CN116912435A - 一种平原水网区河道数据及其dem修正的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平原水网区河道矢量数据及所在DEM栅格数据修正的方法，不局限于水文技术领域，同样适用于气象灾害(如暴雨洪涝)风险评估、水文水位预报等方面。本发明基于开源高精度DEM数据，对照是否具备河道矢量数据两种情形，依据研究区的汇流规律，结合应用ArcGIS软件、FA水动力模型等实现水系的数字化、缓冲区分析、矢量转栅格及与河道深度栅格数据与原始DEM数据的镶嵌分析，构造出水系连通、真实连续的河道矢量数据，以及适宜分析研究区气象水文条件的水系DEM数据。其中采用的河道矢量数据选取方法能够在满足不同尺度区域研究目标前提下，获取局地微尺度特征，河道DEM数据修正采用河道等级与流量(属性特征)相结合的分级方法实现，整个流程操作便捷，可以实现批量重复处理，且应用效果显著。
Description
技术领域
本发明涉及气象水文技术领域，具体为一种平原水网区河道矢量数据及其精细化DEM修正的方法，包括河道矢量数据选取、河道矢量数据编辑、河道DEM数据提取及修正，提供一种效果好、易实现的GIS结合水动力模型模拟分析筛选DEM数据的方法，可以用于暴雨洪涝灾害风险预警技术如水位模拟、流量模拟、河流泛洪分析等。
背景技术
数字高程模型，简称DEM。河道的矢量数据及其DEM是水动力模型模拟的重要基础，也是驱动水体运动的关键数据。目前河道矢量数据获取来源主要有三个：一是网络开源数据，二是将高精度土地利用数据中水体数据转化获取，三是DEM数据提取生成。三种方法获取的数据各有优缺点，网络开源数据内容比较丰富，属性相对完整，包含河道名称、长度等信息，缺点是比例尺较低，难以表达河道在局地微尺度上的变化特征；高精度土地利用数据转化结果精细化程度较高，尤其是等级较高的河道，缺点是难以表达分布密集的低等级河道信息；DEM数据驱动生成河道的方法适用于高程变化较快的地方，局地微尺度特征表达效果好，但适用区域较少。针对高程变化小且缓慢的平原水网区，可以采用两种或三种来源结合处理的办法，获取满足研究区域目标的河道矢量数据。
DEM常作为重要的水文动力研究的基础数据，但是由于网络开源的平原水网区DEM数据精度不能完整表达河床地形，难以准确提取河道信息，所以无法直接应用于水位模拟、流量模拟、河流泛洪分析等研究工作。直接提取高精度DEM，获得的河道断面数据在准确性上仍有欠缺，采用断面构造法修正后的河道断面数据模拟出的洪水水位可以与观测水位十分接近，尤其在缺少河道断面资料的地区能够在一定程度上替代实测断面，其修正的做法为本专利提供了一种思路。此外，DEM数据分辨率对公式法中的流域地形参数取值存在重要影响，甚至可能造成设计洪峰流量的计算误差。专利公布号CN 110334384A公开了一种基于数字高程模型构建河道数据的方法，但实施例中仅针对地形起伏较大、高程变化较快的区域，且分析数据是DEM，并未在平原水网区展开测试，也未提出如何获取平原水网区河道矢量数据、如何基于不同等级河道矢量数据构建DEM的方法，而东部沿海广袤的平原水网区恰恰亟需一种河道DEM数据构建的方法。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是水动力模型应用在平原水网区，其最重要的输入条件——DEM数据如何确定，而影响DEM数据的最重要因素是河道及河道DEM数据如何确定。为了快速获取直接用于平原水网区水动力模型的数据基础，在此基础上获取较为准确的模拟水位/深，本发明提供了一种针对不同等级河道数据及其DEM的快速修正方法，以解决目前平原水网区DEM数据无法表达河道深度、宽度、比降等属性信息从而影响水动力模型模拟水位、流量等结果的问题。以太湖流域内的武澄锡虞区为例，依据是否具有河道矢量数据，本发明采用以下两种技术方案，其中DEM使用2010年30m分辨率的SRTM数据：
A.在研究区域具备河道矢量数据前提下：
