CN115688435A - 一种基于数字高程模型dem对流域洼地处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，登录地理空间数据云网络平台获取对象流域数字高程数据DEM，作为流域模拟的原始数据；将数字高程数据导入BTOPMC网格分布式水文模型系统，对原始DEM数据填洼处理，生成数字高程数据文件；基于填洼高程数据文件，获得对象流域各网格上水流方向，生成流域网格流向数据文件，检查并捕捉出现对流网格；基于填洼高程、流域网格流向数据文件，以捕捉到的对流网格为疏浚源头，用公式疏浚处理，生成疏浚高程数据文件；基于汇水面积数据确定合适的阈值进行流域水系特征提取，利用ArcGIS软件绘制流域范围、标记疏浚河道，形成河网水系。本发明提高流域水系特征提取精度，属于地学领域。
Description
技术领域
本发明涉及数字高程模型的水系提取方法，属于地学领域，具体涉及一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法。
背景技术
流域河网是水文模拟和资源管理计划的重要组成部分，流域水系特征提取作为水文等地球表面运动模拟实现可视化的基础工作，通常基于流域数字高程模型(DEM)对地形信息提取，从而确定水流路径形成河网水系，是实现水流路径可视化及明确流域内、水系河网拓扑关系的第一步。DEM数据尤其是栅格型DEM因其获取方便快捷、计算处理方法简单有效等优势，在水文领域得到普遍应用。
在生成数字河网过程中，由于受到数据收集系统、收集方式、分辨率等及人工操作差异影响，河网提取结果往往不能完全还原自然界的流域分布和水流路径，其中包括由天然存在的或数据采集过程中形成的洼地或小平原，导致对流、循环流、交叉流等。在实际流域中此类情况往往表现为临近流域出海口位置的往复流，不同时间段的同一网格区域可能存在涨潮落潮与憩潮的不同潮汐状，流域水文模拟通常要求河流网格拥有单一方向以形成一张完整的水系网络。
研究者针对洼地平原地区直接使用现有DEM数据，容易造成河网不连续等问题，对DEM数据进行局部加密和修改，能有效增强流域信息提取能力。常见处理方案是在流域高程基础上抬高网格高程形成斜坡，迫使洼地水流沿特定方向流动形成径流。仅采用填洼技术处理DEM数据可能造成过度填洼，形成新洼地、潮水往复、河道两岸抬高形成人造“地上河”等现象。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，对填洼后的研究区域进行分析疏浚和流域特征得到提取，通过与实测的流域图对比，提高提取精度与效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，包括以下步骤：
(1)登录地理空间数据云网络平台获取对象流域数字高程数据DEM，将获得的ASCII格式数字高程数据重命名为basin.dem作为流域模拟的原始数据；
(2)将获得的数字高程数据basin.dem导入BTOPMC网格分布式水文模型系统，利用该模型系统对原始DEM数据进行填洼处理，生成填洼后的数字高程数据文件basin.fil；
(3)基于填洼高程数据文件basin.fil，获得对象流域各网格上水流方向，生成流域网格流向数据文件baisn.fd，检查并捕捉出现对流网格；
(4)基于填洼高程数据文件basin.fil、流域网格流向数据文件basin.fd，以捕捉到的对流网格为疏浚源头，利用公式进行疏浚处理，生成疏浚高程数据文件basin.drg；
(5)基于汇水面积数据basin.facc确定合适的阈值进行流域水系特征提取，利用ArcGIS软件绘制流域范围、标记疏浚河道，形成河网水系。
作为一种优选，步骤(2)中将生成相关栅格数据文件包括网格一维编号文件basin.gn、网格边长与面积文件、填洼相关数据文件；其中网格边长与面积文件包括单位网格纬向长度basin.dx、单位网格经向长度basin.dy、单位网格面积basin.1ga；填洼相关数据文件包括填洼高度数据basin.dhv、填洼后高程数据basin.fil。
作为一种优选，步骤(3)中基于填洼高程数据文件，采用D8单向流法标记出网格水流方向，如图2所示，获得对象流域流域流向数据文件basin.fd。
