[發明專利]一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計算方法

有效

• 申請號: 201910655040.2
• 申請日: 2019-07-19
• 公開（公告）號: CN110457771B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 吳鵬飛;劉金濤;費俊源;劉楊洋;姚杰夫
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/05;G06F17/11
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

本發明提供了一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計算方法，屬于數字地形分析技術領域。其技術方案為：一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計算方法，采用水流方向組成的水流路徑接近水流在地表的真實移動路徑；對數值模擬水和污染物輸移過程的水文物理模型使用了DEM獲取更高精度水流路徑的方法。本發明的有益效果為：本發明通過使用水流到達下游單元的真實高程和下游單元中心高程的高度偏差作為傳遞參數校正水流方向的方法；相較于D8方法，本發明提供了水流方向組成的水流路徑更接近水流在地表的真實移動路徑。

技術領域

本發明涉及數字地形分析技術領域，具體涉及一種通過使用水流到達下游單元的真實高程和下游單元中心高程的高度偏差作為傳遞參數校正水流方向的方法。

背景技術

水流方向是一個重要的水文地貌參數，廣泛應用于許多對水流和污染物進行輸移過程模擬的數值模型。目前的水流方向計算主要基于數字高程模型(Digital ElevationModel,DEM)進行。DEM是對地形的一種概化描述，將地形簡化為大量正方向柵格單元，每個單元賦予一個高程值視為該單元平均高度。在目前的水流方向計算的研究中，主要將每個單元的高程作為該單元中心點的高度。

目前最經典的水流方向計算方法是O’Callaghan和Mark(1984)提出的D8方法，該方法將DEM柵格單元的水流方向指向相鄰單元中與中心單元坡度最大者，但是由于這種方法只考慮了局部坡度，而且水流的真實方向可能并非8個允許方向之一，因此從整體上看D8方法提供的水流方向連接成的完整水流路徑存在較大偏差。盡管Quinn等(1991)提出了允許一個單元具備多個水流方向的方法，但該方法計算更為復雜且不適用于流域劃分、流動距離計算等領域。目前廣泛接受的是允許水流方向從0°到360°之間任意方向的無窮流向方法(Tarboton，1997)，但是由于每個單元的流向都起始于單元中心，如果水流方向不是8方向之一，當水流沿著該方向流動后就沒有了進一步的移動方向，因此該方法在實現上仍是一種多流向算法，同樣存在前面所說的問題。

因此，為了更好地服務于流域劃分、流動距離計算，需要有一種改進的八方向方法。考慮到水流實際應該是沿0°到360°之間任意方向流動，其實際到達位置的高度也并非DEM柵格單元中心的高程，因此使用這部分高度偏差對下游的水流方向進行修正是一個很好的想法。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，解決現有的應用于DEM地形的單流向方法中只考慮局部坡度，忽略的地形整體變化，水流路徑偏差較大的問題，而提供一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計算方法。

本發明是通過如下措施實現的：一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計算方法，主要包括以下步驟：

步驟S1：加載DEM數據，DEM為二維數組格式，構建3個與DEM數據尺寸相同的數組A、B、C，數組A用于保存最低相鄰單元方向、數組B用于保存第二可能流動方向、數組C用于保存最終確定的流向，并且3個數組中所有位置的初始值都設為0，再構建一個能保存柵格單元三維坐標信息，并根據柵格高程從低到高依次排列的優先隊列Q，以及另一個從高到低排列柵格單元三維坐標信息的優先隊列T，兩個優先隊列中同一高程的不同單元按插入先后順序先后排列，新插入的單元排在同一高程單元的最后；

步驟S2：掃描DEM，將DEM中的有效地形單元加入優先隊列T排序，同時將位于有效地形邊緣的單元加入優先隊列Q進行排序，并同時在數組A、B、C中賦予相同的流向，該流向指向DEM有效地形外側；

步驟S3：不斷取出優先隊列Q頭部的單元，檢索該頭部單元的8個相鄰單元中的未在數組A中賦予流向的有效單元，為其在數組A中賦予指向此頭部單元的方向并加入隊列Q，若該未賦流向值的單元高程值不高于P，還需為其在數組B與C中賦予指向此頭部單元的方向；如果該單元在數組B中對應方向值為初始值0，則比較該單元鄰近其最低相鄰單元的另外兩個相鄰單元的高程，將其中較低者所在方向作為第二可能流向并存入數組B，重復此步驟至隊列Q為空隊列；