一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，属于数字地形分析技术领域。其技术方案为：一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，采用水流方向组成的水流路径接近水流在地表的真实移动路径；对数值模拟水和污染物输移过程的水文物理模型使用了DEM获取更高精度水流路径的方法。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术通过使用水流到达下游单元的真实高程和下游单元中心高程的高度偏差作为传递参数校正水流方向的方法；相较于D8方法，本发明专利技术提供了水流方向组成的水流路径更接近水流在地表的真实移动路径。

A DEM flow direction calculation method based on elevation deviation transfer

The invention provides a DEM water flow direction calculation method based on elevation deviation transmission, which belongs to the technical field of digital terrain analysis. The technical scheme is as follows: a DEM flow direction calculation method based on elevation deviation transfer, which uses the flow path composed of the flow direction to approach the real moving path of the flow on the surface; the DEM method is used to obtain a higher precision flow path for the hydrophysical model of numerical simulation of water and pollutant transport process. The beneficial effects of the invention are: the invention uses the height deviation of the real elevation of the water flow to the downstream unit and the center elevation of the downstream unit as the transfer parameter to correct the water flow direction; compared with the D8 method, the invention provides a water flow path composed of the water flow direction which is closer to the real moving path of the water flow on the ground.

【技术实现步骤摘要】
一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法
本专利技术涉及数字地形分析
，具体涉及一种通过使用水流到达下游单元的真实高程和下游单元中心高程的高度偏差作为传递参数校正水流方向的方法。
技术介绍
水流方向是一个重要的水文地貌参数，广泛应用于许多对水流和污染物进行输移过程模拟的数值模型。目前的水流方向计算主要基于数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)进行。DEM是对地形的一种概化描述，将地形简化为大量正方向栅格单元，每个单元赋予一个高程值视为该单元平均高度。在目前的水流方向计算的研究中，主要将每个单元的高程作为该单元中心点的高度。目前最经典的水流方向计算方法是O’Callaghan和Mark(1984)提出的D8方法，该方法将DEM栅格单元的水流方向指向相邻单元中与中心单元坡度最大者，但是由于这种方法只考虑了局部坡度，而且水流的真实方向可能并非8个允许方向之一，因此从整体上看D8方法提供的水流方向连接成的完整水流路径存在较大偏差。尽管Quinn等(1991)提出了允许一个单元具备多个水流方向的方法，但该方法计算更为复杂且不适用于流域划分、流动距离计算等领域。目前广泛接受的是允许水流方向从0°到360°之间任意方向的无穷流向方法(Tarboton，1997)，但是由于每个单元的流向都起始于单元中心，如果水流方向不是8方向之一，当水流沿着该方向流动后就没有了进一步的移动方向，因此该方法在实现上仍是一种多流向算法，同样存在前面所说的问题。因此，为了更好地服务于流域划分、流动距离计算，需要有一种改进的八方向方法。考虑到水流实际应该是沿0°到360°之间任意方向流动，其实际到达位置的高度也并非DEM栅格单元中心的高程，因此使用这部分高度偏差对下游的水流方向进行修正是一个很好的想法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，解决现有的应用于DEM地形的单流向方法中只考虑局部坡度，忽略的地形整体变化，水流路径偏差较大的问题，而提供一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法。本专利技术是通过如下措施实现的：一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，主要包括以下步骤：步骤S1：加载DEM数据，DEM为二维数组格式，构建3个与DEM数据尺寸相同的数组A、B、C，数组A用于保存最低相邻单元方向、数组B用于保存第二可能流动方向、数组C用于保存最终确定的流向，并且3个数组中所有位置的初始值都设为0，再构建一个能保存栅格单元三维坐标信息，并根据栅格高程从低到高依次排列的优先队列Q，以及另一个从高到低排列栅格单元三维坐标信息的优先队列T，两个优先队列中同一高程的不同单元按插入先后顺序先后排列，新插入的单元排在同一高程单元的最后；步骤S2：扫描DEM，将DEM中的有效地形单元加入优先队列T排序，同时将位于有效地形边缘的单元加入优先队列Q进行排序，并同时在数组A、B、C中赋予相同的流向，该流向指向DEM有效地形外侧；步骤S3：不断取出优先队列Q头部的单元，检索该头部单元的8个相邻单元中的未在数组A中赋予流向的有效单元，为其在数组A中赋予指向此头部单元的方向并加入队列Q，若该未赋流向值的单元高程值不高于P，还需为其在数组B与C中赋予指向此头部单元的方向；如果该单元在数组B中对应方向值为初始值0，则比较该单元邻近其最低相邻单元的另外两个相邻单元的高程，将其中较低者所在方向作为第二可能流向并存入数组B，重复此步骤至队列Q为空队列；步骤S4：读取优先队列T的头部单元K，若单元K在数组C中对应的流向为初始值0，则从单元K开始在最低下坡单元和第二可能方向间使用传递的高程偏差判断从K开始到某个已经具有最终流向的单元的流动路径上各单元的水流方向，然后将K从队列T中移除，重新读取队列T的头部单元以重复此步骤，直至队列T为空队列。