CN113688755A - 基于六边形格网的多流向流域特征提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于六边形格网的多流向流域特征提取方法，该方法首先按双线性插法将规则格网DEM转换成球面六边形格网表示，分别计算得到六边形格网的顶点高程和中心点高程；然后依次连接顶点和中心点，将每个六边形格网划分成三角形，计算每个三角形中心点高程，根据三角形与邻近六边形格网高程差确定水流流向；根据与邻近六边形格网高程差比例，计算格网流量；最后遍历格网，跟踪流域路径。本发明利用六边形格网作为基础格网，解决了基于规则格网DEM流域特征提取中，因边邻近、角邻近格网距离不一致引起的地形表达失衡性问题；利用三角形与邻近六边形格网高程差比例，确定流向和流量，解决了原六边形单流向算法无法真实描述水流特征的问题。

Description

基于六边形格网的多流向流域特征提取方法

技术领域

本发明涉及流域水文特征提取技术领域，特别涉及一种基于六边形格网的多流向流域特征提取方法。

背景技术

流域水文特征提取与分析是水文水资源的重要组成部分，为水文建模、地形地貌建模、水土侵蚀评估、水资源管理等提供重要的基础信息。平向汇流的转移路径通常以水流方向、径流节点、径流网络和流域边界等水文要素表达。其中，水流方向是流域水文特征提取的基础。

随着DEM数据获取能力的提升，基于DEM的流域水文特征提取得到广泛研究。其中基于规则格网的DEM因其数据结构简单、计算处理方便等特点成为流域水文特征提取的主要研究对象。基于规则格网DEM的水流方向算法主要的方法包括单流向算法、多流向算法和混合流向算法。

单流向算法假设每个格网有且仅有一个水流方向。典型的算法有D8算法：根据与8个邻近格网间的高程差确定水流方向，水流向高程差最大的格网。Rho8算法：引入一个均匀分布的随机变量计算坡度权重，在D8算法的基础上，增加了水流方向选择的随机性。

多流向算法假设每个格网有多个水流方向，即水流可以流向比它低的所有相邻格网。典型的算法有FD8算法：在D8算法基础上，根据高程差和比例分配流向和水流量。FRho8算法：在Rho8算法基础上添加多方向权重因子。多流向算法避免了水流偏向某格网，能较好的模拟处于坡面的水域特征。

混合流向算法将单流向和多流向算法结合，根据流域地形特征，分别采用不同的流向算法。在水流辐合区域，使用单流向算法，在坡面-水流发散区域，使用多流向算法。

基于六边形格网的算法：因为六边形格网只有边邻近格网，与邻近格网中心点距离相等，在处理最近邻域、移动路径等邻域处理问题中具有一定的优势。将基于规则格网的DEM数据转换至六边形格网，利用与邻近格网间的高程差，计算水流方向。

现有方法存在如下不足：

(1)正方形格网与其边邻近和角邻近格网间距离之比为

流域水文特征提取中水流量的计算依赖于格网间距离，不一致的格网间距导致边邻近方向和角邻近方向上地形表达的失衡性，影响流域水文特征提取精度。

(2)基于六边形格网的地形特征提取研究中，水流方向基于单流向计算，而真实流域水流特征较复杂，在水流辐合区，单个格网水流全部流向高程更低格网，而在坡面，水流呈发散状。因此，单流向算法不能反映坡面的发散水流状况，无法真实描述水流特征。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于六边形格网的多流向流域特征提取方法。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于六边形格网的多流向流域特征提取方法，以球面六边形格网作为基础格网表达地形，分解每个六边形格网为三角形，根据与邻近六边形格网的高程差确定水流流向，根据高程差比例计算流量。