作为一种优选，步骤(4)中基于填洼高程数据文件、流域流向数据文件及捕捉的对流网格，填洼处理结束后，检查历遍水流路径网格，检查流入网格A周围高程最小或坡度最大网格B高程与之相同时，对流入网格A起做疏浚处理，采用公式降低等高河道高程。
作为一种优选，对研究流域洼地进行处理，优化流域水系特征提取，将提取流域水系与实地测量流域图进行对比。
作为一种优选，步骤(5)中基于汇水面积数据basin.facc进行流域水系特征提取，利用ArcGIS软件中数据管理工具将ASCII格式为文件绘制流域范围、标记疏浚河道，形成更贴合实际的河网水系。
作为一种优选，：BTOPMC网格分布式水文模型系统的地形模块采用确定平坦区域流向最广泛使用的是由Jenson和Domingue提出的方法，即首先寻找与具有流向单元相邻的单元，然后确定相邻单元网格的流向，重复进行直到历遍所有的平坦区域单元，生成流域流向文件basin.fd。
作为一种优选，为了提高流域水系特征提取的精度，保证水文模拟的有效性，利用公式计算疏浚深度，
drg_dem(i,j)＝fil_dem(i,j)-drg(i,j)
其中，h0为常量，取不大于高程分辨率的数，i，j为网格二维序号，drg(i,j)为疏浚深度，fil_dem(i,j)为填洼后疏浚前网格高程，drg_dem(i,j)为疏浚后网格高程，si，sj是网格边长，取实际计算出的经纬网格边的大地线长度；特殊的，当采用以长度为单位且网格长宽比为1的坐标系统作为基础的DEM，如Hydro1kDEM时，
若水流方向为斜向流，即fd＝1，3，5，7，则
若水流方向为东西走向或南北走向，即fd＝2，4，6，8，则
总的说来，本发明具有如下优点：
上述方案中，获取研究区域数字高程模型并对其进行初步填洼处理，标记出现往复流水结点，寻找潜在河道，在此基础上利用仿生疏浚方式，降低水结点下游等高河道高程，使周围水流自然流入河道，避免出现过度填洼、地上河等现象，从而进一步提高流域水系特征提取精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的适用于大规模分布式水文模拟方法的流程示意图。
图2为水流方向值示意图。
图3-图8为湄公河流域局部疏浚处理过程与结果，其中，图3为初始局部高程(mekong.dem)，图4为填洼后局部高程，图5为初始高程水流方向及标记(mekong.fd)，图6为疏浚高程水流方向及标记(mekong.fd)，图7为疏浚后高程及水流方向标记(mekong.drg)，图8为获得局部河网。
图9为湄公河全流域疏浚处理过程与结果。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
本发明基于BTOPMC模型系统的地形模块数字河网提取方法包括：
(1)登录地理空间数据云网络平台获取对象流域数字高程数据(DEM)，对所获得数据进行镶嵌处理，同时加入行政区域作为参考；
(2)利用BTOPMC网格分布式水文模型系统对原始DEM数据进行初步坐标系处理、填洼处理，生成相关栅格数据文件；
(3)基于填洼高程数据文件，获得对象流域各网格上水流方向，生成水流方向数据文件(baisn.fd)，捕捉出现往复流的水结点；
(4)基于填洼数据文件、所述水流方向文件及捕捉的水结点，进行疏浚处理，生成疏浚数据文件(basin.drg)；
(5)基于所述河网数据进行流域水系特征提取，绘制流域范围、标记疏浚河道，形成河网水系。
本实施例中，以湄公河流域为例，具体如下：
(1)登录地理空间数据云网络平台获取Hydro1k DEM，并对所获得数据进行镶嵌处理，同时加入行政区域作为参考。
本实施例中，以湄公河流域为例，需根据提示对坐标系统参数进行选择，选择Hydro1k DEM所对应的Lambert Azimuthal Equal-Area投影方式，投影中心为亚洲投影中心即(N45°,E100°)，基准面选择CLARKE 1866 AUTHALIC SPHERE。将以上获得数据转化成ASCII格式文件，并将文件名需要改成mekong.dem，导入BTOPMC网格分布式水文模型系统。
(2)利用BTOPMC网格分布式水文模型系统对原始DEM数据mekong.dem进行初步坐标系处理，具体操作为在路径CBTOPMC/BSHELL/y_1_preprocess.sh环境下根据提示输入命令行进行填洼处理，生成相关栅格数据文件。
