CN112700137B - 一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，包括以下步骤：S1：输入地理信息数据；S2：裁剪栅格数据：提取每个区域的Polygon数据，并对土地利用栅格数据和人口密度栅格数据进行掩膜裁剪操作；分别计算行政区内各流域的人口比例和各类土地利用面积比例；S3：输入统计数据：输入行政区的城镇与农村人口统计数据以及各项用水量数据；S4：划分用水量：计算各流域的当前城镇人口和农村人口数量；计算行政区内各流域的各项用水量，从而将用水量按照流域单元划分。本发明提供一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，解决了目前测算行政区域在流域内的用水量的主要手段是经验性的方法，还未形成一种通用的方法的问题。

Description

一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法

技术领域

本发明涉及水资源管理技术领域，更具体的，涉及一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法。

背景技术

水量分配能有效地促进提高水资源利用效率，在水量分配方案的制定中，需要综合考虑行政区域在流域内的用水当前情况。目前，我国仅对大流域的用水量进行统计，并公布相关流域的水资源公报，而小流域的各行政单元的流域内用水量并未进行公布。因此，在制定小流域的水量分配方案时，需要对行政区域在流域内的用水量进行合理测算，作为水量分配方案的依据。目前测算行政区域在流域内的用水量的主要手段是经验性的方法，还未形成一种通用的方法。

现有技术中，如2018-04-06公开的中国专利，一种城镇化下平原区分布式产流计算方法，公开号为CN107886444A，相对于传统技术方法，可直接通过空间数据(土地利用、子流域边界、行政区边界)实现产流量的计算，但不适用于测算行政区域在流域内的用水量。

发明内容

本发明为克服目前测算行政区域在流域内的用水量的主要手段是经验性的方法，还未形成一种通用的方法的技术缺陷，提供一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，包括以下步骤：

S1：输入地理信息数据；

所述地理信息数据包括行政区流域边界数据、土地利用栅格数据和人口密度栅格数据；

S2：裁剪栅格数据：

提取行政区流域边界数据中每个区域的Polygon数据，并根据每个区域的Polygon数据对土地利用栅格数据和人口密度栅格数据进行掩膜裁剪操作；

根据经过掩膜裁剪操作之后的土地利用栅格数据和人口密度栅格数据分别计算行政区内各流域的人口比例和各类土地利用面积比例；

S3：输入统计数据：

输入行政区的城镇与农村人口统计数据以及各项用水量数据；

S4：划分用水量：

根据行政区内各流域的人口比例，计算各流域的当前城镇人口和农村人口数量；

根据行政区内各流域的各类土地利用面积比例以及当前城镇人口和农村人口数量，计算行政区内各流域的各项用水量，从而将用水量按照流域单元划分。

优选的，在步骤S2中，通过以下公式进行掩膜裁剪操作：

其中，R_raster为栅格数据，为行政区流域边界矢量图形的第i个对象，i＝1,2,...,N，N为行政区流域边界矢量图形中的对象总数，M_i为R_raster使用/>进行掩膜裁剪操作的区域栅格数据，若没有重叠区域，则M_i为空。

优选的，在步骤S2中，行政区内各流域的各类土地利用面积比例包括行政区内各流域的耕地面积比例、林地面积比例和建设用地面积比例。

优选的，在步骤S4中，通过以下公式计算各流域的当前城镇人口和农村人口数量：

P_{ba sin}＝k_{ba sin}×P_district

其中，P_{ba sin}为行政区内流域的当前城镇人口或农村人口数，k_{ba sin}为行政区内流域的人口数比例，P_district为行政区的城镇人口或农村人口数。

