应用的河网关系表达方法。

背景技术

现有的两种编码技术均侧重于单方面应用。分析河网拓扑关系的河流编码体系稳定性与扩展性不足，无法实现与排污口、水文站等其他水资源对象的关联，不利于进行水资源对象的统一管理。分析河网属性的河流编码体系无法实现以行政区划为管理单元进行水资源对象的综合管理。

Pfafstetter等编码体系以集水面积为原则确定流域内的干流，若集水区发生变化，则编码需重新进行，稳定性弱。以流域，无法实现。受十进制编码方法的限制，子流域的个数不能超过九个。NHD等编码体系以具有相同水文特征的地表水体为单元采用动态分段技术进行编码，由于未考虑到水文行政管理单元，因此无法满足水资源对象行政分级管理。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种面向河长制信息化应用的河网关系表达方法。用于描述面向行政管理单元的河网拓扑关系，以解决现有技术中河网关系与行政管理单元的弱耦合性问题，实现河网属性信息的行政分级属性化管理。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括以下步骤：

S1：建立主流判别规则如下：

S2：建立岸别判别规则：

构建汇入点的弧段向量，基于向量叉乘的正负值予以判别，河道V₂,V₃所在河流为主流，河道V₁₅,V₃岸别判断原则如下：

(1)若则河道V₁₅,V₃位于左岸；

(2)若则河道V₁₅,V₃位于右岸；

S3：构建河网有向图：

将区域内的河流实体基于汇入点打散为拓扑河道，建立有向河网图结构G＝(V,E)；V表征节点集合{v₀,v₁,v₂,…,v_x}，E表征河道集合{e₀,e₁,e₂,…,e_y}；节点记录节点编号、出度和入度信息；河源是出度为1，入度为0的节点，河口是出度为0，入度为1的节点，汇入点是出度为1，入度不小于1的节点；河道记录编号、流域、河流、河流类型、通航性质语义信息和河道长度、河道方位角度量信息；

S4：迭代构建河网关系：

通过主干抽离法迭代构建河网横向关系与纵向关系：首先从河口逆流溯源，根据主流判别规则，获取河网的干流即第一级河流，同时在搜索过程时，根据岸别判别规则，获取干流的左右分支；然后将干流从河网中抽离，形成若干子河网有向图，递归完成河口逆流溯源，从而获取河网的下一等级的河流，直至最后子河网有向图中的河道集为空，停止搜索。

进一步，所述步骤S4中横向关系包括以下步骤：

S4.1：确定迭代搜索起始点，选择将河口作为起始节点，对搜索起始节点候选集合进行搜索计算判别，找到各个候选节点对应的主流，比较主流的长度特征，选择长度值更长的节点v_i作为搜索起点；

S4.2：根据主流判别规则，即方向约束、语义约束和度量约束的优先级，由起始节点v_i连接的河道e_i(v_i，v_j)的另一端节点v_j，搜索河道其中节点为v_j的连接河道候选集R_e{e_r,e_s…}，遍历河道集R_e的弧段e_j；

S4.2.1：如果e_j与e_i流向、流域不一致，从候选集中剔除；

S4.2.2：如果e_j与e_i河流类型、通航性质、河流名称不一致，转至S4.2.5；

S4.2.3：如果e_j与e_i河流名称一致，则确定为目标河道，转至S4.2.7；

S4.2.4：如果e_j语义特征缺失，计算候选河道与e_j河道间的夹角值，若夹角在阈值范围内且夹角越趋近于180°，则确定为目标河道，转至S4.2.7；若方向不足以判断，则需通过计算由节点v_j到其余未搜索的河源节点的单源最长路径，河道总长度最长的集合就是主流，转至S4.2.6；

S4.2.5：基于左右岸判别准则，确定e_i左右岸属性；

S4.2.6：基于左右岸判别准则，确定与主流存在汇入口的弧段左右岸属性，转至步骤3；

S4.2.7：遍历候选弧段集直至集合中每一弧段均已参与判断，转至步骤3；

S4.3：将S4.2确定的主流对应的河道集从当前图中抽离出来，并赋相应的等级值；抽离主干后，原有图自动分解为一系列子图，对子图重复S4.2，直到最后。

进一步，所述步骤S4中纵向关系包括以下步骤：

S411：基于省级、市州级、县级和乡镇级行政境界，将河流实体打散为四个层级地河段集合；

S412：基于河段的拓扑位置关系和河流的流向，确定不同层级河段间的对应关系以及同一层级河段在行政境界内的顺序码。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种面向河长制信息化应用的河网关系表达方法，与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

(1)功能：本专利提出的河网数据表达方法，综合河网拓扑关系的构建和行政单元分级管理，建立河流、河段、水利附属对象和河长对象的强耦合关系，实现面向行政管理单元以河流为主体的水体对象信息化表达。

