CN116126983A - 一种基于dem确定多级流域出口位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流域信息提取技术领域，公开一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，包括：确定河网密度；基于提取的河网生成河道连接点；基于得到的河道连接点生成以河道汇流节点为出水口的子流域；统计各级子流域内最大汇流累积量；基于得到的汇流累积量及各级子流域内最大汇流累积量计算各级子流域的出水口点；对各子流域出水口点进行矢量化；获取流域内各控制节点的位置；基于获取的各控制节点的位置及矢量化后的各子流域出水口点获取流域内所有的节点；基于流域内所有的节点及流向生成最终子流域和汇水区间。本发明实现了多级流域出口位置的自动获取，为流域水文模拟及水资源配置提供技术支撑。

Description

一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法

技术领域

本发明涉及流域信息提取技术领域，尤其涉及一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法。

背景技术

流域基本信息是流域水文模拟和水资源配置的前提和基础，目前不能快速、准确和便捷的获取流域基本信息，如何快速、准确和便捷的获取是提升流域水文模拟与水资源配置工作效率的重要环节之一。子流域和汇水区间可作为流域水文模拟与水资源配置基本单元，子流域和汇水区间的划分可对模拟与配置结果产生影响，而控制节点是子流域和汇水区间划分的关键。

发明内容

针对背景技术中存在的目前不能快速、准确和便捷的获取流域基本信息的问题，本发明提出一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，充分发挥ArcGIS工具的优势，实现子流域汇流节点自动提取与全流域控制节点的合成，扩充了流域基本信息提取的方法，本发明实现了多级流域出口位置的自动获取，为流域水文模拟与水资源配置提供技术支撑。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，包括以DEM为基础数据，通过ArcGIS工具实现对流域信息的自动提取；

具体包括以下步骤：

步骤1，确定河网密度；包括：以DEM为基础，借助ArcGIS中的水文分析工具，进行填洼计算、流向计算、汇流累积量计算，形成初始河网；将初始河网转成Google Earth可识别文件，检查由DEM生成的河网是否与遥感影像中的对应，若是则执行步骤2，若否则进行DEM重构与河网重新提取；

步骤2，生成以河道汇流节点为出水口的子流域；包括：基于提取的河网生成河道连接点；基于得到的河道连接点生成以河道汇流节点为出水口的子流域；

步骤3，确定各级子流域出水口位置；包括：统计各级子流域内最大汇流累积量；基于得到的汇流累积量及各级子流域内最大汇流累积量计算各级子流域的出水口点；对各子流域出水口点进行矢量化；

步骤4，生成最终子流域和汇水区间；包括：获取流域内各控制节点的位置；基于获取的各控制节点的位置及矢量化后的各子流域出水口点获取流域内所有的节点；基于流域内所有的节点及流向生成最终子流域和汇水区间。

进一步地，所述步骤1包括：

步骤1.1，河网生成与提取：使用ArcGIS软件中的水文分析工具Hydrology，按照填洼→流向→汇流累积→栅格计算器流程对DEM进行处理，分别得到填洼fill、流向flowdir、汇流累积flowacc文件，最终形成初始河网ri_ori；

步骤1.2，河网校正：使用栅格转折线将ri_ori转为ri_ori.shp，使用图层转KML工具将ri_ori.shp转成Google Earth可识别文件ri_ori.KML，检查由DEM生成的河网是否与遥感影像中的对应，是否满足提取流域基本信息的需求，如果满足需求，则执行步骤2操作，如果不满足需求，则进行DEM重构，按照步骤1.3进行操作；

步骤1.3，DEM重构与河网重新提取：通过Google Earth对ri_ori.KML进行编辑，直到河网满足需求，另存为新文件ri_ori_n.KML；使用KML转图层工具将ri_ori_n.KML文件转为ri_ori_n.shp；使用缓冲分析缓冲距离为一个栅格长度，处理ri_ori_n.shp形成新文件ri_ori_b1.shp；将缓冲距离设为两个栅格长度，再次处理ri_ori_n.shp形成新文件ri_ori_b2.shp；使用折线转栅格分别处理ri_ori_n.shp、ri_ori_b1.shp、ri_ori_b2.shp文件，形成新文件ri_ori_n_d、ri_ori_b1_d、ri_ori_b2_d；使用栅格计算器将ri_ori_n_d赋值为0，将ri_ori_b1_d赋值为-10，将ri_ori_b2_d赋值为-20，形成新文件ri_ori_n_dn、ri_ori_b1_dn、ri_ori_b2_dn；使用图像合并至新栅格图层，将ri_ori_n_dn、ri_ori_b1_dn、ri_ori_b2_dn和DEM合并，形成新文件DEM_new；以DEM_new为基础，重复步骤1.1、步骤1.2和步骤1.3，直到满足河网密度需求，生成河网ri_ori。