优选的，在步骤S4中，根据以下公式计算行政区内各流域的各项用水量：

其中，为行政区内流域i的各项用水量，/>为行政区内流域i相应用水量划分比例，W_district为行政区的各项用水量。

优选的，各项用水量包括农田灌溉用水量、林牧渔业用水量、工业用水量、城镇公共用水量、居民生活用水量和生态环境用水量。

优选的，

农田灌溉用水量根据耕地面积比例计算；

林牧渔业用水量根据林地面积比例计算；

工业用水量根据城镇建设用地面积比例计算；

城镇公共用水量根据城镇人口比例计算；

居民生活用水量根据总人口比例计算；

生态环境用水量根据城镇人口比例计算。

优选的，还包括根据经过掩膜裁剪操作之后的土地利用栅格数据进行地图要素可视化。

优选的，进行地图要素可视化包括以下步骤：

S5.1：构建土地利用图的画布；

S5.2：在画布上依次绘制每个区域的土地利用图；

S5.3：在画布上绘制行政区流域边界；

S5.4：构建指向标的矢量图形，并将指向标绘制在土地利用图上，以及添加图例，得到绘制好的土地利用图；

S5.5：保存绘制好的土地利用图。

优选的，在步骤S5.3中，还包括：

根据以下公式设置土地利用图的图框x轴和y轴的范围，使得行政区流域边界的图框内两侧留有空白：

X_max＝max(lon)+[max(lon)-min(lon)]/8

X_min＝min(lon)-[max(lon)-min(lon)]/8

Y_max＝max(lat)+[max(lat)-min(lat)]/8

Y_min＝min(lat)-[max(lat)-min(lat)/8

其中，X_max为x轴范围的最大值，X_min为x轴范围的最小值，Y_max为y轴范围的最大值，Y_min为y轴范围的最小值，lon为行政区边界的经度，lat为行政区边界的纬度。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，根据行政区的各项用水量，利用各流域的各类土地利用面积比例以及当前城镇人口和农村人口数量计算各流域的各项用水量，规避了经验性的测算方法。

附图说明

图1为本发明的技术方案实施步骤流程图；

图2为本发明中输入的数据文件的示意图；

图3为本发明中一实施的潮州市县级行政区示意图；

图4为本发明中一实施的潮州市内流域划分示意图；

图5为本发明中一实施例的潮州市潮安区用水量；

图6为本发明中一实施例的潮州市县级行政区2018年人口数量；

图7为本发明中一实施例的潮州市潮安区用水量划分结果；

图8为本发明中一实施例的潮州市土地利用图。

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，一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，包括以下步骤：

S1：输入地理信息数据；

所述地理信息数据包括行政区流域边界数据、土地利用栅格数据和人口密度栅格数据；

其中，通过Python第三方库geopandas的GeoDataFrame模块中的from_file函数根据行政区流域边界的矢量图形文件的存储路径读取行政区流域边界数据；通过rasterio中的open函数，根据土地利用和人口密度的栅格数据文件的存储路径读取栅格数据，实现地理信息数据的输入；

行政区流域边界的矢量图形文件的文件格式为.shp，土地利用的栅格数据文件的文件格式为.GIF，人口密度的栅格数据文件为Grid文件；

S2：裁剪栅格数据：

提取行政区流域边界数据中每个区域的Polygon数据，并根据每个区域的Polygon数据通过Python第三方库rasterio中的mask.mask函数对土地利用栅格数据和人口密度栅格数据进行掩膜裁剪操作，将所需要的栅格数据提取出来；

根据经过掩膜裁剪操作之后的土地利用栅格数据和人口密度栅格数据分别计算行政区内各流域的人口比例和各类土地利用面积比例；

其中，通过rasterio的open函数依次读取经过掩膜裁剪操作之后的区域人口密度栅格数据，采用rasterio中的read函数读取每个栅格的变量值，计算每个区域的人口数，最后以行政区为整体，计算行政区域内的各流域的人口数比例；

通过rasterio的open函数依次读取经过掩膜裁剪操作之后的区域土地利用栅格数据，采用rasterio中的read函数读取每个栅格的变量值，变量值与土地利用类型是一一对应的，根据变量值确定土地利用类型，并以此计算每个区域的耕地面积、林地面积和城镇建设用地面积，最后以行政区为整体，计算行政区域内各流域的耕地面积、林地面积和建设用地面积比例；