1)初步检查河道矢量数据连通性和属性信息完备程度；
2)获取网络公开(开源)的30m分辨率土地利用数据，并通过应用ArcGIS软件中地理坐标定义、投影转换等功能实现其与SRTM数据坐标、投影与处理范围的一致性；
3)使用2)中土地利用数据提取河道信息，经栅格转矢量操作后获得一份河道矢量数据，对比1)中河道位置进一步编辑完善河道宽度、深度等属性信息，增强河道数据完整性；
4)综合文献、网页等资源进一步确定河道名称、河道等级及河道间的连通关系；
5)假设目标是模拟获得30m分辨率暴雨洪涝淹没结果，依据河道等级划分标准，自高至低依次选取研究区内各等级的河道，选取武澄锡虞区中一、二、三等三个等级的河道；
6)目标获得30m分辨率下暴雨洪涝风险，分别设置一、二、三等级河道宽度分别为120m、60m和30m；
7)应用ArcGIS软件在5)中设定的一级河道矢量线两侧建立两个等级缓冲区，在5)中设定的二级河道一侧建立两级缓冲区，并设定不同等级缓冲区的河道深度；
8)应用ArcGIS软件矢量转栅格功能，完成河道缓冲区深度的矢量转栅格处理；
9)应用ArcGIS软件栅格数据镶嵌功能，完成河道DEM数据的修正。
B.在不具备河道矢量数据，但能够获取研究区河道(水系)图片情形下：
1)一是应用ArcGIS软件数字化图片，处理形成具有与DEM数据坐标和投影信息一致的河道矢量数据，通常采用这种方法形成的河道矢量数据内容较为完整，但局地存在位置偏差；
2)采用A中2)与3)步骤形成另一份河道矢量数据，通常这份河道矢量数据仅能表达高等级及较高等级河道信息，优点在于位置较为准确；
3)综合1)中数据完整性和2)中数据位置准确性，应用ArcGIS软件编辑器拼接形成研究区内完整性较高位置准确的河道矢量数据；
4)继续启动ArcGIS软件编辑器功能，完善研究区内的河道及其属性信息，综合文献、网络中有关河道等信息确定研究区域内河道名称、河道等级及河道间的连通关系；
5)确定河道的宽度、深度等属性信息后，依据研究区域大小及研究目标，针对性地自高等级向低等级选择一、二、三等三个等级的河道；
6)目标获得30m分辨率下暴雨洪涝风险，分别设置一、二、三等级河道宽度分别为120m、60m和30m；
7)应用ArcGIS软件在5)中设定的一级河道矢量线两侧建立两个等级缓冲区，在5)中设定的二级河道一侧建立两级缓冲区，并设定不同等级缓冲区的河道深度；
8)应用ArcGIS软件矢量转栅格功能，完成河道缓冲区深度的矢量转栅格处理；
9)应用ArcGIS软件栅格数据镶嵌功能，完成河道DEM数据的修正。
在确定所有数据坐标及投影系统一致、及水动力模型适用于武澄锡虞区的参数组合情形下，验证河道数据空间位置准确性的方法有两个：一是两种来源数据在ArcGIS软件中叠加显示后对比分析，二是与现有的DEM数据或临河建筑空间分布等数据叠加分析，确定其空间位置的准确性，修正效果可采用水动力模型模拟的水位与观测水位逐时对比验证，并依据对比的结果做各等级河道缓冲区宽度及修正深度的调整。
本发明原理：以客观定量表达研究区汇水规律和汇水量为目标，利用GIS软件的缓冲区分析、矢量转栅格、栅格数据镶嵌等功能，实现平原水网区河道DEM数据的修正，为水动力模型模拟水位、流量等要素提供更为合理的基础数据。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的优点在于能够适用于平原水网区，并且操作相对简单、具备较高的可重复性，结果生成也比较高效，能够解决缺少河道矢量数据及河道DEM数据处理问题：
1、本发明采用的河道等级及数目由研究要求与精度共同决定，重要原则是河道数据选取方法能够较好地表达流域气象水文条件，综合考虑了河道信息丰富度、处理的复杂度和结果的合理性。
2、在多渠道搜集到不同等级河道的属性特征和汇水量后，依据河道等级设置了不同的宽度和断面形状，在考虑河道断面形状近似为矩形情形下，通过修正DEM数据，定量区分了河道等级及相应的汇水量。
