CN115346119A - 一种基于数字高程模型的数字河网提取方法 - Google Patents

一种基于数字高程模型的数字河网提取方法 Download PDF

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CN115346119A CN202210975842.3A CN202210975842A CN115346119A CN 115346119 A CN115346119 A CN 115346119A CN 202210975842 A CN202210975842 A CN 202210975842A CN 115346119 A CN115346119 A CN 115346119A
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周买春
方梦伊
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    • G06V20/10—Terrestrial scenes
    • G06V20/182—Network patterns, e.g. roads or rivers

Abstract

本发明涉及水文技术领域，具体涉及一种基于数字高程模型的数字河网提取方法；本发明获取探究区域所拍摄的影像数据和数字高程模型数据，再根据所获取的影像数据，从中提取出所需要的水文地貌要素，将水文地貌要素转换为栅格数据，对栅格所持有的水量进行分配，根据预设阈值及每个栅格的汇流面积值，来确定待提取区域中的流域河网，所提供的方法，提取结果较更为合理准确，提高了河网水系的提取质量。

Description

一种基于数字高程模型的数字河网提取方法
技术领域
本发明涉及水文技术领域，具体涉及一种基于数字高程模型的数字河网提取方法。
背景技术
流域水文模型是水文科学中一个重要分支之一，是研究水文自然规律和解决水文实践问题的主要工具。而流域水系这一地貌特征是流域水文建模的主要参数，其包含的水系信息是水文模型分析的基础数据。因此，流域水系特征的提取一直是水文科学研究的热点。
从20世纪80年代后期以来，计算机技术、遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、数字高程模型Digital Elevation Model(以下简称DEM)的快速发展，水体信息获得的方法也得到了很大的发展，大体上分为利用光谱知识和利用DEM两类。DEM是描述地面高程值空间分布的一组有序数组，能够反映一定分辨率的局部地形特征，是目前用于流域地形分析的主要数据，因此也就能根据地形的局部特征，借助一定的算法，进行一定地理空间范围内的水文模拟。
专利申请号为CN201410721851.5的“一种基于不规则三角网模型的数字河网提取方法”专利，其在说明书中记载有“先在高程样本基础上构建三角网模型。对三角网进行修正，按照三角网顶点的高程值升序排列方式建立优先队列，逐个取出高程最小的顶点，将该顶点的高程值作为当前水位。借助于顶点与三角形的拓扑关系，获取当前顶点的邻接顶点，若找到的邻接顶点高程小于当前水位，其高程更改为当前水位值。将当前邻接顶点加入优先队列。当优先队列中的点全部处理完后，再逐个遍历所有顶点，每遍历到一个顶点就搜索当前顶点的下游所有顶点，统计出下游顶点的个数并赋值给当前顶点的下游累计值。得到的所有顶点的下游累计值隐含了最终获得的河网信息”，上述专利所提供的方法，虽然具有一定的数字河网提取作用，但是其未能充分的进行栅格水量的分配，使得提取结果准确性不佳，影响了其河网提取的质量，无法满足需求。
综上所述，研发一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，是水文技术领域中急需解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明在于提供一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，本发明所提供的方法，提取结果较更为合理准确，提高了河网水系的提取质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供了一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，包括以下步骤：
(1)获取探究区域所拍摄的影像数据和数字高程模型数据；
(2)根据所获取的影像数据，从中提取出所需要的水文地貌要素；
