一种结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法技术

本发明专利技术提供了一种结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法，包括以下步骤：步骤S1：加载数字高程模型；步骤S2：计算最陡下坡方向所在三角形平面的3个顶点单元的平面曲率；步骤S3：使用步骤S2计算得到的3个单元的平面曲率的比值对最陡下坡方向进行调整。本发明专利技术的有益效果为：本发明专利技术结合了平面曲率和最陡下坡方向，发明专利技术了一种估算数字高程模型水流方向的方法，相较于传统的直接使用最陡下坡方向的方法，该方法具有精度更高，对收敛的主要河道还原效果更好，考虑地形起伏变化的优势，同时该方法相对传统方法增加的步骤不多，不会引起太多的计算机运行时间的差异。

A DEM flow direction estimation method combining plane curvature and steepest downhill direction

The invention provides a DEM flow direction estimation method combining the plane curvature and the steepest downhill direction, which comprises the following steps: step S1: loading the digital elevation model; step S2: calculating the plane curvature of the three vertex units of the triangle plane where the steepest downhill direction is located; step S3: adjusting the steepest downhill direction by using the ratio of the plane curvature of the three units calculated in step S2 \u3002 The beneficial effect of the invention is: the invention combines the plane curvature and the steepest downhill direction, and invents a method for estimating the flow direction of the digital elevation model. Compared with the traditional method of directly using the steepest downhill direction, the method has higher precision, better restoration effect on the converging main river channel, and takes the advantage of terrain fluctuation into account. At the same time, the method is compared with the traditional method There are not too many steps to add, which will not cause too many differences in the running time of the computer.

