基于湖泊汇流关系的内流湖盆区流域自动划分方法技术

本发明专利技术公开基于湖泊汇流关系的内流湖盆区流域自动划分方法。基于湖泊汇流关系的双层次流域划分思路，充分顾及了内流湖盆区的地表汇流特征，通过确定出每一个封闭型湖泊的集水区域从而实现第一层次的流域划分，进而通过设定集水区阈值在第一层次流域划分基础上进行子流域细化。该方法可充分利用现有丰富的数字高程模型产品，通过提取出高质量的流域数据产品，为流域地貌、水文学及全球变化等研究提供数据和方法支撑。

Automatic watershed division method for inland lake basin based on confluence relationship of lakes

【技术实现步骤摘要】
基于湖泊汇流关系的内流湖盆区流域自动划分方法
本专利技术属于水文地貌学领域，特别涉及一种基于湖泊汇流关系的内流湖盆区流域自动划分方法。
技术介绍
流域是天然的地理单元，流域的空间信息广泛应用于水文建模(任立良和刘新良，2000；Liuetal.,2014)，地貌演化(祝士杰等，2013)、土壤侵蚀(Venteetal.,2013)等众多领域。当前，对流域信息的提取主要基于数字高程模型，通过开发相应的流域地形分析算法，实现对流域边界的自动划分。流域划分的准确性主要依赖于数字高程模型的精度和流域提取算法的性能。随着航空/天数字摄影测量、激光点云、雷达测绘等技术的快速发展，地形数据的获取能力有了极大的提升。当前在全球尺度上广泛应用的数据高程模型数据主要有SRTMDEM、ASTERGDEM、ALOSAW3D30等，这些数据也成为流域划分中的重要基础数据(Yamazakietal.,2017；Yueetal.,2017)。在算法方面，目前流域划分形成了较为固定的处理流程，主要包括了洼地填充、水流方向计算、汇流累计计算、河网提取及流域标识等步骤(O’CallaghanandMark,1984；Tarbotonetal.,1991；Freitasetal.,2016)。该算法流程主要针对外流区汇流特征设计，其基本假设在于，研究区内全部栅格产生的汇流均能够通过出水口栅格或边界栅格流出，这种思路能够确保所提取的河网信息具有较好的结构性特征，同时通过设定不同汇流面积阈值，可以提取出具有层次嵌套结构的流域边界。虽然现有流域划分方法在外流区取得了较好结果，但并不适合于内流湖盆区的地表汇流特征。一个典型的内流湖盆区是由若干独立的内流盆地组合而成，不同内流盆地间的汇流网络是互不相连的，因此传统流域提取算法无法刻画出内流盆地的流域地形特征(Khanetal.,2014)。当前，内流湖盆区以其独特的自然环境得到学者们的广泛关注，典型代表是青藏高原内流区。学者们主要使用HydroSHEDS(http://hydrosheds.cr.usgs.gov)全球尺度流域数据集作为流域边界的参考数据。但该数据一方面在流域边界的表达上精度较差，另一方面也被指出存在着较多错误划分的流域边界，这些问题严重影响了内流湖盆区相关地学研究。部分学者也注意到内流湖盆区流域划分产品所存在的问题，并探讨了融合地形图、影像等多源数据的内流湖盆区流域划分结果的修正方法(Gaoetal.,2018)。但这种思路对数据要求较高，很难推广到数据资料较为缺乏区域，同时因为需要人工判断的大量介入，处理的效率低，不适合于大区域尺度的研究。在此背景下，开展内流湖盆区流域自动划分方法的研究，可为内流湖盆区相关科学问题的探索提供重要的数据保障和方法支撑，具有重要的科学意义。参考文献：[1]任立良,刘新仁.数字高程模型信息提取与数字水文模型研究进展[J].水科学进展,2000,11(4):463-469.[2]LiuJ,ZhuAX,LiuY,etal.,2014.Alayeredapproachtoparallelcomputingforspatiallydistributedhydrologicalmodeling.EnvironmentalModelling&Software.51,221-227.[3]祝士杰,汤国安,李发源,等.基于DEM的黄土高原面积高程积分研究[J].地理学报,2013,68(7):921-932.[4]VenteJD,PoesenJ,VerstraetenG,etal.,2013.Predictingsoilerosionandsedimentyieldatregionalscales:Wheredowestand？.EarthScienceReviews,127(2),16-29.[5]Yamazaki,D.,Ikeshima,D.,Tawatari,R.,etal.,2017.Ahighaccuracymapofglobalterrainelevations.GeophysicalResearchLetters,322(22),109-127.[6]O’Callaghan,J.F.,Mark,D.M.,1984.Theextractionofdrainagenetworksfromdigitalelevationdata.Comput.Vision,Graph.,ImageProcess.28,323–344.[7]Tarboton,D.G.,Bras,R.L.,Rodriguez-Iturbe,I.,1991.Ontheextractionofchannelnetworksfromdigitalelevationdata.HydrologicalProcesses,5(1),81-100.[8]FreitasHRDA,FreitasCDC,RosimS,etal.,2016.DrainagenetworksandwatershedsdelineationderivedfromTIN-baseddigitalelevationmodels.Computers&Geosciences.92(C):21-37.[9]Gao,Y.,Wang,W.,Yao,T.,etal.,2018.HydrologicalnetworkandclassificationoflakesontheThirdPole.JournalofHydrology,560,582-594.[10]KhanA,RichardsKS,ParkerGT,etal.,2014.HowlargeistheUpperIndusBasin？Thepitfallsofauto-delineationusingDEMs.JournalofHydrology.509(4),442-453.
技术实现思路
为解决现有内流湖盆区流域划分数据产品存在较多错误、缺乏自动化方法、无法准确提取出流域边界及水文地貌参数的问题，本专利技术提出了一种基于湖泊汇流关系的内流湖盆区流域划分方法，采用可公开获取的数字高程模型数据和湖泊分布数据，实现对内流湖盆区子流域的自动划分。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：基于湖泊汇流关系的内流湖盆区流域自动划分方法，包括以下过程：步骤1、基于数字高程模型与湖泊分布数据，计算水流方向，获取水流方向矩阵；步骤2、基于水流方向矩阵提取水文结构参数，包括径流源点、汇流网络、汇流网络与湖泊交点，并基于水流方向矩阵和汇流网络生成初始流域分割数据；步骤3、对于通过汇流网络相连的每一组湖泊，基于湖面高程和湖泊间的高程剖面，判断湖泊间汇流关系；步骤4、基于湖泊间汇流关系将湖泊划分为封闭型湖泊和过水型湖泊两类；并确定每一个过水型湖泊所对应的封闭型湖泊；步骤5，对于封闭型湖泊，基于径流线追踪法结合峰值点控制，对步骤2中生成的初始流域分割数据进行归属判定，得到与封闭型湖泊相对应的流域划分结果。本专利技术所述的数字高程模型可选用SRTM-1/3GDEM、ALOSAW3D30或TanDEM等公开地形数据；湖泊分布数据可采用Pekel等公布的全球水体数据集。作为本专利技术的进一步改进，对于洼地区域，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于湖泊汇流关系的内流湖盆区流域自动划分方法，其特征在于，包括以下过程：步骤1、基于数字高程模型与湖泊分布数据，计算水流方向，获取水流方向矩阵；步骤2、基于水流方向矩阵提取水文结构参数，包括径流源点、汇流网络、汇流网络与湖泊交点，并基于水流方向矩阵和汇流网络生成初始流域分割数据；步骤3、对于通过汇流网络相连的每一组湖泊，基于湖面高程和湖泊间的高程剖面，判断湖泊间的汇流关系；步骤4、基于湖泊间汇流关系将湖泊划分为封闭型湖泊和过水型湖泊两类，并确定每一个过水型湖泊所对应的封闭型湖泊；步骤5，对于封闭型湖泊，基于径流线追踪法结合峰值点控制，对步骤2中生成的初始流域分割数据进行归属判定，得到与封闭型湖泊相对应的流域划分结果。