(3)将水文地貌要素转换为栅格数据，对栅格所持有的水量进行分配；
(4)根据预设阈值及每个栅格的汇流面积值，确定待提取区域中的流域河网。
本发明进一步的设置为：在步骤(1)中，所述的数字高程模型为栅格型的高程模型DEM。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，在步骤(3)中，对栅格所持有的水量进行分配，包括以下内容：
处于边界处的栅格所持有的水量统一流向区域外；
将栅格内部和栅格邻域间的水量按照分配规则进行分配。
本发明进一步的设置为：所述的处于边界处的栅格所持有的水量统一流向区域外的方法为：假设栅格c上覆水深为W(c)，计算栅格c的高度Z(c)，则其全局性高度为ZW(c)＝W(c)+Z(c)；按照以上方法，计算c的邻域栅格的ZW值，求得坡降量最大的邻域栅格n；将栅格c水量转移到邻域栅格n。
本发明进一步的设置为：所述的栅格内部的水量分配，包括以下内容：
将栅格剖分为八个三角面，令每一个三角面含有相等的水量；根据每个三角面的坡向，确定每个三角面内水量的转换情况，完成栅格内部的水量分配。
本发明进一步的设置为：所述的栅格邻域间的水量分配，包括以下内容：
若两个邻域栅格高度均大于或等于中心栅格c，则该三角面水量平均分配到其他所有高度小于c的邻域栅格；
若两个邻域栅格中有且只有一个栅格高度小于中心栅格c，则该三角面水量全部流入该较低栅格；
若两个邻域栅格高度均小于中心栅格c，则计算水量分配比例，确定最终转移水量。
本发明进一步的设置为：所述的计算水量分配比例的公式为：
mv(n)＝min{W(c)×d(n),(ZW(c)-ZW(n))/2}，式中，W(c)为中心栅格水量，d(n)为邻域栅格分配系数，ZW(c)为中心栅格高度，ZW(n)为邻域栅格高度。
本发明进一步的设置为：在步骤(4)中，若汇流面积值大于预设阈值，则为流域河网，否则，不作为流域河网。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明获取探究区域所拍摄的影像数据和数字高程模型数据，再根据所获取的影像数据，从中提取出所需要的水文地貌要素，将水文地貌要素转换为栅格数据，对栅格所持有的水量进行分配，根据预设阈值及每个栅格的汇流面积值，来确定待提取区域中的流域河网，所提供的方法，提取结果较更为合理准确，提高了河网水系的提取质量。
附图说明
图1为本发明一种基于数字高程模型的数字河网提取方法的流程图；
图2为本发明实施例中水量保持在原三角面不变的示意图；
图3为本发明实施例中水量一半流入邻域三角面的示意图；
图4为本发明实施例中栅格邻域间图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例：
如图1-4所示，本发明提供了一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，包括以下步骤：
(1)获取探究区域所拍摄的影像数据和数字高程模型数据。
进一步的，数字高程模型为栅格型的高程模型DEM。
在本步骤中，对于影像数据的获取，包括但不限于利用无人机、卫星技术等，获取待研究区域所拍摄的高清照片，再通过测量工具(如软件)输出影像数据和数字高程模型数据。此外，需要说明的是，数字高程模型是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由地面规则格网点的高程值构成的矩阵，形成栅格结构数据集。
(2)根据所获取的影像数据，从中提取出所需要的水文地貌要素。
在本步骤中，通过所获取的影像数据，模拟构建虚拟所探究区域的地貌，进而从所模拟构建的地貌中，提取出所需要的水文地貌要素，包括但不限于湖泊、水库、溶洞和河流等。
(3)将水文地貌要素转换为栅格数据，对栅格所持有的水量进行分配。
进一步的，对栅格所持有的水量进行分配，包括以下内容：
处于边界处的栅格所持有的水量统一流向区域外；
将栅格内部和栅格邻域间的水量按照分配规则进行分配。
更进一步的，处于边界处的栅格所持有的水量统一流向区域外的方法为：假设栅格c上覆水深为W(c)，计算栅格c的高度Z(c)，则其全局性高度为ZW(c)＝W(c)+Z(c)；按照以上方法，计算c的邻域栅格的ZW值，求得坡降量最大的邻域栅格n；将栅格c水量转移到邻域栅格n。
更进一步的，栅格内部的水量分配，包括以下内容：
将栅格剖分为八个三角面，令每一个三角面含有相等的水量；根据每个三角面的坡向，确定每个三角面内水量的转换情况，完成栅格内部的水量分配。
作为一种实施方式，如图2所示，若三角面1的坡向为[0,45]，则三角面1的水量保持不变，若三角面1的坡向为[45,90]时，则三角面1的水量一半流向三角面2，另一半保持不变。