【技术实现步骤摘要】
一种结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法
本专利技术涉及数字地形分析
，尤其涉及一种结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法。
技术介绍
水流方向，指的是水、土壤、溶质在重力作用下在地球表面的移动方向，是许多水文学、地貌学领域的数值模拟中必须确定的参数。由于真实的复杂地形无法完全存储进计算机，因此目前的水文地貌模型主要以数字高程模型作为地形数据源，水流方向的计算也普遍基于数字高程模型进行。O’Callaghan和Mark于1984年提出了最早的水流方向计算方法，通过比较中心单元与8个相邻单元间的坡度，选取与中心单元间坡度最大的相邻单元作为下游单元，将中心单元的流向指向该单元中点。由于这种方法只允许从8个方向中选取流向，因此被称为八方向(D8)方法。由于真实的水流方向可能不是8个允许方向之一，因此D8方法存在较大误差。为了降低D8方法的误差，Tarboton(1997)提出以中心单元及8个相邻单元构造8个三角形平面，确定最陡下坡方向作为水流方向的方法，使用该方法计算得到的水流方向可以为0°-360°之间的任何值，精度相比D8方法大大提高。该方法被命名为无穷流向(Dinf)方法。然而由于Dinf方法在构造三角形平面的过程中忽略了地形存在的弯曲起伏，因此在地形并不平坦是同样存在误差，尤其是当地形弯曲程度较大时误差尤为严重。Hooshyar等人于2016年提出了使用切面曲率调整最陡下坡方向的方法，但是他们的方法只适用于优化收敛型地形的流向。由于完全通过数学方程还原地形表面并使用方向导数获取流向的理论方法在现实中难以实现，因此只能使用一定方法将最陡下坡方向调整得更接近真实流向。目前常用的地形曲率主要有平面曲率、剖面曲率、切面曲率3种，其中平面曲率能够很好地反映地形发散、收敛的程度，包含着大量Dinf方法确定最陡下坡方向过程中无法获得的信息。借助平面曲率和最陡下坡方向，确定的水流方向就同时考虑到了局部坡度和地形起伏信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为了解决现有无穷流向方法在弯曲地形上确定的流向存在一定误差的问题，而提供一种结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法，采用了平面曲率对最陡下坡方向进行调整，进而确定水流方向，是估计数字高程模型中栅格单元水流方向的方法。本专利技术是通过如下措施实现的：一种结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法，其中，包括以下步骤：步骤S1：加载数字高程模型，将需要确定水流方向的栅格单元作为中心单元，使用中心单元及与其相邻的8个单元的中心点划分出8个三角形平面，比较每个平面的最陡坡度，选取最陡坡度值最大的平面，记录该平面，并将该平面的最陡坡度对应的坡度方向作为中心单元的最陡下坡方向；步骤S2：计算最陡下坡方向所在三角形平面的3个顶点单元的平面曲率；步骤S3：以最陡下坡方向所在三角形平面限制的4/π角度为允许变化范围，使用步骤S2计算得到的两个下游单元的平面曲率与中心单元平面曲率差值的比值对最陡下坡方向进行调整。进一步地，作为本专利技术提供的一种结合平面曲率和最陡下坡方向的数字高程模型水流方向估计方法的进一步优化方案，所述步骤S2计算平面曲率的方程为：其中z1,…,z9的分布如图4所示，其中z1,…,z9表示当前计算单元及其周边8个相邻单元的高程，K为中心单元z5的平面曲率。进一步地，作为本专利技术提供的一种结合平面曲率和最陡下坡方向的数字高程模型水流方向估计方法的进一步优化方案，所述步骤S3对步骤S2中计算得到的两个下游单元的平面曲率与中心单元平面曲率差值的比值对最陡下坡方向进行调整依照下面的方程进行：当平面曲率K1和K2的值为一正一负时，修改后的水流方向α*指向正平面曲率对应的单元中心，即水流放弃发散单元指向收敛单元，即：若K1>0并且K2≤0：若K2>0并且K1≤0：式中i是步骤S2选取三角形平面的编号，当平面曲率K1和K2的值同为正或同为负时，使用下游单元与中心单元的平面曲率差值K1-K0和K2-K0的比值控制转动幅度，确定旋转后水流方向α*的方程为：该方向以正上方为0rad，并顺时针增大；针对α*的值可能超出允许范围的情况，需对其进行修正，当时，当时，经过修正后最终流向即确定。进一步地，作为本专利技术提供的一种结合平面曲率和最陡下坡方向的数字高程模型水流方向估计方法的进一步优化方案，所述步骤S1的三角形平面的最陡坡度s及对应的坡度方向α可以由以下方程得到：式中：其中(x1，y1，z1)，(x2，y2，z2)，(x3，y3，z3)为所计算的三角形平面的三个顶点的三维坐标，由于从中心点出发，最陡坡度方向可能落于三角面范围外，对坡度方向进行修正，将坡度方向调整到与已计算方向最近的三角面边缘方向，并同步将坡度修改为该方向坡度，修改后的方向αm为：其中，式中i是步骤S2选取三角形平面的编号；针对α*的值可能超出允许范围的情况，需对其进行修正，当时，当时，经过修正后确定最终流向。所述DEM流向即为数字高程模型水流方向。本专利技术的有益效果为：本专利技术结合了平面曲率和最陡下坡方向，利用不同下坡位置平面曲率的不同对最陡下坡方向进行调整，提供了一种获取数字高程模型中水流方向的方法；相较于传统的完全依赖最陡下坡方向的方法，该方法具有精度更高，对收敛的主要河道还原效果更好，考虑地形起伏变化的优势；本专利技术为进行水、土壤、溶解质输移模拟的水文地貌模型提供了获取更高精度水流方向的方法，同样依靠数字高程模型就能得到比以往更高精度的水流方向估计结果；同时该方法相对传统方法增加的步骤不多，不会引起太多的计算机运行时间的差异。附图说明图1为本专利技术的整体流程图；图2为本专利技术实施例中最陡下坡方向计算时的3×3窗口划分示意图，图中的中心点P0二维坐标为(0，0)；图3为本专利技术实施例中切面曲率计算时的3×3窗口高程示意图；图4为本专利技术实施例中最陡下坡方向确定后需计算的下坡单元平面曲率K1和K2对应的位置图；图5为本专利技术实施例中的数字高程模型；图6为本专利技术实施例中需要计算的中心单元及周边相邻单元组成的八个三角面各自的最大坡度示意图；图7为本专利技术实施例中使用的屯溪流域DEM地形图；图8(a)为本专利技术实施例中使用Tarboton的方法得到的主要河道图；图8(b)为本专利技术实施例中使用本专利技术方法得到的主要河道图。具体实施方式为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。实施例1参见图1至图8，本专利技术是：结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法，其中，包括以下步骤：步骤S1：加载数字高程模型，将需要确定水流方向的栅格单元作为中心单元，使用中心单元及与其相邻的8个单元的中心点划分出8个三角形平面，比较每个平面的最陡坡度，选取最陡坡度值最大的平面，记录该平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1：加载数字高程模型，将需要确定水流方向的栅格单元作为中心单元，使用中心单元及与其相邻的8个单元的中心点划分出8个三角形平面，比较每个平面的最陡坡度，选取最陡坡度值最大的平面，记录该平面，并将该平面的最陡坡度对应的坡度方向作为中心单元的最陡下坡方向；/n步骤S2：计算最陡下坡方向所在三角形平面的3个顶点单元的平面曲率；/n步骤S3：以最陡下坡方向所在三角形平面限制的π/4角度为允许变化范围，使用步骤S2计算得到的两个下游单元的平面曲率的比值对最陡下坡方向进行调整。/n

【技术特征摘要】
1.一种结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：加载数字高程模型，将需要确定水流方向的栅格单元作为中心单元，使用中心单元及与其相邻的8个单元的中心点划分出8个三角形平面，比较每个平面的最陡坡度，选取最陡坡度值最大的平面，记录该平面，并将该平面的最陡坡度对应的坡度方向作为中心单元的最陡下坡方向；
步骤S2：计算最陡下坡方向所在三角形平面的3个顶点单元的平面曲率；
步骤S3：以最陡下坡方向所在三角形平面限制的π/4角度为允许变化范围，使用步骤S2计算得到的两个下游单元的平面曲率的比值对最陡下坡方向进行调整。


2.根据权利要求1所述的结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法，其特征在于，所述步骤S2计算平面曲率的方程为：



其中z1,…,z9表示当前计算单元及其周边8个相邻单元的高程，K为中心单元z5的平面曲率。


3.根据权利要求1或2所述的结合平面曲率和最陡下坡方向的DEM流向估计方法，其特征在于，所述步骤S3对步骤S2中计算得到的两个下游单元的平面曲率与中心单元平面曲率差值的比值对最陡下坡方向进行调整依照下面的方程进行：
当平面曲率K1和K2的值为一正一负时，修改后的水流方向α*指向正平面曲率对应的单元中心，即水流放弃发散单元指向收...

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