一种确定流域内主河道的方法

技术领域

本发明属于水文学研究技术领域，尤其涉及一种确定流域内主河道的方法。

背景技术

在水文水资源和水文模拟计算中，河流空间信息是不可或缺的基础数据。随着遥感技术快速发展，出现越来越多高精度的遥感影像，利用遥感影像能够模拟出逼近真实世界的数字河网，但数字河网的数据量也与日俱增，获取主河道的难度也不断增加，作为流域河网重要“骨架”的主河道，在确定干支流方面具有重要作用；如何快速并准确在海量河网数据中提取流域的主河道逐渐成为水文模型计算的重要一环。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种确定流域内主河道的方法，解决了难以快速并准确在海量河网数据中提取流域的主河道的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供的一种确定流域内主河道的方法，包括如下步骤：

S1、获取流域范围内的数字高程模型，并基于数字高程模型依次得到流向格网、汇流累积量格网和河流格网；

S2、将河流格网进行分级，并将河流格网转换为矢量河网，得到线状河网和河网节点属性表；

S3、基于流向格网、汇流累积量格网和河网节点属性表，得到若干源头起始点；

S4、基于流向格网、汇流累积量格网和河网节点属性表，得到若干出水口终止点；

S5、基于各源头起始点、各出水口终止点、河网节点属性表和线状河网，完成主河道确定。

进一步地，所述步骤S1包括如下步骤：

S11、根据流域矢量边界文件，获取流域范围内的数字高程模型；

S12、对数字高程模型进行洼地填充处理，得到无洼地的数字高程模型数据；

S13、基于无洼地的数字高程模型数据，得到流向格网；

S14、计算流向格网，得到流向栅格数据；

S15、基于流向栅格数据，计算流向格网中各格点汇流的累积量，得到汇流累积量格网；

S16、基于汇流累积量格网，得到汇流累积量栅格数据；

S17、基于汇流累积量栅格数据，设定汇流阈值，并将汇流累积量格网中格点数值小于汇流阈值设置为无效值，得到河流格网。

上述进一步方案的有益效果为：通过流域矢量边界裁剪数字高程模型数据进行常规水文分析，保证多种数据之间范围一致，有利于后续主河道的确定。

进一步地，所述步骤S17中汇流阈值的计算表达式如下：

T＝Area

其中，T表示汇流阈值，Area

上述进一步方案的有益效果为：提供汇流阈值的计算方法，为基于汇流阈值得到河流格网提供基础。

进一步地，所述步骤S2包括如下步骤：

S21、利用河流分级方法将河流网格进行分级，得到河流分级结果；

S22、将河流格网转换为矢量河网，得到流域内的线状河网；

S23、基于河流分级结果，提取线状河网中各河段的源节点、目的节点和河段ID，得到河网节点属性表。

上述进一步方案的有益效果为：通过充分利用线状河网获取各节点之间拓扑信息，避免复杂多样的河流类型对确定主河道的影响。

进一步地，所述步骤S3包括如下步骤：

S31、基于流向格网和汇流累积量格网，确定流域源头河段；

S32、基于流域源头河段，选取河网节点属性表中源头河段的源节点，并将其作为源头起始点；

S33、基于河网节点属性表，查找源头起始点对应的目的节点，并将其作为源头终止点，且记录源头起始点到源头终止点的河段位于线状河网的河段ID；

S34、将上一源头终止点作为源头起始点；

S35、重复步骤S33和步骤S34，依次得到若干源头起始点。

上述进一步方案的有益效果为：以源头为起始，严格按照河网节点属性表中的信息寻找相互关联的河段，保证得到的流域内主河道的准确性。

进一步地，所述步骤S4包括如下步骤：

S41、基于流向格网和汇流累积量格网，确定流域出水口河段；

S42、基于流域出水口河段，选取河网节点属性表中出水口河段的目的节点，并将其作为出水口起始点；

S43、基于河网节点属性表，查找出水口起始点对应的源节点，并将其作为出水口终止点，且记录出水口起始点到出水口终止点的河段位于线状河网的河段ID；

S44、将上一出水口终止点作为出水口起始点；

S45、重复步骤S43和步骤S44，依次得到若干出水口终止点。

上述进一步方案的有益效果为：以出水口点为起始，严格按照河网节点属性表中的信息寻找相互关联的河段，保证得到的流域内主河道的准确性。

进一步地，所述步骤S5包括如下步骤：

S51、依次双向并行查找各源头起始点与出水口终止点，直至源头起始点对应的河段ID与出水口终止点对应的河段ID重复为止；

S52、根据河网节点属性表，获取河段ID重复之前查找过的各源头起始点和出水口终止点分别对应的所有河段ID；

S53、基于各河段ID和线状河网，完成主河道确定。

上述进一步方案的有益效果为：采用双向并行查找的方式，在确保所得主河道的准确性前提下，极大缩短寻找时间，尤其是处理大尺度流域时，效率提升更加明显。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种确定流域内主河道的方法，通过数字高程模型数据，计算流域内流向格网和汇流累积量格网，结合河流分级方法，对复杂河网进行梳理，准确定位各等级河流，并采用双向并行寻找的方法，实现在海量河段中快速提取主河道，有效地提升了流域河网数字化的效率，同时也能够为水文模型快速模拟提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明实施例中一种确定流域内主河道的方法的步骤流程图。