进一步地，基于六边形格网的多流向流域特征提取方法，包括以下步骤：

S1：基于六边形格网的DEM构建，包括以下子步骤：

S11：根据规则格网DEM分辨率，确定球面六边形格网剖分层次，按照Snyder等积投影，生成正二十面体六边形格网；

S12：根据规则格网DEM范围，确定参与计算的六边形格网；

S13：利用双线性插值法，计算六边形格网顶点高程；

S14：根据六边形格网顶点高程均值获得格网中心点高程；

S15：基于六边形格网的DEM的区域预处理，即对区域洼地进行填洼处理。

S2：水流多流向计算，包括以下子步骤：

S21：连接每个格网的中心点和顶点，形成三角形格网；

S22：根据顶点插值，计算每个三角形格网的高程值；

S23：计算每个三角形与邻近六边形格网的高程差，记为Δ_i＝E_△-E_Hex；

S24：当Δ_i＜0时，水流方向为当前三角形单元指向邻近格网。

S3：流量分配；

假设当六边形格网与其邻近格网间存在高程差时，六边形格网中的水流量全部流向其高程值较小的邻格网中。设每个格网单元的水流量为F_o，流入格网单元的水流量为F_in，每个格网单元水流出阈值为ε，流出格网单元的水流总量为F_out＝F_o+F_in-ε。根据每个格网单元的流向和高程差分配流入邻近格网的水流量。

S31：根据多流向计算方法，统计Δ_i＜0的个数，即为六边形格网的出水口总数，记为N；

S32：当N＝1时，表示仅有一个出水口，则六边形格网水流总量F_out全部流入对应邻近格网；

S33：当N≠1时，表示六边形格网存在多个出水口，根据每个出水口高程差Δ_i确定水流量。

首先，归一化Δ_i，计算公式如式(1)所示：

其次，按比例分配水流量，计算公式如式(2)所示：

F_{out_i}＝F_out×λ_i (2)

S34：更新邻近六边形格网水量总量，F_in＝F_in+F_{out_i}。

S4流域路径跟踪；

使用广度优先遍历法则，逐格网遍历，判定水流方向，计算水流量，跟踪流域路径。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.利用六边形格网作为基础格网，解决了基于规则格网DEM流域特征提取中，因边邻近、角邻近格网距离不一致引起的地形表达失衡性问题。

2.利用三角形与邻近六边形格网高程差比例，确定流向和流量，解决了原六边形单流向算法无法真实描述水流特征的问题。

附图说明

图1为本发明实施例基于六边形格网的多流向流域特征提取方法流程图；

图2为本发明实施例六边形格网DEM结果。其中图2a为球面正二十面体等积六边形格网；图2b为规则格网DEM与规则六边形DEM叠加及插值示意图；

图3为本发明实施例基于六边形格网DEM的多流向示意图。图3a为六边形各顶点形成的不等高六棱台，顶点与中心点连接构成三角形；图3b单个六边形格网确定的多个流向示意图；

图4为本发明实施例流向及流域特征曲线图，其中图4a为六边形流向图，图4b为流域特征曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于六边形格网的多流向流域特征提取方法，包括以下步骤：

S1：基于六边形格网的DEM构建，包括以下子步骤：

S11：根据规则格网DEM分辨率，确定球面六边形格网剖分层次，按照Snyder等积投影，生成正二十面体六边形格网，如图2a所示；

S12：根据规则格网DEM范围，确定参与计算的六边形格网；

S13：利用双线性插值法，计算六边形格网顶点高程，如图2b所示；

S14：根据六边形格网顶点高程均值获得格网中心点高程；

S15：基于六边形格网的DEM的区域预处理，即对区域洼地进行填洼处理。

S2：水流多流向计算，包括以下子步骤：

S21：连接每个格网的中心点和顶点，形成三角形格网，如图3a所示；

S22：根据顶点插值，计算每个三角形格网的高程值；

S23：计算每个三角形与邻近六边形格网的高程差，记为Δ_i＝E_△-E_Hex；

S24：当Δ_i＜0时，水流方向为当前三角形单元指向邻近格网，如图3b所示。

S3：流量分配；

如图3所示。假设当六边形格网与其邻近格网间存在高程差时，六边形格网中的水流量全部流向其高程值较小的邻格网中。设每个格网单元的水流量为F_o，流入格网单元的水流量为F_in，每个格网单元水流出阈值为ε，流出格网单元的水流总量为F_out＝F_o+F_in-ε。水流向各邻近单元的概率是相等的，高程差越大，水流速度越快，流量越大，根据每个格网单元的流向和高程差分配流入邻近格网的水流量。