进一步地，所述步骤2包括：

步骤2.1，生成河道连接点：使用河流链接处理ri_ori，得到河道连接点str_link；

步骤2.2，生成以河道汇流节点为出水口的子流域：使用集水区处理str_link文件，得到初始子流域subbasin_ori。

进一步地，所述步骤3包括：

步骤3.1，统计各级子流域内最大汇流累积量：使用区域统计来统计各级子流域内最大汇流累积量flowacc_bain；

步骤3.2，计算各级子流域的出水口点：使用栅格计算器将flowacc_basin与flowacc做差值，得到subbasin_outlet，再使用栅格计算器提取subbasin_outlet数值为0的点，得到subbasin_outlet2；

步骤3.3，各子流域出水口点矢量化：使用栅格转点工具将subbaisin_outlet2栅格文件转为点矢量文件splits_ori.shp。

进一步地，所述步骤4包括：

步骤4.1，获取流域内各控制节点的位置，并将其转为矢量点文件control.shp；

步骤4.2，校验各控制节点的位置：将ri_ori和control.shp文件导入GIS，检查各控制节点是否在河道上，如果控制节点不在河道上，则对其进行编辑，将其就近移动到河道上，如果控制节点很多，则使用临近分析批量将控制节点移动到河道上；

步骤4.3，获取流域内所有的节点：使用合并将splits_ori.shp和control.shp合并，形成最终的节点splits_all.shp；

步骤4.4，生成最终子流域和汇水区间：以流向flowdir和splits_all.shp文件为输入，使用集水区得到最终子流域和汇水区间subbasin_fin。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提出一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，以DEM为基础数据，通过ArcGIS工具实现对流域信息的自动提取，包括：确定河网密度；生成以河道汇流节点为出水口的子流域；确定各级子流域出水口位置；生成最终子流域和汇水区间。本发明充分发挥ArcGIS工具的优势，实现子流域汇流节点自动提取与全流域控制节点的合成，扩充了流域基本信息提取的方法，最终实现了多级流域出口位置的自动获取，为流域水文模拟与水资源配置提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例延河流域水文分析过程示意图；

图3为本发明实施例延河流域河网校正示意图；

图4为本发明实施例延河流域河道连接点生成示意图；

图5为本发明实施例延河流域生成以河道汇流节点为出水口的子流域方法示意图；

图6为本发明实施例延河流域统计各级子流域内最大汇流累积量的方法示意图；

图7为本发明实施例延河流域计算各级子流域的出水口点的方法示意图；

图8为本发明实施例延河流域各子流域出水口点矢量化的方法示意图；

图9为本发明实施例延河流域获取流域内所有的节点的方法示意图；

图10为本发明实施例延河流域生成最终子流域和汇水区间的方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

如图1所示，一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，包括：

S1，确定河网密度；包括：

第一步，以DEM为基础，借助ArcGIS中的水文分析工具，进行填洼计算、流向计算、汇流累积量计算，形成初始河网，如图2所示；

第二步，河网校正：将初始河网转成Google Earth可识别文件，打开文件，检查由DEM生成的河网是否是与遥感影像中的对应，如图3所示，若是则执行S2，若否则执行第三步；

第三步，DEM重构与河网重新提取。

S2，生成以河道汇流节点为出水口的子流域；包括：

第一步，基于提取的河网生成河道连接点，如图4所示；

第二步，基于得到的河道连接点生成以河道汇流节点为出水口的子流域，如图5所示。

S3，统计各级子流域内最大汇流累积量；包括：

第一步，统计各级子流域内最大汇流累积量，如图6所示；

第二步，基于得到的汇流累积量及各级子流域内最大汇流累积量计算各级子流域的出水口点，如图7所示；

第三步，对各子流域出水口点进行矢量化，如图8所示。

S4，生成最终子流域和汇水区间；包括：

第一步，获取流域内各控制节点(水文站、水库、闸等)的位置；

第二步，基于获取的各控制节点的位置及矢量化后的各子流域出水口点获取流域内所有的节点，如图9所示；

第三步，基于流域内所有的节点及流向生成最终子流域和汇水区间，如图10所示。

作为一种可实施方式，所述S1的具体步骤为：

S11，河网生成与提取：使用ArcGIS软件中的水文分析工具(Hydrology)，按照填洼(Fill)→流向(Flow Direction)→汇流累积(Flow Accumulation)→栅格计算器(RasterCalculator)流程对DEM进行处理，分别得到填洼fill、流向flowdir、汇流累积flowacc文件，最终形成初始河网(ri_ori)。其中，在使用栅格计算器过程中需根据实际需求和经验确定河网提取的阈值；