所需参数包括原始数据存放路径、研究流域名称、流域总流向(包括1：左上至右下，2：右上至左下，3：右下至左上，4：左下至右上四种选择)、流向选择优先(1：最大坡度，2：最小高程)、河宽模型(系统提供1：钟向宁河宽模型，2：Altunin河宽模型，3：Lu1河宽模型，4：Lu2河宽模型)。
本实施例中，根据研究流域实际情况，湄公河流域流向总趋势为从左上至右下，故选择参数为1；流向优先选择最小高程网格，故选择参数2；河宽模型选择钟向宁河宽模型，故选择参数4。命令行如下：
./y_1_preprocess.sh～/mekong/LA1k mekong 1 2 4
本实施例中，BTOPMC模型系统地形模块根据导入流域数字高程模型数据(mekong.dem)与坐标系统参数的设置，历遍流域网格，进行填洼处理，生成填洼深度文件(mekong.dhv)及填洼后高程文件(mekong.fil)
(3)基于填洼高程数据文件mekong.fil，获得对象流域各网格上水流方向，生成流域网格流向数据文件mekong.fd，检查并捕捉出现对流网格。
本实施例中，BTOPMC模型系统地形模块，确定平坦区域流向最广泛使用的是由Jenson和Domingue提出的方法，表示方法如图2所示。首先寻找与具有流向单元相邻的那些单元，确定这些单元的流向，重复进行直历遍所有的平坦区域单元，最后检查是否存在对流水流方向。
(4)基于填洼高程数据文件mekong.fil、流域网格流向数据文件mekong.fd，以捕捉到的对流网格为疏浚源头，利用公式进行疏浚处理，生成疏浚高程数据文件mekong.drg。
本实施例中，河道疏浚：分为四个阶段包括：
1)辨识错误径流路径；
2)网格标示、流向复核确定；
3)网格疏浚、判断下游网格是否需要继续疏浚直到河道出口；
4)检查是否因为其他网格水流路径的对接，需要对旧有水流路径进一步疏浚。
本实施例中，利用公式计算疏浚深度：
drg_dem(i,j)＝fil_dem(i,j)-drg(i,j)
其中，h0取0.01m，i，j为网格二维序号，drg(i,j)为疏浚深度，fil_dem(i,j)为填洼后疏浚前网格高程，drg_dem(i,j)为疏浚后网格高程，si，sj是网格边长。
本实施例中，采用以长度为单位且网格长宽为1km的Hydro1k DEM，
当水流方向为斜向流，即fd＝1，3，5，7，则
当水流方向为东西走向或南北走向，即fd＝2，4，6，8，则
由于篇幅有限，故本实施例中仅截取湄公河流域中7km×7km大小作为计算过程图例展示。计算结果如图7所示。
(5)基于所述回流面积数据(mekong.facc)进行流域水系特征提取，具体操作是利用Excel软件，对所有单元格筛选mekong.facc中超过阈值的网格，将其并重新生成ASCII格式文件，利用ArcGIS软件中转换工具——由ASCII转栅格——由栅格转折线，以矢量线形式绘制流域，形成河网水系，疏浚河道部分用灰色阴影强调，如图8所示。
本实施例中，假定每个栅格有1个单位水量，按照水从高往低的自然规律，根据地形水流方向分布计算每一格所流过的水量数值，便可得到对象流域汇水面积分布。获得汇水面积分布后，根据选取合理的源头集水面积阈值提取数字，由于实施例中取得是流域的局部，故取网格数阈值为1。如果需要完全展示湄公河流域河网水系，则需要设置更大阈值，具体操作是利用Excel软件，筛选mekong.facc中超过1000的网格，并重复上述步骤(5)利用ArcGIS导出矢量数字河网，结果如图9所示，为便于查看，嵌如流域边界线(灰色点画线)，疏浚河道部分用灰色阴影强调。
本实施例中BTOPMC模型系统地形模块在Linux系统下，程序采用C语言编程，所涉及参数在系统中有详细介绍，并有案例可以参考。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)登录地理空间数据云网络平台获取对象流域数字高程数据DEM，将获得的ASCII格式数字高程数据重命名为basin.dem作为流域模拟的原始数据；
(2)将获得的数字高程数据basin.dem导入BTOPMC网格分布式水文模型系统，利用该模型系统对原始DEM数据进行填洼处理，生成填洼后的数字高程数据文件basin.fil；