S3：输入统计数据：

通过Python第三方库pandas的read_csv函数，根据行政区的城镇与农村人口统计数据文件以及各项用水量数据文件的存储路径读取数据，实现行政区的城镇与农村人口统计数据以及各项用水量数据的输入；

S4：划分用水量：

根据行政区内各流域的人口比例，计算各流域的当前城镇人口和农村人口数量；

根据行政区内各流域的各类土地利用面积比例以及当前城镇人口和农村人口数量，计算行政区内各流域的各项用水量，从而将用水量按照流域单元划分。

实施例2

更具体的，在步骤S2中，通过以下公式进行掩膜裁剪操作：

其中，R_raster为栅格数据，为行政区流域边界矢量图形的第i个对象，i＝1,2,...,N，N为行政区流域边界矢量图形中的对象总数，M_i为R_raster使用/>进行掩膜裁剪操作的区域栅格数据，若没有重叠区域，则M_i为空。

更具体的，在步骤S2中，行政区内各流域的各类土地利用面积比例包括行政区内各流域的耕地面积比例、林地面积比例和建设用地面积比例。

更具体的，在步骤S4中，通过以下公式计算各流域的当前城镇人口和农村人口数量：

P_{ba sin}＝k_{ba sin}×P_district

其中，P_{ba sin}为行政区内流域的当前城镇人口或农村人口数，k_{ba sin}为行政区内流域的人口数比例，P_district为行政区的城镇人口或农村人口数。

更具体的，在步骤S4中，根据以下公式计算行政区内各流域的各项用水量：

其中，为行政区内流域i的各项用水量，/>为行政区内流域i相应用水量划分比例，W_district为行政区的各项用水量。

更具体的，各项用水量包括农田灌溉用水量、林牧渔业用水量、工业用水量、城镇公共用水量、居民生活用水量和生态环境用水量。

更具体的，

农田灌溉用水量根据耕地面积比例计算；

林牧渔业用水量根据林地面积比例计算；

工业用水量根据城镇建设用地面积比例计算；

城镇公共用水量根据城镇人口比例计算；

居民生活用水量根据总人口比例计算；

生态环境用水量根据城镇人口比例计算。

更具体的，还包括根据经过掩膜裁剪操作之后的土地利用栅格数据进行地图要素可视化。

在具体实施过程中，通过Python的第三方库geopandas和matplotlib进行地图要素可视化。

更具体的，进行地图要素可视化包括以下步骤：

S5.1：采用matplotlib中pyplot.subplots函数构建土地利用图的画布；

S5.2：采用matplotlib中pyplot.pcolormesh函数在画布上依次绘制每个区域的土地利用图；

S5.3：采用geopandas中的plot函数在画布上绘制行政区流域边界；

S5.4：采用matplotlib.patches中的Polygon函数构建指向标的矢量图形，并通过matplotlib中的add_patch函数将指向标绘制在土地利用图上，以及通过legend函数添加图例，得到绘制好的土地利用图；

S5.5：通过matplotlib中的savefig函数保存绘制好的土地利用图到指定路径。

更具体的，在步骤S5.3中，还包括：

根据以下公式设置土地利用图的图框x轴和y轴的范围，使得行政区流域边界的图框内两侧留有空白：

X_max＝max(lon)+[max(lon)-min(lon)]/8

X_min＝min(lon)-[max(lon)-min(lon)]/8

Y_max＝max(lat)+[max(lat)-min(lat)]/8

Y_min＝min(lat)-[max(lat)-min(lat)/8

其中，X_max为x轴范围的最大值，X_min为x轴范围的最小值，Y_max为y轴范围的最大值，Y_min为y轴范围的最小值，lon为行政区边界的经度，lat为行政区边界的纬度。