作为本专利技术提供的一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法进一步优化方案，所述步骤S4中，从单元K开始在最低下坡单元方向和第二可能方向间使用传递的高程偏差判断从K开始到某个已经具有最终流向的单元的流动路径上各单元的水流方向，其具体包括如下步骤：步骤S4-1：初始化高程偏差传递的参数，以单元K为当前计算单元，以K的高程为h0，初始高程偏差d为0，K的最低下坡单元方向和第二可能方向指向的两个单元相邻，二者一个在K的正方向，一个在K的斜方向，设其中正方向单元高程为h1，斜方向单元高程为h2；步骤S4-2：构建h0、h1、h2这3个点组成的三角形平面，确定如果水流从点h0出发到达平面底部边界时目标点的高度h3；如果三角形平面的坡度方向超出三角面边缘，水流沿与坡度方向最邻近的三角面边缘方向，否则就沿着坡度方向直线移动，移动线路跟h1、h2连接线的交点所在高程即为h3，具体计算方程如下：步骤S4-3：由于单流向方法是从上游单元中心指向下游单元中心，上游单元水流到达下游单元时到达点的高度并不一定是下游单元中心点的高程值(即该单元对应的DEM栅格值)，水流从自上游到达本单元时的真实高度出发，下降高度与自本单元中心流至下游单元时下降高度h3相同，如此到达的高度作为最终下降高度，比较最低相邻单元与第二可能流动方向对应的单元高程，选取其中高程与最终下降高度最接近的单元作为下游单元，由于在地形走向发生旋转时的水流方向过于复杂，只在上下游单元的最低相邻单元方向和第二可能方向都相同时如此考虑，如果不同则认为水流到达最低相邻单元，到达高程为最低相邻单元中心点高程；步骤S4-4：若最终流向指向的单元L在数组C中对应的流向不是初始值0，则步骤结束，否则以该被指向的单元L为当前计算单元，以L在数组A、B中对应方向指向的两个单元中，位于正向的单元高程作为新的h1值，斜向的单元高程作为新的h2值，以下文所述的d*的值作为d的值，返回步骤4-2重新进行。作为本专利技术提供的一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法进一步优化方案，所述步骤S2具体内容为：从左到右、从上到下逐个检索DEM栅格单元，如果某一单元的高程不是无效值，则将其加入优先队列T，并根据两个原则判断该有效值单元是否为边缘单元；步骤S2-1：若该单元位于整个矩形DEM数组的第一行、最后一行、第一列、最后一列，则将该单元加入优先队列Q，并将其在数组A、B和C中对应的单元的流向指向DEM外；步骤S2-2：若该单元位于DEM范围的上下左右边缘志之外，就按中从P1到P8的顺序检索当前单元P0周围8个相邻单元，若存在某个相邻单元高程为无效地形值，则将该单元加入优先队列Q，并将该单元的流向指向无效值相邻单元，同时记入数组A、B和C对应位置，如果存在多个相邻单元为无效值，则最终流向指向第一个检索到的单元。作为本专利技术提供的一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法进一步优化方案，所述步骤S3具体内容为：读取优先队列Q头部的栅格单元P，检索其周边的8个相邻栅格，比较与其在数组A中的方向相邻的两个方向对应的相邻单元的高程，将其中高程较低者所在方向作为第二可能水流方向存入P在数组B中对应的单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1：加载DEM数据，DEM为二维数组格式，构建3个与DEM数据尺寸相同的数组A、B、C，数组A用于保存最低相邻单元方向、数组B用于保存第二可能流动方向、数组C用于保存最终确定的流向，并且3个数组中所有位置的初始值都设为0，再构建一个能保存栅格单元三维坐标信息，并根据栅格高程从低到高依次排列的优先队列Q，以及另一个从高到低排列栅格单元三维坐标信息的优先队列T，两个优先队列中同一高程的不同单元按插入先后顺序先后排列，新插入的单元排在同一高程单元的最后；/n步骤S2：扫描DEM，将DEM中的有效地形单元加入优先队列T排序，同时将位于有效地形边缘的单元加入优先队列Q进行排序，并同时在数组A、B、C中赋予相同的流向，该流向指向DEM有效地形外侧；/n步骤S3：不断取出优先队列Q头部的单元，检索该头部单元的8个相邻单元中的未在数组A中赋予流向的有效单元，为其在数组A中赋予指向此头部单元的方向并加入队列Q，若该未赋流向值的单元高程值不高于P，还需为其在数组B与C中赋予指向此头部单元的方向；如果该单元在数组B中对应方向值为初始值0，则比较该单元邻近其最低相邻单元的另外两个相邻单元的高程，将其中较低者所在方向作为第二可能流向并存入数组B，重复此步骤至队列Q为空队列；/n步骤S4：读取优先队列T的头部单元K，若单元K在数组C中对应的流向为初始值0，则从单元K开始在最低下坡单元和第二可能方向间使用传递的高程偏差判断从K开始到某个已经具有最终流向的单元的流动路径上各单元的水流方向，然后将K从队列T中移除，重新读取队列T的头部单元以重复此步骤，直至队列T为空队列。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：加载DEM数据，DEM为二维数组格式，构建3个与DEM数据尺寸相同的数组A、B、C，数组A用于保存最低相邻单元方向、数组B用于保存第二可能流动方向、数组C用于保存最终确定的流向，并且3个数组中所有位置的初始值都设为0，再构建一个能保存栅格单元三维坐标信息，并根据栅格高程从低到高依次排列的优先队列Q，以及另一个从高到低排列栅格单元三维坐标信息的优先队列T，两个优先队列中同一高程的不同单元按插入先后顺序先后排列，新插入的单元排在同一高程单元的最后；
步骤S2：扫描DEM，将DEM中的有效地形单元加入优先队列T排序，同时将位于有效地形边缘的单元加入优先队列Q进行排序，并同时在数组A、B、C中赋予相同的流向，该流向指向DEM有效地形外侧；
步骤S3：不断取出优先队列Q头部的单元，检索该头部单元的8个相邻单元中的未在数组A中赋予流向的有效单元，为其在数组A中赋予指向此头部单元的方向并加入队列Q，若该未赋流向值的单元高程值不高于P，还需为其在数组B与C中赋予指向此头部单元的方向；如果该单元在数组B中对应方向值为初始值0，则比较该单元邻近其最低相邻单元的另外两个相邻单元的高程，将其中较低者所在方向作为第二可能流向并存入数组B，重复此步骤至队列Q为空队列；
步骤S4：读取优先队列T的头部单元K，若单元K在数组C中对应的流向为初始值0，则从单元K开始在最低下坡单元和第二可能方向间使用传递的高程偏差判断从K开始到某个已经具有最终流向的单元的流动路径上各单元的水流方向，然后将K从队列T中移除，重新读取队列T的头部单元以重复此步骤，直至队列T为空队列。


