[發(fā)明專利]一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計(jì)算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910655040.2
• 申請日: 2019-07-19
• 公開（公告）號: CN110457771B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳鵬飛;劉金濤;費(fèi)俊源;劉楊洋;姚杰夫
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/05;G06F17/11
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

本發(fā)明提供了一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計(jì)算方法，屬于數(shù)字地形分析技術(shù)領(lǐng)域。其技術(shù)方案為：一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計(jì)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(shí)移動路徑；對數(shù)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(fā)明的有益效果為：本發(fā)明通過使用水流到達(dá)下游單元的真實(shí)高程和下游單元中心高程的高度偏差作為傳遞參數(shù)校正水流方向的方法；相較于D8方法，本發(fā)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(shí)移動路徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字地形分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種通過使用水流到達(dá)下游單元的真實(shí)高程和下游單元中心高程的高度偏差作為傳遞參數(shù)校正水流方向的方法。

背景技術(shù)

水流方向是一個(gè)重要的水文地貌參數(shù)，廣泛應(yīng)用于許多對水流和污染物進(jìn)行輸移過程模擬的數(shù)值模型。目前的水流方向計(jì)算主要基于數(shù)字高程模型(Digital ElevationModel,DEM)進(jìn)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(gè)單元賦予一個(gè)高程值視為該單元平均高度。在目前的水流方向計(jì)算的研究中，主要將每個(gè)單元的高程作為該單元中心點(diǎn)的高度。

目前最經(jīng)典的水流方向計(jì)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(shí)方向可能并非8個(gè)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(gè)單元具備多個(gè)水流方向的方法，但該方法計(jì)算更為復(fù)雜且不適用于流域劃分、流動距離計(jì)算等領(lǐng)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(gè)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(dāng)水流沿著該方向流動后就沒有了進(jìn)一步的移動方向，因此該方法在實(shí)現(xiàn)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(wù)于流域劃分、流動距離計(jì)算，需要有一種改進(jìn)的八方向方法。考慮到水流實(shí)際應(yīng)該是沿0°到360°之間任意方向流動，其實(shí)際到達(dá)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(jìn)行修正是一個(gè)很好的想法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，解決現(xiàn)有的應(yīng)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(jì)算方法。

本發(fā)明是通過如下措施實(shí)現(xiàn)的：一種基于高程偏差傳遞的DEM水流方向計(jì)算方法，主要包括以下步驟：

步驟S1：加載DEM數(shù)據(jù)，DEM為二維數(shù)組格式，構(gòu)建3個(gè)與DEM數(shù)據(jù)尺寸相同的數(shù)組A、B、C，數(shù)組A用于保存最低相鄰單元方向、數(shù)組B用于保存第二可能流動方向、數(shù)組C用于保存最終確定的流向，并且3個(gè)數(shù)組中所有位置的初始值都設(shè)為0，再構(gòu)建一個(gè)能保存柵格單元三維坐標(biāo)信息，并根據(jù)柵格高程從低到高依次排列的優(yōu)先隊(duì)列Q，以及另一個(gè)從高到低排列柵格單元三維坐標(biāo)信息的優(yōu)先隊(duì)列T，兩個(gè)優(yōu)先隊(duì)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(yōu)先隊(duì)列T排序，同時(shí)將位于有效地形邊緣的單元加入優(yōu)先隊(duì)列Q進(jìn)行排序，并同時(shí)在數(shù)組A、B、C中賦予相同的流向，該流向指向DEM有效地形外側(cè)；

步驟S3：不斷取出優(yōu)先隊(duì)列Q頭部的單元，檢索該頭部單元的8個(gè)相鄰單元中的未在數(shù)組A中賦予流向的有效單元，為其在數(shù)組A中賦予指向此頭部單元的方向并加入隊(duì)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(shù)組B與C中賦予指向此頭部單元的方向；如果該單元在數(shù)組B中對應(yīng)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(gè)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(shù)組B，重復(fù)此步驟至隊(duì)列Q為空隊(duì)列；