【技术特征摘要】
1.基于湖泊汇流关系的内流湖盆区流域自动划分方法，其特征在于，包括以下过程：步骤1、基于数字高程模型与湖泊分布数据，计算水流方向，获取水流方向矩阵；步骤2、基于水流方向矩阵提取水文结构参数，包括径流源点、汇流网络、汇流网络与湖泊交点，并基于水流方向矩阵和汇流网络生成初始流域分割数据；步骤3、对于通过汇流网络相连的每一组湖泊，基于湖面高程和湖泊间的高程剖面，判断湖泊间的汇流关系；步骤4、基于湖泊间汇流关系将湖泊划分为封闭型湖泊和过水型湖泊两类，并确定每一个过水型湖泊所对应的封闭型湖泊；步骤5，对于封闭型湖泊，基于径流线追踪法结合峰值点控制，对步骤2中生成的初始流域分割数据进行归属判定，得到与封闭型湖泊相对应的流域划分结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，对于洼地区域，采用Priority-Flood算法进行洼地流向的追踪；对于平地区域，采用G&M平地流向处理算法；其余区域采用D8算法进行流向计算。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，在水流方向矩阵的基础上，计算每个栅格的汇流累积值，同时根据预设的汇流累积阈值确定河网栅格，形成汇流网络矩阵；结合汇流网络矩阵和水流方向矩阵确定径流源点栅格；结合汇流网络矩阵和栅格化后的湖泊数据，确定汇流网络与湖泊的交点；基于水流方向矩阵和汇流网络矩阵，生成河流连接矩阵，以实现对每段河流的编码，在此基础上，生成初始的流域分割数据。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，径流源点、汇流网络和初始流域分割数据均采用相同的径流阈值确定；径流阈值优选为3-5平方公里。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，对于通过汇流网络相连的一组湖泊，生成湖泊间汇流网络所对应的高程剖面，根据剖面的整体趋势，判断湖泊间是否...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凯，宋春桥，柯灵红，马荣华，
申请(专利权)人：中国科学院南京地理与湖泊研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32