2.根据权利要求1所述的基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，从单元K开始在最低下坡单元方向和第二可能方向间使用传递的高程偏差判断从K开始到某个已经具有最终流向的单元的流动路径上各单元的水流方向，其具体包括如下步骤：
步骤S4-1：初始化高程偏差传递的参数，以单元K为当前计算单元，以K的高程为h0，初始高程偏差d为0，K的最低下坡单元方向和第二可能方向指向的两个单元相邻，二者一个在K的正方向，一个在K的斜方向，设其中正方向单元高程为h1，斜方向单元高程为h2；
步骤S4-2：构建h0、h1、h2这3个点组成的三角形平面，确定如果水流从点h0出发到达平面底部边界时目标点的高度h3；如果三角形平面的坡度方向超出三角面边缘，水流沿与坡度方向最邻近的三角面边缘方向，否则就沿着坡度方向直线移动，移动线路跟h1、h2连接线的交点所在高程即为h3，具体计算方程如下：



步骤S4-3：由于单流向方法是从上游单元中心指向下游单元中心，上游单元水流到达下游单元时到达点的高度并不一定是下游单元中心点的高程值该单元对应的DEM栅格值，水流从自上游到达本单元时的真实高度出发，下降高度与自本单元中心流至下游单元时下降高度h3相同，如此到达的高度作为最...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴鹏飞，刘金涛，费俊源，刘杨洋，姚杰夫，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32