[發明專利]面向大區域流域提取的并行方法

有效

• 申請號: 201210320618.7
• 申請日: 2012-09-03
• 公開（公告）號: CN102915227A
• 公開（公告）日: 2013-02-06
• 發明（設計）人: 劉學軍;湯國安;江嶺;宋效東;祝士杰
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G06F9/38
• 分類號: G06F9/38;G06F9/50;G06F17/50
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明涉及一種數字高程模型（DEM）的流域提取并行技術，具體說是一種基于面向大區域海量DEM數據的數據劃分、融合策略及串行算法并行解析機制的流域提取并行方法。

背景技術

數字高程模型產品（Digital?Elevation?Models，縮寫為DEM）是地理信息系統（Geographical?Information?System,縮寫為GIS）地理數據庫中最為重要的空間信息資料和賴以進行地形分析的核心數據系統，其應用遍布測繪、交通、軍事、水利、農業、環境、資源管理、規劃與旅游等眾多領域，如在測繪部門主要用于三維地形建模、可視域分析、工程土方估算、遙感影像的幾何矯正等；在地學界主要用于水文分析、蓄洪計算、淹沒分析等三維地學分析；在國土資源部門主要用于土地利用類型詳察等。

DEM并不是地形的簡單表達，真正價值在于DEM所蘊含的各種地學信息。如何進行“數據挖掘”，獲取各種反映實際地形地貌的結構信息，是GIS領域一個重要的研究方向。在此需求環境下，數字地學分析技術應運而生。數字地形分析（Digital?Terrain?Analysis,DTA）是在DEM上進行地形屬性計算和特征提取的數字信息處理技術。在復雜的現實世界地理過程中各影響因子和簡單、高效、精確和易于理解的抽象和計算機實現中找到平衡，是數字地形分析的核心任務。用來描述地形特征和空間分布的地形參數有很多，根據地形屬性的地學應用范疇，地形屬性可分為一般地形屬性（如高程、坡度坡向等）和水文特征（如地形結構識別、流域提取等）。其中，流域提取是DTA的重要研究內容。流域是指地表水及地下水分水線所包圍的集水區域的總稱。區域水土保持的重要工作之一是小流域治理，其產流匯流過程的模擬均離不開小流域這一精確劃分治理模型及其評價的基本單元。因此，流域的自動提取在實際應用中具有重要意義。

目前，空間數據獲取技術的發展，使大范圍高分辨率數字地形數據的快速獲取成為現實，為基于海量DEM數據的數字地形分析提供了豐富的數據源。眾多應用領域對DEM數據分辨率及數字地形分析效率的要求也越來越高，相應的研究規模也不斷增大。如在黃土高原地區，覆蓋全區的采用5m分辨率DEM數據量約100GB，很難在單機條件下完成流域提取的計算任務。在數據量從少量到海量、分辨率從低到高、分析結果從低精度到高精度的背景下，單機計算能力不足的問題日益突出。這就造成了計算資源低利用率和海量數據高分析效率要求之間的矛盾，也使得DEM數據得不到充分利用。

在解決基于規模DEM數據集的流域提取方面，Lars?Arge（Arge?L.,et?al.Efficient?Flow?Computation?on?Massive?Grid?Terrain?Datasets[J].Geoinformatica,2003,7(4):283-313.）等對I/O效率算法進行了研究，其處理的數據規?？梢赃_到2GB?，F有的大多數GIS軟件中集成的流域特征提取功能都對經典算法進行改進，如ArcGIS和Rivertools等軟件的流域特征提取功能都在某種程度采用了I/O高性能算法，以減少計算時間。對流域算法的研究和改進，在一定程度上提高了算法效率和數據處理規模，然而這些分析算法都是串行的，可擴展性差，在處理更大規模的地形數據時仍然存在較大困難。