其中，栅格邻域间的水量分配，包括以下内容：
若两个邻域栅格高度均大于或等于中心栅格c，则该三角面水量平均分配到其他所有高度小于c的邻域栅格；
若两个邻域栅格中有且只有一个栅格高度小于中心栅格c，则该三角面水量全部流入该较低栅格；
若两个邻域栅格高度均小于中心栅格c，则计算水量分配比例，确定最终转移水量。
进一步的，计算水量分配比例的公式为：
mv(n)＝min{W(c)×d(n),(ZW(c)-ZW(n))/2}，式中，W(c)为中心栅格水量，d(n)为邻域栅格分配系数，ZW(c)为中心栅格高度，ZW(n)为邻域栅格高度。
在本步骤中，能够合理的分配水量，自适应处理洼地及其他各种特殊地形，消除断流从而使得整个河网连续完整，能够正确表达湖泊而非生成平行河网，能够提取平坦区域河网干流。所提供的方法提取结果较更为合理准确。
(4)根据预设阈值及每个栅格的汇流面积值，确定待提取区域中的流域河网。
进一步的，若汇流面积值大于预设阈值，则为流域河网，否则，不作为流域河。
在本步骤中，通过预设阈值，来对比每个栅格的汇流面积值，进而确定流域河网，具有更好的灵活性和实用性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取探究区域所拍摄的影像数据和数字高程模型数据；
(2)根据所获取的影像数据，从中提取出所需要的水文地貌要素；
(3)将水文地貌要素转换为栅格数据，对栅格所持有的水量进行分配；
(4)根据预设阈值及每个栅格的汇流面积值，确定待提取区域中的流域河网。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的数字高程模型为栅格型的高程模型DEM。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，在步骤(3)中，对栅格所持有的水量进行分配，包括以下内容：
处于边界处的栅格所持有的水量统一流向区域外；
将栅格内部和栅格邻域间的水量按照分配规则进行分配。
4.根据权利要求3所述的一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，所述的处于边界处的栅格所持有的水量统一流向区域外的方法为：假设栅格c上覆水深为W(c)，计算栅格c的高度Z(c)，则其全局性高度为ZW(c)＝W(c)+Z(c)；按照以上方法，计算c的邻域栅格的ZW值，求得坡降量最大的邻域栅格n；将栅格c水量转移到邻域栅格n。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，所述的栅格内部的水量分配，包括以下内容：
将栅格剖分为八个三角面，令每一个三角面含有相等的水量；根据每个三角面的坡向，确定每个三角面内水量的转换情况，完成栅格内部的水量分配。
6.根据权利要求4所述的一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，所述的栅格邻域间的水量分配，包括以下内容：
若两个邻域栅格高度均大于或等于中心栅格c，则该三角面水量平均分配到其他所有高度小于c的邻域栅格；
若两个邻域栅格中有且只有一个栅格高度小于中心栅格c，则该三角面水量全部流入该较低栅格；
若两个邻域栅格高度均小于中心栅格c，则计算水量分配比例，确定最终转移水量。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，所述的计算水量分配比例的公式为：
mv(n)＝min{W(c)×d(n),(ZW(c)-ZW(n))/2}，式中，W(c)为中心栅格水量，d(n)为邻域栅格分配系数，ZW(c)为中心栅格高度，ZW(n)为邻域栅格高度。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字高程模型的数字河网提取方法，其特征在于，在步骤(4)中，若汇流面积值大于预设阈值，则为流域河网，否则，不作为流域河网。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115859855A (zh) * 2022-12-02 2023-03-28 河海大学 基于静水平衡原理的河网汇水域提取方法
CN115859855B (zh) * 2022-12-02 2024-05-14 河海大学 基于静水平衡原理的河网汇水域提取方法

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