(3)基于填洼高程数据文件basin.fil，获得对象流域各网格上水流方向，生成流域网格流向数据文件baisn.fd，检查并捕捉出现对流网格；
(4)基于填洼高程数据文件basin.fil、流域网格流向数据文件basin.fd，以捕捉到的对流网格为疏浚源头，利用公式进行疏浚处理，生成疏浚高程数据文件basin.drg；
(5)基于汇水面积数据basin.facc确定合适的阈值进行流域水系特征提取，利用ArcGIS软件绘制流域范围、标记疏浚河道，形成河网水系。
2.按照权利要求1所述的一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，其特征在于：步骤(2)中将生成相关栅格数据文件包括网格一维编号文件basin.gn、网格边长与面积文件、填洼相关数据文件；其中网格边长与面积文件包括单位网格纬向长度basin.dx、单位网格经向长度basin.dy、单位网格面积basin.1ga；填洼相关数据文件包括填洼高度数据basin.dhv、填洼后高程数据basin.fil。
3.按照权利要求1所述的一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，其特征在于：步骤(3)中基于填洼高程数据文件，采用D8单向流法标记出网格水流方向，获得对象流域流域流向数据文件basin.fd。
4.按照权利要求1所述的一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，其特征在于：步骤(4)中基于填洼高程数据文件、流域流向数据文件及捕捉的对流网格，填洼处理结束后，检查历遍水流路径网格，检查流入网格A周围高程最小或坡度最大网格B高程与之相同时，对流入网格A起做疏浚处理，采用公式降低等高河道高程。
5.按照权利要求1所述的一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，其特征在于：对研究流域洼地进行处理，优化流域水系特征提取，将提取流域水系与实地测量流域图进行对比。
6.按照权利要求1所述的一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，其特征在于：步骤(5)中基于汇水面积数据basin.facc进行流域水系特征提取，利用ArcGIS软件中数据管理工具将ASCII格式为文件绘制流域范围、标记疏浚河道，形成更贴合实际的河网水系。
7.按照权利要求2所述的一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，其特征在于：BTOPMC网格分布式水文模型系统的地形模块采用确定平坦区域流向最广泛使用的是由Jenson和Domingue提出的方法，即首先寻找与具有流向单元相邻的单元，然后确定相邻单元网格的流向，重复进行直到历遍所有的平坦区域单元，生成流域流向文件basin.fd。
8.按照权利要求4所述的一种基于数字高程模型DEM对流域洼地处理方法，其特征在于：为了提高流域水系特征提取的精度，保证水文模拟的有效性，利用公式计算疏浚深度，
drg_dem(i,j)＝fil_dem(i,j)-drg(i,j)
其中，h0为常量，取不大于高程分辨率的数，i，j为网格二维序号，drg(i,j)为疏浚深度，fil_dem(i,j)为填洼后疏浚前网格高程，drg_dem(i,j)为疏浚后网格高程，si，sj是网格边长，取实际计算出的经纬网格边的大地线长度；特殊的，当采用以长度为单位且网格长宽比为1的坐标系统作为基础的DEM，如Hydro1kDEM时，
若水流方向为斜向流，即fd＝1，3，5，7，则
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|---|---|---|---|---|
| CN115797502A (zh) * | 2023-02-08 | 2023-03-14 | 航天宏图信息技术股份有限公司 | 一种基于dem数据的地性线提取方法和装置 |
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