3、河道数据处理方法可以通过编程实现，其缓冲等级、缓冲距离、各等级修正高度等参数修改，以及河道矢量数据转栅格、河道栅格数据与原始DEM镶嵌等流程均可以通过程序实现，简便易操作。
附图说明
图1一级河道矢量数据DEM修正后断面示意(h2<h1，中线为河道矢量数据垂线)；
图2二级河道矢量数据DEM修正之建立缓冲区(h4<h3，右侧实线为河道矢量数据垂线)；
图3太湖流域武澄锡虞区空间位置；
图4太湖流域武澄锡虞区主要河道(左)及修正后的DEM数据(右)；
图5 2016年9月15日-9月16日强降水模拟结果与实测对比(常州站)；
图6 2017年9月24日-9月25日强降水模拟结果与实测对比(无锡站)；
图7本发明涉及方法流程图。
其中，图1中中线为河道矢量数据垂线，底部和侧面实线为河道断面，上部虚线表示河面所在水平线，h2<h1。
图2中侧边长实线为河道矢量数据垂线，与底部和另一侧边短实线共同构成河道断面，上部虚线表示河面所在水平线，其中h4<h3，并且h3<h1。
具体实施方式
下面给出实施例并对本发明进行进一步描述。此次公开的实施方式可以认为在所有方面均为例示，不具限制性。本发明的范围不受以下实施方式的说明所限，仅由权利要求书的范围所示，而且包括与权利要求范围具有同样意思及权利要求范围内的所有变形。
除非另有定义，文中使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有说明，本发明中使用的ArcGIS、FloodArea(简称FA)水动力模型为发明者常用软件，具体操作过程中不限定于某一种，能够达到既定目的即可。
在明确河道位置情形下，DEM数据修正参数依据汇流量确定，依据河道宽度、深度及断面形状区分不同等级，图1-3分别为太湖流域武澄锡虞区内一、二、三这三个等级河道DEM数据修正办法示意图。
对于研究区内江南大运河和锡澄运河等一级河道，综合不同段河道宽度、深度、断面形状等属性差异设定方案如下：设定河道宽度120m，在河道矢量线两侧由内向外设定一级、二级两级缓冲区，两级缓冲区单侧宽度均为30m，长度与河道矢量一致，深度分别设定为h1、h2。使用ArcGIS软件中矢量转栅格功能完成两级缓冲区河道深度这一属性的栅格化，生成的河道深度栅格数据坐标信息、栅格分辨率等环境参数设置均与区域DEM保持一致，据此构建出120m宽度的河道深度栅格数据(图1)。
对于二级河道，在河道矢量线单侧设定一个格网宽度的缓冲区，由内向外分别定为一级、二级，两级缓冲区宽度均为30m、长度与河道矢量一致。对应一、二两级缓冲区设置修正高度h3、h4，使用ArcGIS软件中矢量转栅格功能完成两级缓冲区高度这一属性的栅格化，坐标信息、栅格分辨率等环境参数设置均与区域DEM保持一致，因此构建出60m宽度的河道深度栅格数据(图2)。
由于研究区内三级河道宽度通常在30m左右，因此在本发明中仅考虑河流流经的地方、不设计缓冲区，在设置不同河道深度情形下，直接通过ArcGIS软件中矢量转栅格功能制作形成三级河道深度栅格数据，输出的数据范围、分辨率与原始DEM数据一致。
完成研究区域内各级河道深度数据栅格化以后，结合原始DEM数据和河道深度栅格数据，应用ArcGIS软件栅格计算器构建出修正后的河道DEM数据，进一步应用ArcGIS软件镶嵌到新的栅格功能、镶嵌条件为最小值这一条件完成一、二、三等级河道深度栅格数据与原始DEM数据的融合，得到带有修正后河道深度、宽度和断面形状等属性信息的DEM数据，能够较原始DEM数据更好表达不同等级河道的汇流信息(图3)。
修正效果需要通过进一步的实例证明，不同等级河道属性通过调整深度实现，通过两个实施例具体说明，具体实施方式如下：
实施例1
常州(三)水文站监测太湖流域江南大运河(视为太湖流域内一级河道)水位，以2016年9月15-16日的强降水过程为例，在处理出常州(三)站从模拟开始即较好地表达了水位变化趋势，除在个别时刻如第9时刻、第37时刻未能清晰表达水位转折差异外，模拟水位清晰地反映出水位上升趋势、较好地表达了上涨幅度，并在第40时刻与观测水位共同达到峰值。
