[发明专利]一种基于三角形面片的汇水区划分方法

说明书

技术领域

本发明涉及到基于数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM分不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)和栅格两种表达方式)的汇水区划分方法。更具体地，涉及一种基于三角形面片的汇水区划分方法。

背景技术

汇水区，或称集水区域、集水盆地、流域盆地，是指地表径流或其他物质汇聚到一共同出水口的过程中所流经的地表区域，它是一个封闭的区域。出水口是指水流离开汇水区域的点，是汇水区域边界上的最低点。汇水区中存在比周围地表低洼的地形称为洼地。

汇水区是水文分析的基础，也是流域及洪涝等领域研究的基本单元。当前，基于DEM的汇水区划分方法有两大类型：基于栅格和基于不规则三角网。其中，由于栅格数据结构简单，算法处理方便，基于栅格的汇水区划分算法较多。如Band(1986)和Qian(1990)等提出的用矩形窗口扫描DEM矩阵确定洼地方法；O’Callaghan和Mark(1984)提出的基于地表径流漫流模型，模拟水流进而确定分水线，划分汇水区域。而其中水流方向算法又有：基于单向水流的D8法、DEMON法和D∞法，基于多向水流的Quinn法和Freeman法等。但是，基于三角形面片的数字地表能够更逼近真实地形，尤其是对复杂地表TIN表达效果更好。故基于TIN进行相关的水文分析能够得到更为准确的结果。刘学军于2008年在《水利学报》第39卷第1期上的《基于不规则三角网的河网提取算法》提出了一种基于不规则三角网的河网水系提取算法，周启鸣于2011年在《Water Resource Research》第47期上的《Estimating surface flowpaths on a digital elevation model using a triangular facet network》基于三角形的DEM模拟了表面水流路径。但以上均未给出基于三角形面片的汇水区生成算法。

综上，目前汇水区划分多是基于栅格DEM的方法，而基于三角形面片的汇水区划分较为少见。本发明专利顾及水流规律，提出了一种三角形面片上的面-点-边-点汇流模式，基于该模式给出了汇流路径提取方法、汇水区(多级)划分和出水口判断的技术方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

当前的水文分析多基于栅格DEM，准确性和灵活性欠佳，而基于TIN的DEM能较好的逼近真实地表，但针对其的汇水区(多级)划分，并未给出相应的解决方法。本发明专利基于三角形面片给出了汇流路径提取、汇水区(多级)划分和汇水区出水口判断的技术方法，该方法可应用于TIN表示的数字地表(包含基于约束不规则三角形网(CD-TIN)表达的复杂地表)。

(二)技术方案

为便于后文阐述，现对相关术语解释如下：

上游三角形：指按照下文技术方案的汇流模式，所有沿汇流路径汇流到某顶点的三角形称为该顶点的上游三角形；其中，各三角形高程最低顶点的上游三角形初始标示为它所在的三角形。

一级汇水区：指基于TIN地表按照下文技术方案的汇流模式，首次划分形成的封闭地表区域。

汇水区出水口：指汇水区的边缘点中高程值最低的点。

低洼顶点：指汇水区中高程值低于出水口的顶点；其中，汇水区内局部高程最低的低洼顶点称为局部洼地点。

父级汇水区：指相对于上一级汇水区的划分，按照上一级汇水区的出水口高程值填平上一级汇水区内的低洼顶点，然后按照下文技术方案的汇流模式，再次划分形成的封闭地表区域。如，一级汇水区向上划分后的父级汇水区为二级汇水区，二级汇水区的子汇水区为一级汇水区，依此类推。

多级汇水区：指相对于一级汇水区而言，根据一级汇水区的划分结果，按照下文技术方案的多级汇水区划分方法形成的二级汇水区、三级汇水区等，统称为多级汇水区。

1、汇流路径提取是汇水区划分的前提，根据三角形面片上的水汇流到各三角形高程最低顶点，沿着三角形边汇流到邻近的边坡度最陡顶点，直到汇流终点；根据该汇流方式标示的三角形各顶点的汇流水量由低到高追踪提取汇流路径。本技术方案涉及的基于三角形面片的水汇流到最低点后沿坡度最陡边汇流的面-点-边-点汇流模式的汇流路径提取方法，主要包含以下几个步骤：

(1)初始化区域内所有的三角形顶点，统一标示各顶点的初始水量为a；

(2)遍历区域内每个三角形，将各三角形的水汇集到该三角形高程最低的顶点，即各最低点的标示水量为3a，其余两个顶点的标示水量不变为a；存储各三角形的最低点到链表L中，并按其高程由高到低排序；