(2)效果：实现了任意河流的精准定位标识、河网关系的多视角表达以及河系的分级制图；基于层级关系实现同一河流不同河段的层级组织管理，河段按河流的流经分布情况按省、市、县、乡依序呈现，对于任意河段可以十分便捷地追溯其上级河段、所属河流、所属水系、所属流域，同时可以查阅其下级所有河段以及河长信息；基于上下游关系，可以任意浏览目标河段的上下游、左右岸情况，服务于河流的上下游、左右岸统筹管理；基于信息编码实现了任意河流或流域上的所有水利专题对象的查阅。

(3)社会效益：应用本专利提出的表达方法，建设河长制一张图基础数据库，较好地支撑了四川省河长制基础信息平台的建设，为河长制工作的开展提供了智慧化信息科学管理手段。

附图说明

图1是本发明的河网关系概念图；

图2是本发明的河网主干抽离示意图；

图2中：(a)局部河网(b)抽离一级干流的河网

图3是本发明的关系编码示例；

图4是本发明的关系物理存储示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明分为河网模型表达、河网关系编码和河网关系物理存储三部分。

模型表达：

河网关系模型描述河网组织结构模式。河网关系的基本组成单元为河段。区别于传统意义上的河段，定义以各级行政境界分割的碎片化河流为河段。河网关系概念图如图1所示。

建立关系判别规则：

主流判别规则：

判别规则如表1所示。

表1主流判别规则

岸别判别规则：

构建汇入点的弧段向量，基于向量叉乘的正负值予以判别。如图2，河道(V₂,V₃)所在河流为主流，河道(V₁₅,V₃)岸别判断原则如下：

(1)若则河道(V₁₅,V₃)位于左岸；

(2)若则河道(V₁₅,V₃)位于右岸；

构建河网有向图：

将区域内的河流实体基于汇入点打散为拓扑河道，建立有向河网图结构G＝(V,E)。V表征节点集合{v₀,v₁,v₂,…,v_x}，E表征河道集合{e₀,e₁,e₂,…,e_y}。节点记录节点编号、出度和入度等属性信息。河源是出度为1，入度为0的节点，河口是出度为0，入度为1的节点，汇入点是出度为1，入度不小于1的节点。河道记录编号、流域、河流、河流类型、通航性质等语义信息和河道长度、河道方位角等度量信息。

迭代构建河网关系

通过主干抽离法迭代构建河网横向关系与纵向关系。首先从河口逆流溯源，根据主流判别规则，获取河网的干流即第一级河流，同时在搜索过程时，根据岸别判别规则，获取干流的左右分支。然后将干流从河网中抽离，形成若干子河网有向图，递归完成河口逆流溯源，从而获取河网的下一等级的河流，直至最后子河网有向图中的河道集为空，停止搜索。

横向关系：

步骤1：确定迭代搜索起始点。选择将河口作为起始节点。考虑到现实中的发达河系，一个树状河系的河口可能存在不唯一的情况，此时还需对搜索起始节点候选集合进行搜索计算判别。判别方法参照步骤3，找到各个候选节点对应的主流，比较主流的长度特征，选择长度值更长的节点v_i作为搜索起点。

步骤2：根据主流判别规则，即方向约束、语义约束和度量约束的优先级，由起始节点v_i连接的河道e_i(v_i，v_j)的另一端节点v_j，搜索河道其中节点为v_j的连接河道候选集R_e{e_r,e_s…}，遍历河道集R_e的弧段e_j；

2-1如果e_j与e_i流向、流域不一致，从候选集中剔除；

2-2如果e_j与e_i河流类型、通航性质、河流名称不一致，转至2-5；

2-3如果e_j与e_i河流名称一致，则确定为目标河道，转至2-7；

2-4如果e_j语义特征缺失，计算候选河道与e_j河道间的夹角值，若夹角在阈值范围内且夹角越趋近于180°，则确定为目标河道，转至2-7；若方向不足以判断，则需通过计算由节点v_j到其余未搜索的河源节点的单源最长路径，河道总长度最长的集合就是主流，转至2-6；