在具体实施过程中，通过Python编程实现步骤S2和步骤S4中的数据处理以及地图要素可视化过程，并且用class()和def()的方式封装成类函数，以便于在其他程序进行调用。

实施例3

在本实施例中，采用所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法对中国粤东地区的潮州市各县级行政区的用水量进行划分：

S1：将行政区各流域用水量划分所需要的潮州市行政区流域边界的矢量图形文件、土地利用栅格数据和中国人口密度栅格数据存储在文件夹中，如图2-4所示，通过geopandas的GeoDataFrame模块中的from_file函数读取矢量图形文件，rasterio中的open函数读取栅格数据文件；

S2：通过Python第三方库rasterio进行栅格数据掩膜裁剪操作，并计算各流域的人口比例和各类土地利用面积比例：

使用for循环，依次读取行政区流域边界的每个图形对象，使用rasterio中的mask.mask对栅格数据进行掩膜裁剪操作；

使用rasterio中的open函数依次新建栅格数据，并依次将掩膜裁剪操作后的栅格数据写入新建的栅格数据文件中；

使用for循环，依次使用rasterio中的open函数读取掩膜裁剪操作后的每个区域的栅格数据，并计算每个行政区的各流域的耕地面积比例、林地面积比例、城镇建设用地面积比例、城镇人口比例和总人口比例；

S3.采用Python第三方库pandas的read_csv函数，根据潮州市行政区用水量和人口数据文件的存储路径读取数据，数据排列格式要求如图5和图6所示，读取的数据格式为pandas.DataFrame，并根据每个区域的人口比例计算每个区域现有的城镇人口和农村人口数量；

S4.根据行政区域内各流域的耕地面积比例、林地面积比例、城镇建设用地面积比例、城镇人口比例和总人口比例，采用for循环，分别对潮安区、潮州市区和饶平县的各流域用水量进行测算：行政区域内流域的农田灌溉用水量根据耕地面积比例计算，林牧渔业用水量根据林地面积比例计算，工业用水量根据城镇建设用地面积比例计算，城镇公共用水量根据城镇人口比例计算，居民生活用水量根据总人口比例计算，生态环境用水量根据城镇人口比例计算；其中，潮安区的流域用水量划分结果如图7所示；并对潮州市的土地利用进行可视化，主要利用Python第三方库geopandas和matplotlib绘制各个地图要素：

S5.1：采用matplotlib中pyplot.subplots函数构建土地利用图的画布；

S5.2：土地利用图采用matplotlib中pyplot.pcolormesh函数依次进行绘制，并通过matplotlib中的colors.ListedColormap函数设置颜色带，并设置颜色带的划分范围；

S5.3：采用geopandas中的plot函数，绘制行政区流域边界，将facecolor的参数设置为none(表示无颜色)，使得填充颜色为无填充，edgecolor的颜色设置为k(表示黑色)，使得边缘的颜色为黑色；

为了使得行政区流域边界的图框内两侧留有空白，增加x轴与y轴的范围；

S5.4：采用matplotlib.patches中的Polygon函数构建指向标的矢量图形，并通过matplotlib中的add_patch将指向标可视化，其中color参数设置为k，表示黑色；通过legend函数添加图例；

S5.5：采用matplotlib中的savefig函数保存潮州市土地利用图到指定路径，并设置dpi参数为1200，保证有较高的分辨率，绘制结果如图8所示。

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 (9)

1.一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：输入地理信息数据；

所述地理信息数据包括行政区流域边界数据、土地利用栅格数据和人口密度栅格数据；

S2：裁剪栅格数据：

提取行政区流域边界数据中每个区域的Polygon数据，并根据每个区域的Polygon数据，通过Python第三方库rasterio中的mask.mask函数对土地利用栅格数据和人口密度栅格数据进行掩膜裁剪操作，公式如下：