S12，河网校正：使用栅格转折线(Raster to Polyline)将ri_ori转为ri_ori.shp，使用图层转KML工具(Layer To KML)将ri_ori.shp转成Google Earth可识别文件(ri_ori.KML)。打开ri_ori.KML文件，检查由DEM生成的河网是否是与遥感影像中的对应，是否满足提取流域基本信息的需求。如果满足需求，则转到S21操作。如果不满足需求，则进行DEM重构，按照S13进行操作；

S13，DEM重构与河网重新提取：通过Google Earth对ri_ori.KML进行编辑，直到河网满足需求，另存为新文件ri_ori_n.KML。使用KML转图层(KML to Layer)工具，将ri_ori_n.KML文件转为ri_ori_n.shp。使用缓冲分析(Buffer)，缓冲距离为一个栅格长度(即DEM的分辨率)，处理ri_ori_n.shp形成新文件ri_ori_b1.shp。将缓冲距离设为两个栅格长度，再次处理ri_ori_n.shp形成新文件ri_ori_b2.shp。使用折线转栅格(Ployline to Raster)分别处理ri_ori_n.shp、ri_ori_b1.shp、ri_ori_b2.shp文件，形成新文件ri_ori_n_d、ri_ori_b1_d、ri_ori_b2_d。使用栅格计算器(Raster Calculator)将ri_ori_n_d赋值为0，将ri_ori_b1_d赋值为-10，将ri_ori_b2_d赋值为-20，形成新文件ri_ori_n_dn、ri_ori_b1_dn、ri_ori_b2_dn。使用图像合并至新栅格图层(Mosaic To New Raster)，将ri_ori_n_dn、ri_ori_b1_dn、ri_ori_b2_dn和DEM合并，形成新文件DEM_new。以DEM_new为基础，重复S11、S12和S13，直到满足河网密度需求，生成河网(ri_ori)。

作为一种可实施方式，所述S2的具体步骤为：

S21，生成河道连接点：使用河流链接(Stream Link)处理ri_ori，得到河道连接点str_link；

S22，生成以河道汇流节点为出水口的子流域：使用集水区(Watershed)处理str_link文件，得到初始子流域subbasin_ori。

作为一种可实施方式，所述S3的具体步骤为：

S31，统计各级子流域内最大汇流累积量：使用区域统计(Zonal Statistics)统计各级子流域内最大汇流累积量，得到flowacc_bain；

S32，计算各级子流域的出水口点：使用栅格计算器(Raster Calculator)将flowacc_basin与flowacc做差值，得到subbasin_outlet，再使用栅格计算器提取subbasin_outlet数值为0的点(公式：Con(“subbasin_outlet”＝＝0,1))，得到subbasin_outlet2；

S33，各子流域出水口点矢量化：使用栅格转点(Raster to Point)工具将subbaisin_outlet2栅格文件转为点矢量文件splits_ori.shp。

作为一种可实施方式，所述S4的具体步骤为：

S41，获取流域内各控制节点(水文站、水库、闸等)的位置，并将其转为矢量点文件control.shp；

S42，校验各控制节点的位置：将ri_ori和control.shp文件导入GIS，检查各控制节点是否在河道上，如果控制节点不在河道上，则需要对其进行编辑，将其就近移动到河道上。如果控制节点很多，则可以考虑使用临近分析(Near)，批量将控制节点移动到河道上；

S43，获取流域内所有的节点：使用合并(Merge)将splits_ori.shp和control.shp合并，形成最终的节点splits_all.shp；

S44，生成最终子流域和汇水区间：以流向flowdir和splits_all.shp文件为输入，使用集水区(Watershed)得到最终子流域和汇水区间subbasin_fin。

综上，本发明提出一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，以DEM为基础数据，通过ArcGIS工具实现对流域信息的自动提取，包括：确定河网密度；生成以河道汇流节点为出水口的子流域；确定各级子流域出水口位置；生成最终子流域和汇水区间。本发明充分发挥ArcGIS工具的优势，实现子流域汇流节点自动提取与全流域控制节点的合成，扩充了流域基本信息提取的方法，最终实现了多级流域出口位置的自动获取，为流域水文模拟与水资源配置提供技术支撑。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，其特征在于，包括以DEM为基础数据，通过ArcGIS工具实现对流域信息的自动提取；

