专利名称：一种基于tin数据的河网提取方法
技术领域：
本发明涉及一种基于TIN数据的河网提取方法，属于地理信息与水文学技术领域。
背景技术：
随着空间技术和计算机技术的迅猛发展，水文研究也逐步迈向数字化，特别是3S技术(RS、GIS和GPS)的飞速发展为数字流域水系的研究提供了强有力技术支撑。遥感(RS)可以提供流域范围内不同时间、不同空间分辨率的格网数据，全球定位系统(GPS)能提供流域内水文实体(如河流、湖泊、水库等)精确空间位置信息，地理信息系统(GIS)能够采集、编辑和管理流域空间数据，此外还能进行空间分析、数据查询、地形分析等。RS、GIS和GPS等技术的相融合，可以为流域研究和管理提供自然地理、水文水资源、生态环境和社会经济等方面的快速、准确、实时、大范围观测的空间数据。3S技术相结合所提供的大量空间 数据，使得水文研究，特别是数字流域的研究得到了进一步深入。随着水文研究的数字化，传统的河网已经不能满足水文研究的需要，数字河网概念应运而生。数字流域河网的提取已成为数字流域、分布式水文模型等水文研究的关键技术环节。目前关于数字河网的提取方法主要是针对格网DEM的，其主要有两类方法第一类是基于谷点的河网构建方法，先提取出格网中的谷点，再把这些谷点连接起来，从而得出河道和河网；该类方法简单，但是提取的河网存在不连续等问题，需要重新连接、修整才能生成合理的河网，故该方法运用较少。第二类是基于流向的构建方法，先确定每个格网的水流方向，再根据这些水流方向确定河网。基于谷点的河网提取。基于流向的河网提取方法的思路是，首先对研究区域进行填洼和平坦区域处理，再计算出每个DEM格网的水流流向，然后根据格网流向算出流向每个格网的汇水面积(上游汇水面的格网数目)，设定一个汇水面积阈值，将汇水面积大于或等于阈值的格网判定为流域河网的组成部分，最后按照水流方向连接这些格网形成最终的流域河网。由于格网DHM的结构简单，处理方便，基于格网DEM的河网提取算法研究较多，但是由于格网DEM的固有特性，利用格网DEM数据构建数字河网仍然存在较大的缺陷，特别是进行了洼地和平坦区域处理后，往往丢失了原来的地形信息，从而导致所构建的数字河网失真。相对于格网DEM而言，TIN结构的DEM数据具有良好的矢量性，能够更加精确地模拟地形地貌，因此，在河网提取的实际应用当中，TIN结构的DEM数据更具优势，可以利用三角形的梯度唯一地确定水流方向，河网可以作为三角形的特征模式来研究。Frank等于1986年首先提出基于TIN的流域河网提取，认为河网是由所有的在TIN上的谷线所组成的，除了谷线外，TIN还包含脊线(在TIN中认为是分水线)，在TIN中表现为三角形的边，其中谷线和脊线统称为特征线。卢振千等于2001年提出了一种融合等高线和规则格网有点的DEM-TIN模型，该方法要求规则格网内的河流必需位于由该格网生成的TIN的边上，并基于该模型进行了地形因子的提取(卢振千，吕妙儿，黄杏元.不规则三角网TIN在流域坡面汇流分析中的应用[J]测绘科学，2001，26 (4) :45 48.)。Jones，N. L等于1990年研究了基于梯度的TIN的流向与边的汇水性计算算法，但是未进一步提取流域河网(Jones, N. L. , Wright, S. G. , and Maidment, D. R. Watershed delineation withtriangle-based terrain models[J], Journal of Hydraulic Engineering,1990,116 1232 1251.)。SidiYu等于1996年研究了边的汇水性，以及基于TIN的河网查询的算法复杂度，在SidiYu和Jones，N. L基础上，刘学军等于2008年提出了基于不规则三角网的河网水系提取算法，利用三角形的几何性质，提取出TIN的特征线，连接谷线形成河网。目前基于TIN的算法大多采用Frank的思想，认为河流在TIN的边上。上述算法均利用TIN三角形的梯度判断水流方向，在求得流向的基础上，通过判断TIN三角形每条边的汇水性来识别河道，河道的定义单一。当出现大面积平坦区域时，TIN数据中的三角形表现为导数为零，无法计算流向，进而不能提取河道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供一种基于TIN数据的河网提取方法。采用从流域出口回溯的方法计算平坦区域三角形的流向以进一步提取出 河道。