2-5基于左右岸判别准则，确定e_i左右岸属性；

2-6基于左右岸判别准则，确定与主流存在汇入口的弧段左右岸属性，转至步骤3；

2-7遍历候选弧段集直至集合中每一弧段均已参与判断，转至步骤3；

步骤3：将步骤2确定的主流对应的河道集从当前图中抽离出来，并赋相应的等级值；抽离主干后，原有图自动分解为一系列子图，对子图重复步骤2，直到最后。

纵向关系

步骤1：基于省级、市州级、县级和乡镇级行政境界，将河流实体打散为四个层级地河段集合。

步骤2：基于河段的拓扑位置关系和河流的流向，确定不同层级河段间的对应关系以及同一层级河段在行政境界内的顺序码。

关系编码：

关系编码是对河网关系属性特征的数字化表征。通过对河流与河段的实体编码、关系编码与信息编码，形成以河流为主体的对象水体信息化表达。

①河流编码：

河流单元存储流域、水系、干支级别、同级支流顺序码、跨区类型和河流岸别等六元组的描述性信息，以定长的九位英文字符和阿拉伯数字实现。编码结构如表2所示。

表2河流单元编码结构表

②河段编码：

河段单元存储所属河流、河段归属行政区划、河段顺序码和河段岸别等四元组的描述性信息，以定长的二十二位英文字符和阿拉伯数字实现。编码结构如表3所示。

表3河段单元编码结构表

③关系编码：

通过迭代构建完毕的河网关系，梳理河流单元间的干支横向关系与河段单元间的上下游横向关系，建立两类横向关系导向图，实现河网拓扑结构的数字化存储。河网关系编码示意如图3所示。

④信息编码：

信息单元存储对象类型代码、所属河流单元、所属行政区划及顺序码等四元组描述性信息，以定长的二十二位英文字符和阿拉伯数字代码实现。其编码结构如表4所示。

表4水利附属专题对象编码结构表

关系物理存储：

如图4所示，设计河网数据库表结构，将河网关系对象的属性信息、几何信息和管理信息以特定结构的文件形式映射在计算机物理存储介质上。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种面向河长制信息化应用的河网关系表达方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立主流判别规则如下：

S2：建立岸别判别规则：

构建汇入点的弧段向量，基于向量叉乘的正负值予以判别，河道V₂,V₃所在河流为主流，河道V₁₅,V₃岸别判断原则如下：

(1)若则河道V₁₅,V₃位于左岸；

(2)若则河道V₁₅,V₃位于右岸；

S3：构建河网有向图：

将区域内的河流实体基于汇入点打散为拓扑河道，建立有向河网图结构G＝(V,E)；V表征节点集合{v₀,v₁,v₂,…,v_x}，E表征河道集合{e₀,e₁,e₂,…,e_y}；节点记录节点编号、出度和入度信息；河源是出度为1，入度为0的节点，河口是出度为0，入度为1的节点，汇入点是出度为1，入度不小于1的节点；河道记录编号、流域、河流、河流类型、通航性质语义信息和河道长度、河道方位角度量信息；

S4：迭代构建河网关系：

通过主干抽离法迭代构建河网横向关系与纵向关系：首先从河口逆流溯源，根据主流判别规则，获取河网的干流即第一级河流，同时在搜索过程时，根据左右岸判别准则，获取干流的左右分支；然后将干流从河网中抽离，形成若干子河网有向图，递归完成河口逆流溯源，从而获取河网的下一等级的河流，直至最后子河网有向图中的河道集为空，停止搜索；

横向关系包括以下步骤：

S4.1：确定迭代搜索起始点，选择将河口作为起始节点，对搜索起始节点候选集合进行搜索计算判别，找到各个候选节点对应的主流，比较主流的长度特征，选择长度值更长的节点v_i作为搜索起点；

S4.2：根据主流判别规则，即方向约束、语义约束和度量约束的优先级，由起始节点v_i连接的河道e_i(v_i，v_j)的另一端节点v_j，搜索河道其中节点为v_j的连接河道候选集R_e{e_r,e_s…}，遍历河道集R_e的弧段e_j；

S4.2.1：如果e_j与e_i流向、流域不一致，从候选集中剔除；

S4.2.2：如果e_j与e_i河流类型、通航性质、河流名称不一致，转至S4.2.5；

S4.2.3：如果e_j与e_i河流名称一致，则确定为目标河道，转至S4.2.7；

S4.2.4：如果e_j语义特征缺失，计算候选河道与e_j河道间的夹角值，若夹角在阈值范围内且夹角越趋近于180°，则确定为目标河道，转至S4.2.7；若方向不足以判断，则需通过计算由节点v_j到其余未搜索的河源节点的单源最长路径，河道总长度最长的集合就是主流，转至S4.2.6；

S4.2.5：基于左右岸判别准则，确定e_i左右岸属性；

S4.2.6：基于左右岸判别准则，确定与主流存在汇入口的弧段左右岸属性，转至步骤3；

S4.2.7：遍历候选弧段集直至集合中每一弧段均已参与判断，转至步骤3；

S4.3：将S4.2确定的主流对应的河道集从当前图中抽离出来，并赋相应的等级值；抽离主干后，原有图自动分解为一系列子图，对子图重复S4.2，直到最后；

中纵向关系包括以下步骤：

S411：基于省级、市州级、县级和乡镇级行政境界，将河流实体打散为四个层级地河段集合；

S412：基于河段的拓扑位置关系和河流的流向，确定不同层级河段间的对应关系以及同一层级河段在行政境界内的顺序码。