实施例2
2017年9月24-25日强降水情景下，在第28时刻前，FA模拟水位与观测水位差异较大，但从第28个时刻开始，逐渐与观测水位趋于一致，模拟误差在0.05m范围内。观测水位在第47时刻达到峰值，而模拟水位最高值出现在第49时刻。这个案例也可以说明，在引入修正后的DEM数据基础上，FA水动力模型可以较好地模拟平原水网区高及较高等级河道洪水过程、特别是涨水时段水位的变化动态，进而为定量掌握区域汇流规律提供基础支撑。
参考文献：
孔乔,丁永生,王琰.一种基于数字高程模型构建河道数据的方法[P/OL].2019-10-15。
Claims (2)
1.一种平原水网区河道矢量数据及其DEM修正的方法，其特征在于采用以下两种技术方案，其中DEM使用30m分辨率的SRTM数据：
A.在研究区域具备河道矢量数据前提下：
1)初步检查河道矢量数据连通性和属性信息完备程度；
2)获取网络公开(开源)的30m分辨率土地利用数据，并通过应用ArcGIS软件中地理坐标定义、投影转换等功能实现其与SRTM数据坐标、投影与处理范围的一致性；
3)使用2)中土地利用数据提取河道信息，经栅格转矢量操作后获得一份河道矢量数据，对比1)中河道位置进一步编辑完善河道宽度、深度等属性信息，增强河道数据完整性；
4)综合文献、网页等资源进一步确定河道名称、河道等级及河道间的连通关系；
5)假设目标是模拟获得30m分辨率暴雨洪涝淹没结果，依据河道等级划分标准，自高至低依次选取研究区内各等级的河道，选取武澄锡虞区中一、二、三等三个等级的河道；
6)目标获得30m分辨率下暴雨洪涝风险，分别设置一、二、三等级河道宽度分别为120m、60m和30m；
7)应用ArcGIS软件在5)中设定的一级河道矢量线两侧建立两个等级缓冲区，在5)中设定的二级河道一侧建立两级缓冲区，并设定不同等级缓冲区的河道深度；
8)应用ArcGIS软件矢量转栅格功能，完成河道缓冲区深度的矢量转栅格处理；
9)应用ArcGIS软件栅格数据镶嵌功能，完成河道DEM数据的修正。
B.在不具备河道矢量数据，但能够获取研究区河道(水系)图片情形下：
1)一是应用ArcGIS软件数字化图片，处理形成具有与DEM数据坐标和投影信息一致的河道矢量数据，通常采用这种方法形成的河道矢量数据内容较为完整，但局地存在位置偏差；
2)采用A中2)与3)步骤形成另一份河道矢量数据，通常这份河道矢量数据仅能表达高等级及较高等级河道信息，优点在于位置较为准确；
3)综合1)中数据完整性和2)中数据位置准确性，应用ArcGIS软件编辑器拼接形成研究区内完整性较高位置准确的河道矢量数据；
4)继续启动ArcGIS软件编辑器功能，完善研究区内的河道及其属性信息，综合文献、网络中有关河道等信息确定研究区域内河道名称、河道等级及河道间的连通关系；
5)确定河道的宽度、深度等属性信息后，依据研究区域大小及研究目标，针对性地自高等级向低等级选择一、二、三等三个等级的河道；
6)目标获得30m分辨率下暴雨洪涝风险，分别设置一、二、三等级河道宽度分别为120m、60m和30m；
7)应用ArcGIS软件在5)中设定的一级河道矢量线两侧建立两个等级缓冲区，在5)中设定的二级河道一侧建立两级缓冲区，并设定不同等级缓冲区的河道深度；
8)应用ArcGIS软件矢量转栅格功能，完成河道缓冲区深度的矢量转栅格处理；
9)应用ArcGIS软件栅格数据镶嵌功能，完成河道DEM数据的修正。
2.根据权利要求1所述的一种平原水网区河道矢量数据及其DEM修正的方法，其特征在于在确定所有数据坐标及投影系统一致的情形下，验证河道数据空间位置准确性的主要有两个：一是两种来源数据在ArcGIS软件中叠加显示后对比分析，二是与现有的DEM数据或临河建筑空间分布等数据叠加分析，确定其空间位置的准确性，修正效果可采用水动力模型模拟的结果与观测水位对比验证，并做调整。
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