其中，R_raster为栅格数据，为行政区流域边界矢量图形的第i个对象，i＝1,2,...,N，N为行政区流域边界矢量图形中的对象总数，M_i为R_raster使用/>进行掩膜裁剪操作的区域栅格数据，若没有重叠区域，则M_i为空；

根据经过掩膜裁剪操作之后的土地利用栅格数据和人口密度栅格数据分别计算行政区内各流域的人口比例和各类土地利用面积比例，过程包括：

通过rasterio的open函数依次读取经过掩膜裁剪操作之后的区域人口密度栅格数据，采用rasterio中的read函数读取每个栅格的变量值，计算每个区域的人口数，以行政区为整体，计算行政区域内的各流域的人口数比例；

通过rasterio的open函数依次读取经过掩膜裁剪操作之后的区域土地利用栅格数据，采用rasterio中的read函数读取每个栅格的变量值，根据变量值确定土地利用类型，计算每个区域的各类土地利用面积，以行政区为整体，计算行政区域内的各类土地利用面积比例；

S3：输入统计数据：

输入行政区的城镇与农村人口统计数据以及各项用水量数据；

S4：划分用水量：

根据行政区内各流域的人口比例，计算各流域的当前城镇人口和农村人口数量；

根据行政区内各流域的各类土地利用面积比例以及当前城镇人口和农村人口数量，计算行政区内各流域的各项用水量，从而将用水量按照流域单元划分。

2.根据权利要求1所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，在步骤S2中，行政区内各流域的各类土地利用面积比例包括行政区内各流域的耕地面积比例、林地面积比例和建设用地面积比例。

3.根据权利要求1所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，在步骤S4中，通过以下公式计算各流域的当前城镇人口和农村人口数量：

P_basin＝k_basin×P_district

其中，P_basin为行政区内流域的当前城镇人口或农村人口数，k_basin为行政区内流域的人口数比例，P_district为行政区的城镇人口或农村人口数。

4.根据权利要求1所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，在步骤S4中，根据以下公式计算行政区内各流域的各项用水量：

其中，为行政区内流域i的各项用水量，/>为行政区内流域i相应用水量划分比例，W_district为行政区的各项用水量。

5.根据权利要求4所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，各项用水量包括农田灌溉用水量、林牧渔业用水量、工业用水量、城镇公共用水量、居民生活用水量和生态环境用水量。

6.根据权利要求5所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，

农田灌溉用水量根据耕地面积比例计算；

林牧渔业用水量根据林地面积比例计算；

工业用水量根据城镇建设用地面积比例计算；

城镇公共用水量根据城镇人口比例计算；

居民生活用水量根据总人口比例计算；

生态环境用水量根据城镇人口比例计算。

7.根据权利要求1所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，还包括根据经过掩膜裁剪操作之后的土地利用栅格数据进行地图要素可视化。

8.根据权利要求7所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，进行地图要素可视化包括以下步骤：

S5.1：构建土地利用图的画布；

S5.2：在画布上依次绘制每个区域的土地利用图；

S5.3：在画布上绘制行政区流域边界；

S5.4：构建指向标的矢量图形，并将指向标绘制在土地利用图上，以及添加图例，得到绘制好的土地利用图；

S5.5：保存绘制好的土地利用图。

9.根据权利要求8所述的一种基于地理信息数据的流域单元用水量划分方法，其特征在于，在步骤S5.3中，还包括：

根据以下公式设置土地利用图的图框x轴和y轴的范围，使得行政区流域边界的图框内两侧留有空白：

X_max＝max(lon)+[max(lon)-min(lon)]/8

X_min＝min(lon)-[max(lon)-min(lon)]/8

Y_max＝max(lat)+[max(lat)-min(lat)]/8

Y_min＝min(lat)-[max(lat)-min(lat)/8

其中，X_max为x轴范围的最大值，X_min为x轴范围的最小值，Y_max为y轴范围的最大值，Y_min为y轴范围的最小值，lon为行政区边界的经度，lat为行政区边界的纬度。