S31：根据多流向计算方法，统计Δ_i＜0的个数，即为六边形格网的出水口总数，记为N；

S32：当N＝1时，表示仅有一个出水口，则六边形格网水流总量F_out全部流入对应邻近格网；

S33：当N≠1时，表示六边形格网存在多个出水口，根据每个出水口高程差Δ_i确定水流量。

首先，归一化Δ_i，计算公式如式(1)所示：

其次，按比例分配水流量，计算公式如式(2)所示：

F_{out_i}＝F_out×λ_i (2)

S34：更新邻近六边形格网水量总量，F_in＝F_in+F_{out_i}。

S4流域路径跟踪；

使用广度优先遍历法则，逐格网遍历，判定水流方向，计算水流量，跟踪流域路径。

与基于栅格提取流域特征曲线结果对比，如图4所示本发明提取的流域特征曲线能更好地表达流域的细节特征，对流域方向描述更符合客观现实。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于六边形格网的多流向流域特征提取方法，其特征在于：以球面六边形格网作为基础格网表达地形，分解每个六边形格网为三角形，根据与邻近六边形格网的高程差确定水流流向，根据高程差比例计算流量。

2.根据权利要求1所述的一种基于六边形格网的多流向流域特征提取方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：基于六边形格网的DEM构建，包括以下子步骤：

S11：根据规则格网DEM分辨率，确定球面六边形格网剖分层次，按照Snyder等积投影，生成正二十面体六边形格网；

S12：根据规则格网DEM范围，确定参与计算的六边形格网；

S13：利用双线性插值法，计算六边形格网顶点高程；

S14：根据六边形格网顶点高程均值获得格网中心点高程；

S15：基于六边形格网的DEM的区域预处理，即对区域洼地进行填洼处理；

S2：水流多流向计算，包括以下子步骤：

S21：连接每个格网的中心点和顶点，形成三角形格网；

S22：根据顶点插值，计算每个三角形格网的高程值；

S23：计算每个三角形与邻近六边形格网的高程差，记为Δ_i＝E_△-E_Hex；

S24：当Δ_i＜0时，水流方向为当前三角形单元指向邻近格网；

S3：流量分配；

假设当六边形格网与其邻近格网间存在高程差时，六边形格网中的水流量全部流向其高程值较小的邻格网中；设每个格网单元的水流量为F_o，流入格网单元的水流量为F_in，每个格网单元水流出阈值为ε，流出格网单元的水流总量为F_out＝F_o+F_in-ε；根据每个格网单元的流向和高程差分配流入邻近格网的水流量；

S31：根据多流向计算方法，统计Δ_i＜0的个数，即为六边形格网的出水口总数，记为N；

S32：当N＝1时，表示仅有一个出水口，则六边形格网水流总量F_out全部流入对应邻近格网；

S33：当N≠1时，表示六边形格网存在多个出水口，根据每个出水口高程差Δ_i确定水流量；

首先，归一化Δ_i，计算公式如式(1)所示：

其次，按比例分配水流量，计算公式如式(2)所示：

F_{out_i}＝F_out×λ_i (2)

S34：更新邻近六边形格网水量总量，F_in＝F_in+F_{out_i}；

S4流域路径跟踪；

使用广度优先遍历法则，逐格网遍历，判定水流方向，计算水流量，跟踪流域路径。

Images