具体包括以下步骤：

步骤1，确定河网密度；包括：以DEM为基础，借助ArcGIS中的水文分析工具，进行填洼计算、流向计算、汇流累积量计算，形成初始河网；将初始河网转成Google Earth可识别文件，检查由DEM生成的河网是否与遥感影像中的对应，若是则执行步骤2，若否则进行DEM重构与河网重新提取；

步骤2，生成以河道汇流节点为出水口的子流域；包括：基于提取的河网生成河道连接点；基于得到的河道连接点生成以河道汇流节点为出水口的子流域；

步骤3，确定各级子流域出水口位置；包括：统计各级子流域内最大汇流累积量；基于得到的汇流累积量及各级子流域内最大汇流累积量计算各级子流域的出水口点；对各子流域出水口点进行矢量化；

步骤4，生成最终子流域和汇水区间；包括：获取流域内各控制节点的位置；基于获取的各控制节点的位置及矢量化后的各子流域出水口点获取流域内所有的节点；基于流域内所有的节点及流向生成最终子流域和汇水区间。

2.根据权利要求1所述的一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤1.1，河网生成与提取：使用ArcGIS软件中的水文分析工具Hydrology，按照填洼→流向→汇流累积→栅格计算器流程对DEM进行处理，分别得到填洼fill、流向flowdir、汇流累积flowacc文件，最终形成初始河网ri_ori；

步骤1.2，河网校正：使用栅格转折线将ri_ori转为ri_ori.shp，使用图层转KML工具将ri_ori.shp转成Google Earth可识别文件ri_ori.KML，检查由DEM生成的河网是否与遥感影像中的对应，是否满足提取流域基本信息的需求，如果满足需求，则执行步骤2操作，如果不满足需求，则进行DEM重构，按照步骤1.3进行操作；

步骤1.3，DEM重构与河网重新提取：通过Google Earth对ri_ori.KML进行编辑，直到河网满足需求，另存为新文件ri_ori_n.KML；使用KML转图层工具将ri_ori_n.KML文件转为ri_ori_n.shp；使用缓冲分析缓冲距离为一个栅格长度，处理ri_ori_n.shp形成新文件ri_ori_b1.shp；将缓冲距离设为两个栅格长度，再次处理ri_ori_n.shp形成新文件ri_ori_b2.shp；使用折线转栅格分别处理ri_ori_n.shp、ri_ori_b1.shp、ri_ori_b2.shp文件，形成新文件ri_ori_n_d、ri_ori_b1_d、ri_ori_b2_d；使用栅格计算器将ri_ori_n_d赋值为0，将ri_ori_b1_d赋值为-10，将ri_ori_b2_d赋值为-20，形成新文件ri_ori_n_dn、ri_ori_b1_dn、ri_ori_b2_dn；使用图像合并至新栅格图层，将ri_ori_n_dn、ri_ori_b1_dn、ri_ori_b2_dn和DEM合并，形成新文件DEM_new；以DEM_new为基础，重复步骤1.1、步骤1.2和步骤1.3，直到满足河网密度需求，生成河网ri_ori。

3.根据权利要求1所述的一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1，生成河道连接点：使用河流链接处理ri_ori，得到河道连接点str_link；

步骤2.2，生成以河道汇流节点为出水口的子流域：使用集水区处理str_link文件，得到初始子流域subbasin_ori。

4.根据权利要求2所述的一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1，统计各级子流域内最大汇流累积量：使用区域统计来统计各级子流域内最大汇流累积量flowacc_bain；

步骤3.2，计算各级子流域的出水口点：使用栅格计算器将flowacc_basin与flowacc做差值，得到subbasin_outlet，再使用栅格计算器提取subbasin_outlet数值为0的点，得到subbasin_outlet2；

步骤3.3，各子流域出水口点矢量化：使用栅格转点工具将subbaisin_outlet2栅格文件转为点矢量文件splits_ori.shp。

5.根据权利要求4所述的一种基于DEM确定多级流域出口位置的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1，获取流域内各控制节点的位置，并将其转为矢量点文件control.shp；

步骤4.2，校验各控制节点的位置：将ri_ori和control.shp文件导入GIS，检查各控制节点是否在河道上，如果控制节点不在河道上，则对其进行编辑，将其就近移动到河道上，如果控制节点很多，则使用临近分析批量将控制节点移动到河道上；

步骤4.3，获取流域内所有的节点：使用合并将splits_ori.shp和control.shp合并，形成最终的节点splits_all.shp；

步骤4.4，生成最终子流域和汇水区间：以流向flowdir和splits_all.shp文件为输入，使用集水区得到最终子流域和汇水区间subbasin_fin。

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