本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案一种基于TIN数据的河网提取方法，包括如下步骤步骤A :读取TIN数据，步骤B :计算水流流向向量，步骤C :提取谷线，将空间三角形分为谷线三角形和非谷线三角形，包括如下步骤C-I，取TIN中任意一条边，在所取TIN边的左右三角形中，分别做所选边的方向向量与三角形水流流向向量的向量积；当向量积小于零时,进一步计算所选边与水流流向向量的交点并根据所选边上点的取值范围判断交点是否在所选边的延长线上；C-2，若左右两个三角形中所作向量积均小于零，所选边为河网谷线，含有河网谷线的三角形为谷线三角形；若三角形的所有边均不是河网谷线，该三角形为非谷线三角形；步骤D，提取河道，当步骤C的判别结果为非谷线三角形的，进入步骤D-I ;当步骤C的判别结果为谷线三角形的，进入步骤D-2 ；D-1，对于非谷线三角形，连接该非谷线三角形重心到其水流方向所指三角形的重心，构成重心-重心河道；D-2，对于谷线三角形河道的提取，包括如下步骤D-2-1 :提取TIN中的所有谷线，并将谷线标记为谷线河道；D-2-2 :判断三角形包含的谷线数目，若有两条谷线，进入步骤D-2-2-1 ;若只有一条谷线，进入步骤D-2-2-2 ；D-2-2-1 :三角形有两条谷线，则这两条谷线与水流流向向量有且只有一个交点，连接三角形重心到该交点，构成重心-谷线河道，所述两条谷线不含延长线；D-2-2-2 :当水流流向向量与谷线相交时，连接三角形重心和交点，构成重心-谷线河道；当水流流向向量与谷线的延长线相交时，连接谷线上离交点较近的端点和三角形的重心，构成重心-谷线河道；步骤E :提取平坦区域的河道，采用从流域出口回溯的方法计算平坦区域三角形的水流流向以进一步提取出河道。所述基于TIN数据的河网提取方法步骤B的具体实现如下步骤B-1，利用梯度原理计算TIN中空间三角形重心处的梯度向量；步骤B-2，定义以三角形重心为起点，沿与梯度向量方向相反的的射线为水流流向向量。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果
(I)解决了通过判断TIN三角形每条边的汇水性来识别河道所定义的河道单一的问题；(2)解决了平坦区域河道提取的问题。
图I为基于TIN数据河网提取方法的流程图。图2为TIN的基本特征图。图3为标量场的梯度示意图。图4为三角形的梯度示意图。图5为空间三角形的流向向量示意图。图6为空间三角形边与流向的关系示意图。图7为空间三角流向向量与边的相交关系示意图。图8为相邻空间三角形公共边的分类示意图。图9为空间三角形边与相邻空间三角形的关系示意图。图10为谷线三角形的河道提取示意图。图11为实验测试数据示意图。图12为实验数据中研究区域的谷线分析结果图。图13为重心-重心河道实验结果图。图14为重心-谷线河道实验结果图。图15为回溯后的河道示意图。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明如图I所示，基于TIN数据河网提取方法的流程包括如下步骤(I)读取 TIN 数据；(2)计算水流流向向量；(3)提取谷线，将空间三角形分为谷线三角形和非谷线三角形；(4)分别对谷线三角形和非谷线三角形进行河网提取；(5)处理平坦区域，提取平坦区域的河道。如图2所示在TIN模型中，有三种基本元素，分别为点、边和面。点是数据采集时的数据采集点，在TIN结构中表现为相邻三角形的公共顶点，也是在进行河网提取时需要的数据基础。在TIN模型中点是具有三维空间信息的点，表现为(x，y，z)，其中z表示高程。边是TIN模型中的相邻三角形的公共边界，同时也是整个研究区域的边界，它把孤立的数据点关联起来，包含了大量地形特征。在数学上边是空间线段，不具备可导性质。根据TIN的就近原则，面是地形空间中三个相距最近的点构成三角形面，是用于数字化表达地形的基本单元，在进行河网提取时将用到其一重要的性质-梯度。梯度是一个重要的几何性质，在向量微积分学中，梯度是标量场的一个向量场，标量场中某点的梯度表现为经过该点的一个向量，沿着该向量的方向，标量增长的速度最快，如图3所示。对于二维平面区域上的函数Z = f(x, y)的梯度的数学定义为设函数z = f(x,y)在点(x,y)处的方向导数存在,则z = f(x,y)在(x, y)处的梯度记为grad[f(x,y)] = (^,^-)(I) ox Dy图4给出了 TIN中的空间三角形中的点(x,y)处的梯度。它是以点(x,y)为起点的射线，其物理意义是沿此方向高程值z上升最快。在实际的地形中，如果高程值z用函数Z = f(x, y)表示,那么点(X, y)处的梯度就是坡度最陆峭的方向。