图2为本发明实施例所使用的研究区内数字高程模型数据示意图。

图3为本发明实施例所使用的研究区内无洼地的数字高程模型数据示意图。

图4为本发明实施例所使用的研究区内汇流累积数格网示意图。

图5为本发明实施例所使用的研究区内线状河网示意图。

图6为本发明实施例中利用本方法确定的主河道示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种确定流域内主河道的方法，包括如下步骤：

S1、获取流域范围内的数字高程模型，并基于数字高程模型依次得到流向格网、汇流累积量格网和河流格网；

所述步骤S1包括如下步骤：

S11、根据流域矢量边界文件，获取流域范围内的数字高程模型，如图2所示；

S12、对数字高程模型进行洼地填充处理，得到无洼地的数字高程模型数据，如图3所示；

本实施例中采用利用ArcGIS平台水文工具对其进行洼地填充处理；

S13、基于无洼地的数字高程模型数据，得到流向格网；

S14、计算流向格网，得到流向栅格数据；

本实施例中采用ArcGIS水文分析中的流向工具，计算流向格网，得到流向栅格数据；

S15、基于流向栅格数据，计算流向格网中各格点汇流的累积量，得到汇流累积量格网；

S16、基于汇流累积量格网，得到汇流累积量栅格数据，如图4所示；

本实施例中采用ArcGIS水文分析中的流量工具，计算每个格点汇流的累积量，获得汇流累积量栅格数据；

S17、基于汇流累积量栅格数据，设定汇流阈值，并将汇流累积量格网中格点数值小于汇流阈值设置为无效值，得到河流格网；

本实施例中，将汇流累积量格网中格点数值设置为无效值是为了能够将突显河道与非河道的区别，通过无效值的设置，便于河道特征的提取；

所述步骤S17中汇流阈值的计算表达式如下：

T＝Area

其中，T表示汇流阈值，Area

S2、将河流格网进行分级，并将河流格网转换为矢量河网，得到线状河网和河网节点属性表；

本实施例中采用ArcGIS水文分析工具中的河网分级工具对河流等级进行划分；

所述步骤S2包括如下步骤：

S21、利用河流分级方法将河流网格进行分级，得到河流分级结果；

本实施例中采用ArcGIS水文分析工具中的河网分级工具，并通过Shreve河流分级方法对河流格网进行分级；

S22、将河流格网转换为矢量河网，得到流域内的线状河网，如图5所示；

本实施例中通过ArcGIS的栅格转线工具将河流格网转换为矢量河网；

S23、基于河流分级结果，提取线状河网中各河段的源节点、目的节点和河段ID，得到河网节点属性表；

S3、基于流向格网、汇流累积量格网和河网节点属性表，得到若干源头起始点；

所述步骤S3包括如下步骤：

S31、基于流向格网和汇流累积量格网，确定流域源头河段；

S32、基于流域源头河段，选取河网节点属性表中源头河段的源节点，并将其作为源头起始点；

S33、基于河网节点属性表，查找源头起始点对应的目的节点，并将其作为源头终止点，且记录源头起始点到源头终止点的河段位于线状河网的河段ID；

本实施例中研究区内源头河网节点属性表如表1所示：

表1

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S34、将上一源头终止点作为源头起始点；

S35、重复步骤S33和步骤S34，依次得到若干源头起始点；

S4、基于流向格网、汇流累积量格网和河网节点属性表，得到若干出水口终止点；

所述步骤S4包括如下步骤：

S41、基于流向格网和汇流累积量格网，确定流域出水口河段；

S42、基于流域出水口河段，选取河网节点属性表中出水口河段的目的节点，并将其作为出水口起始点；

S43、基于河网节点属性表，查找出水口起始点对应的源节点，并将其作为出水口终止点，且记录出水口起始点到出水口终止点的河段位于线状河网的河段ID；

本实施例中研究区内出水口河网节点属性表如表2所示：

表2

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S44、将上一出水口终止点作为出水口起始点；

S45、重复步骤S43和步骤S44，依次得到若干出水口终止点；

S5、基于各源头起始点、各出水口终止点、河网节点属性表和线状河网，完成主河道确定；

所述步骤S5包括如下步骤：

S51、依次双向并行查找各源头起始点与出水口终止点，直至源头起始点对应的河段ID与出水口终止点对应的河段ID重复为止；

S52、根据河网节点属性表，获取河段ID重复之前查找过的各源头起始点和出水口终止点分别对应的所有河段ID；

S53、基于各河段ID和线状河网，完成主河道确定，如图6所示。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种确定流域内主河道的方法，通过ArcGIS平台和数字高程模型数据，计算流域内流向格网和汇流累积量格网，结合河流分级方法，对复杂河网进行梳理，准确定位各等级河流，并采用双向并行寻找的方法，实现在海量河段中快速提取主河道，有效地提升了流域河网数字化的效率，同时也能够为水文模型快速模拟提供技术支撑。