[发明专利]基于大数据量DEM数据的子流域划分方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够在海量数字高程模型（Digital Elevation Model）数据下进行水文分析的方法，具体说，是面向海量DEM数据，提取汇水网络与子流域的方法。

背景技术

数字高程模型（Digital Elevation Models，DEM）是利用数值方法表达地形表面形态的主要方法，广泛应用于三维地形建模、可视性分析、工程土方估算、水文分析、洪水淹没分析等诸多工程应用领域。目前常用的DEM数据结构包括规则格网DEM和不规则三角网（Triangulated Irregular Network，TIN）以及等高线(Contour)等。其中，规则格网DEM由于其数据结构简单、计算分析方便，与遥感影像数据等栅格数据有着天然的相合性，其应用相当广泛；DEM已经成为规则格网DEM的代称。

近年来，各国都非常重视这一数据源，建立了各自的多尺度数字高程模型库。在我国，作为国家NSDI重点建设的基础地理数据，已经建立了系列尺度的DEM数据库，包括1:100万，1:25万，1:5万和1:1万四种尺度。由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量，生产的海量数据SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）包含北纬60度至南纬60度之间总面积超过1.19亿平方公里，覆盖地球80%以上的陆地表面，分辨率为3弧秒。此外，更高精度的Aster GDEM覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域，包括地球陆地表面的99%，分辨率达到1弧秒。大范围，高精度的DEM数据为数字地形分析和其他应用领域提供了前提和保障。

水文学一直是DEM的核心应用领域。汇水网络和子流域边界不仅是水文分析中非常核心的基础数据，同时也是具有重要地貌学意义的地形骨架。基于DEM水文分析应用模型的数据预处理阶段主要由三个步骤组成，分别是DEM洼地填充，计算水流方向和计算汇流累积量。在此基础上，基于水流方向数据和汇流累积量数据，根据选定的阈值（根据用户需要）就可计算出汇水网络以及子流域范围。

然而，随着DEM数据的精度越来越高，数据所覆盖的范围越来越大，受限于计算机硬件以及算法的不确定性，基于DEM的水文分析对于海量数据处理效果不佳，使得大范围的汇水网络与子流域边界提取十分困难。特别是洼地填充算法，是一个不断循环的算法，其不断提高数据范围内洼地栅格的高程值，使DEM中不再有洼地出现；当数据量达到一定程度（一般与计算机内存容量一致），填充算法难以成功运行。以上的问题对于基于海量DEM的水文分析带来很大的困难，影响了大范围高精度的洪水灾害模拟与预测，水土保持与防治等工程，在一定程度上甚至造成相关部门的决策失误，从而可能给国家和人民造成巨大的生命财产损失;同时也影响到DEM的应用与发展。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种能够在海量数据下的水文分析的技术流程。该发明能够解决大数据量下DEM水文分析失效的问题，实现海量数据的汇水网络提取与子流域分割。

本发明的基本思路是改变传统水文模型的处理步骤，首先针对分块数据求取分块水流方向矩阵，消除边界误差，构建水流方向数据库；其次拼接所有的水流方向数据，获得完整的水流方向矩阵；第三，基于完整的水流方向矩阵求取汇流累积量矩阵；第四，基于水流方向矩阵与汇流累积量矩阵，设定一定阈值（根据实际应用），得到汇水网络以及子流域分割结果。

本发明海量DEM数据水文分析方法技术方案如下：

第一步，以单幅DEM数据为中心，拼接其周围8幅DEM，形成一个9个单幅DEM范围的新DEM数据A。拼接DEM的目的主要是防止在模型计算中边界误差的出现。

第二步，对新DEM数据A进行洼地填充处理，得到无洼地的DEM数据B。在DEM水文分析中，洼地处理是非常重要的一个预处理步骤。洼地指自然形成或者由于DEM构建算法而产生的局部低地。在基于物理模型的水文分析中，由于洼地的存在，导致水流无法顺利流向出水口。所以需要对洼地进行处理，保证所有栅格都能流向出水口。