在等高线模型中，由于等高线越密集，坡度越陡峭，故梯度总是指向等高线密集的。在TIN模型中，一个特定的空间三角形的梯度是一组平行的向量，它们可以由空间三角形的方程求出，这组向量的方向就是三角形所表达地形最陡峭的方向。本发明的方法是通过如下步骤实现的A.打开TIN数据，读入算法所需要的地形数据。B.利用梯度原理计算TIN数据中空间三角形重心处的梯度，并进一步计算水流方向。具体包含如下步骤B-I利用TIN中空间三角形的顶点坐标计算出空间三角形的梯度设空间三角形的三个顶点分别为A(xa, ya, za), B(xb, yb, zb), C(xc, y。，zc),则该三角形的梯度可以按如下步骤计算。xb-xa,yb-ya,zb-za =0(2)
Xc-Xa^c-ya^c-Za由于梯度的计算需要求偏导数，且数字高程模型的数学定义z = f (x，y)，故对式2进行进一步化解得ax+by+cz+d = 0 (3)
a = (yb-ya)x (zc -za)-(yc-ya)x ( -
「 ， ^ . b = (Xc-Xa)X(Zb-Za)- (xb -xjx (zc-za)其中彳(4)
)c = (xb-xa)x(yc-ya)-(xc-xa)x(yb-ya)
d = -axxa-bxya-cxza当c古0时，对式3进行变形，表达为z关于x，y的函数z = f {x,y) = X y(5)
CCC这样,就把XOY平面上的点坐标(X,y)映射到了空间高程z上面,在c古0的条件下，z = f (x, y)在其定义域内的方向导数存在,对式5分别求关于X’ y偏导数可得
权利要求
1.一种基于TIN数据的河网提取方法，其特征在于包括如下步骤 步骤A :读取TIN数据， 步骤B :计算水流流向向量， 步骤C :提取谷线，将空间三角形分为谷线三角形和非谷线三角形，包括如下步骤 C-I，取TIN中任意一条边，在所取TIN边的左右三角形中，分别做所选边的方向向量与三角形水流流向向量的向量积； 当向量积小于零时，进一步计算所选边与水流流向向量的交点并根据所选边上点的取值范围判断交点是否在所选边的延长线上； C-2，若左右两个三角形中所作向量积均小于零，所选边为河网谷线，含有河网谷线的三角形为谷线三角形； 若三角形的所有边均不是河网谷线，该三角形为非谷线三角形； 步骤D，提取河道，当步骤C的判别结果为非谷线三角形的，进入步骤D-I ;当步骤C的判别结果为谷线三角形的，进入步骤D-2 ； D-1，对于非谷线三角形，连接该非谷线三角形重心到其水流方向所指三角形的重心，构成重心一重心河道； D-2，对于谷线三角形河道的提取，包括如下步骤 D-2-1 :提取TIN中的所有谷线，并将谷线标记为谷线河道； D-2-2 :判断三角形包含的谷线数目，若有两条谷线，进入步骤D-2-2-1 ;若只有一条谷线，进入步骤D-2-2-2 ； D-2-2-1 :三角形有两条谷线，则这两条谷线与水流流向向量有且只有一个交点，连接三角形重心到该交点，构成重心一谷线河道，所述两条谷线不含延长线； D~2~2~2 :当水流流向向量与谷线相交时，连接二角形重心和交点，构成重心一谷线河道；当水流流向向量与谷线的延长线相交时，连接谷线上离交点较近的端点和三角形的重心，构成重心一谷线河道； 步骤E :提取平坦区域的河道，采用从流域出口回溯的方法计算平坦区域三角形的水流流向以进一步提取出河道。
2.如权利要求I所述的基于TIN数据的河网提取方法，其特征在于步骤B的具体实现如下 步骤B-1，利用梯度原理计算TIN中空间三角形重心处的梯度向量； 步骤B-2，定义以三角形重心为起点，沿与梯度向量方向相反的的射线为水流流向向量。
全文摘要
本发明涉及一种基于TIN数据的河网提取方法，属于地理信息与水文学技术领域。本法利用TIN三角形的梯度判断水流方向，在求得流向的基础上，通过判断TIN三角形每条边与水流流向向量的关系将空间三角形分为谷线三角形和非谷线三角形，并分别依据谷线三角形和非谷线三角形提取河网，采用从流域出口回溯的方法计算平坦区域三角形的流向以进一步提取出河道。本发明解决了通过判断TIN三角形每条边的汇水性来识别河道所定义的河道单一的问题以及无法提取平坦区域河道的问题。
文档编号G06K9/46GK102810157SQ20111011579
公开日2012年12月5日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者冯钧, 唐志贤, 朱跃龙, 万定生, 李士进, 黄如春, 韦冕, 顾忠国, 卞一路 申请人:河海大学