[發明專利]基于柵格DEM的大河流域洼地填充預處理方法

有效

• 申請號: 201410845310.3
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN104537718A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 劉永和;李艷利;胡永紅;王燕平;李艷粉
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05
• 代理公司: 安陽市智浩專利代理事務所 41116
• 代理人: 張智和

技術領域

本發明涉及地理信息系統以及分布式水文模型中基于柵格數字高程模型的流域數字水系提取方法，尤其是能夠應用于大河流域的洼地填充預處理方法。

背景技術

基于數字高程模型(DEM)提取流域水系信息是實現分布式水文模型數值模擬的重要方法。流域水系信息的提取包括計算流向、累積流向、水系分級以及匯水網絡等。目前常用八向方法(簡寫為D8方法)來獲得上述信息，然而這些信息能否成功提取還取決于對洼地及平地像元的預處理。目前已有許多可用于這些任務的軟件工具，如著名GIS商業軟件ArcGIS中的空間分析工具，ENVI的插件River?Tools，Global?Mapper軟件等，這些軟件對于較小的規模或者地理空間范圍不大的流域可以成功提取出完整的水系。由于大河流域涉及范圍較廣，數據量較大，DEM中會存在大量高程誤差，以及高程完全相同的“平地”像元，即使經過洼地填充處理的DEM仍難以正確提取出完整的水系。事實證明，對于黃河中上游流域，采用上述軟件工具仍無法正確提取，其輸出結果是一堆“斷頭河”。采用Plachon&Doubarx(2002)[?Planchon,?O.?and?Darboux,?F.,?2002.?A?fast,?simple?and?versatile?algorithm?to?fill?the?depressions?of?digital?elevation?models.?CATENA,?46(2-3):?159-176.]方法及其各種變形，也得到的是類似的“斷頭河”。Liu?[Liu?Yonghe,?2009.Another?Fast?and?Simple?DEM?Depression-Filling?Algorithm?Based?on?Priority?Queue?tructure.?Atmospheric?and?Oceanic?Science?Letters,?2(4):214-219.]提出了一種洼地填充方法，該方法具有較強的適應性，但對于黃河流域這樣的大流域，經過洼地填充同樣無法獲得完整的水系信息。如何在數據量較大、空間跨度大的DEM中正確提取水系信息仍是一個需要解決的問題。

發明內容

為正確高效的在柵格DEM基礎上提取大河流域的水系信息，本發明提供一種以洼地填充步驟為核心的處理方法。其基本思想是借助基于優先隊列的洼地填充方法來從DEM邊緣最低像元處開始向內逐個“海水淹沒”像元，記錄每個像元被淹沒的次序。由于每個像元可擁有一個不同的次序編號，而且高程愈高的像元，獲得的次序編號愈大；高程相同的多個像元，淹沒時間愈晚，其次序編號愈大。用淹沒次序編號矩陣來代替原DEM高程矩陣來完成流向矩陣、累積流向矩陣、水系分級矩陣，以及其它匯水網絡信息。

本發明的技術方案包括以下步驟：

1.創建并初始化一個以浮點數為關鍵字的優先隊列對象；

2.將柵格DEM四條外邊界上的像元按照高程從低到高的順序加入優先隊列；

3.當優先隊列不空時，繼續執行第4步；否則從第12步開始執行；

4.彈出排在最前面的像元，它是優先隊列中存放的所有像元中高程最低的，把它作為當前像元，它的高程作為當前海平面高度；

5.借助計數器為當前像元設置淹沒次序編號，并將此編號存入淹沒次序矩陣中的相應位置上；

6.若當前像元已是淹沒狀態，則返回第3步執行，否則將其標記為淹沒狀態后執行第7步；

7.找出當前像元周圍8個方向上的所有未被淹沒的鄰域像元；

8.將低于海平面的鄰域像元執行步驟9-10；高于海平面的鄰域像元直接加入優先隊列，之后返回至第3步；

9.將尚未淹沒的鄰域像元加入優先隊列，并將其標記為臨岸狀態；

10.當前鄰域高程改設為當前海平面的高度；返回第8步將其它鄰域像元完成同樣的操作；

11.返回至第3步；

12.輸出淹沒次序矩陣。

本發明的有益效果是基于優先隊列的處理方法完成了DEM中填充洼地像元以及無數據像元的同時，且獲取了淹沒次序號矩陣，用它代替原有DEM高程來完成后續的流向及水系網絡信息的提取，可有效避免原DEM中高程相同像元所造成的“平地”像元阻礙水系提取的問題，能獲得與真實水系一致的數字水系模型，可用于任何大小的流域提取。

本發明方法已成功的實現了黃河中上游流域的水系正確提取，表明該方法能夠正確完成DEM中洼地及無數據區域的填充，并能提取出大河流域的完整水系網絡。

附圖說明