专利名称：一种基于三角形面片的汇水区划分方法
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 00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I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 triangularfacet 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(⑶-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。I、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(I)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；(3)取链表L中某三角形的最低点P，搜索TIN网中点P的边邻接点。如果点P高程值低于边邻接点，则水量不流出；若P的高程值高于其边邻接点，则取坡度最陡的边邻接点S,将最低点P的水量流入S,即点S的水量增加P的水量,点P的水量标示不变。标记点P和点S已被搜索过；取点S重复该步骤。(4)对链表L中所有未标记的点重复步骤(3),得到最终的各点汇流水量标示；(5)根据各点的汇流水量标示,取水量标示大于a的点，按边相邻关系,依水量标示由小到大追踪连接各点形成汇流路径。其中，水量标示越大表示越靠近汇流的终点，主汇流路径上的水量标示值大于支汇流路径上的水量标示值,局部水量标示最大点为局部挂地点。 2、根据面-点-边-点汇流模式的汇流路径，标示上游三角形，根据最终标示划分区域内的一级汇水区。本技术方案涉及的基于面-点-边-点汇流模式标示上游三角形的一级汇水区的划分方法，主要包含以下几个步骤(I)计算区域内所有三角形的最低点，存入到链表Q中，并初始标示各最低点的上游三角形；(2)如果链表Q非空，依次取链表Q中的最低点P，如果P未被标示搜索过，则进入
(3)，否则取下一个；如果链表Q为空则退出；(3)搜索点P的边邻接点存入链表N中；
(4)如果点P的高程值与链表N中点的高程值相比不是最低，进入(5);否则进入
(7)；(5)计算P和链表N中各点的坡度值；取坡度最陡边对应的点M存入到汇流路径链表R中，点M标示的上游三角形中增加点P标示的上游三角形，标示P已被搜索过；(6)将点M赋给P，转到(3);(7)记录该点为汇流终点(局部挂地点)，标示流入该点的上游三角形；(8)根据(7)的标示，生成区域内的一级汇水区。3、汇水区出水口是汇水区的边缘点中高程值最低的点。根据三角形边的被拥有次数判定边缘边，取边缘边的顶点中高程最低点为出水口，汇水区中高程值低于出水口的顶点称为低洼顶点，出水口判断主要包含以下几个步骤(I)搜 索汇水区内的所有边，存入链表C中；(2)取链表C中的边，判断该边是否被汇水区内的某三角形所拥有，记录其被拥有次数；(3)如果其被拥有的次数为2，则该边为汇水区的内部边；如果其被拥有的次数为1，则标记该边为汇水区的边缘边；(4)取边缘边上的点为边缘点,取边缘点中高程最低的点为出水口。4、依据发明内容3提取汇水区出水口，根据汇水区的出水口高程填平汇水区内低洼顶点，然后基于面-点-边-点汇流模式标示上游三角形递归生成多级汇水区。基于汇水区出水口高程填平汇水区内低洼顶点的多级汇水区划分方法，主要包含以下几个步骤(I)提取汇水区的出水口 ；(2)根据汇水区的出水口高程填平汇水区内的低洼顶点，使其略高于出水口高程;(3)按照技术方案2的方法，生成该汇水区的父级汇水区；(4)递归步骤(I) (3)，即可得到区域内的多级汇水区。(三)有益效果I.本发明专利采用TIN数据结构能够更准确的逼近真实地表，创新性地提出了基于面-点-边-点的汇流模式，基于此发明了汇流路径提取方法、汇水区划分方法。2.本发明专利依据三角形边的被拥有次数来判定边缘边，取边缘边的顶点中高程最低点为出水口；发明了根据汇水区出水口高程填平汇水区内的低洼顶点，基于面-点-边-点汇流模式标记上游三角形，递归生成多级汇水区的方法。3.本发明专利的汇流路径提取、出水口判断、汇水区(多级)划分方法，为基于TIN的DEM流域特征分析提供了新方法，可据此面向数字水文领域(如应用于城市内涝淹没过程模拟与仿真分析)开发相应软件。
图I为某区域的TIN网示意图，字母表示地表点，括号内的数字标示高程值。图2为汇流路径和标示水量示意图,4':'标示三角形的水量流入到最低点标示汇流路径,(g)标示局部挂地点,标示该点的水量。图3为一级汇水区划分示意图，不同符号标示了不同的汇水区:|丨Illlll标示汇水区
权利要求
1.一种基于三角形面片的汇水区划分方法，其特征在于，该方法包括 (1)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； (2)基于面-点-边-点汇流模式标示上游三角形的一级汇水区的划分方法； (3)基于汇水区出水口高程填平汇水区内低洼顶点的多级汇水区划分方法。
2.根据权利要求I中所述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，其特征在于，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，主要包含以下几个步骤 (1)初始化区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，即各最低顶点的标示水量为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； (3)取链表L中某三角形的最低点P，搜索TIN网中点P的边邻接点。如果点P高程值低于其边邻接点，则水量不流出；若P的高程值高于其边邻接点，则取坡度最陡的边邻接点S,将最低点P的水量流入S,即点S的水量增加P的水量,点P的水量标示不变。标记点P和点S已被搜索过；取点S重复该步骤； (4)对链表L中所有未标记的点重复步骤(3)，得到最终的各点汇流水量标示； (5)根据各点的汇流水量标示，取水量标示大于a的点，按边相邻关系,依水量标示由小到大追踪连接各点形成汇流路径。其中，水量越大表示越靠近汇流的终点，主汇流路径上的水量标示值大于支汇流路径上的水量标示值，局部水量标示最大点为局部挂地点。
3.根据权利要求I中所述的基于面-点-边-点汇流模式标示上游三角形的一级汇水区的划分方法，其特征在于，根据面-点-边-点汇流模式的汇流路径，标示上游三角形，主要包含以下几个步骤 (1)计算区域内所有三角形的最低点，存入到链表Q中，并初始标示各最低点的上游三角形； (2)如果链表Q非空，依次取链表Q中的最低点P，如果P未被标示搜索过，则进入(3)，否则取下一个；如果链表Q为空则退出； (3)搜索点P的边邻接点存入链表N中； (4)如果点P的高程值与链表N中点的高程值相比不是最低，进入(5);否则进入(7)； (5)计算P和链表N中各点的坡度值；取坡度最陡边对应的点M存入到汇流路径链表R中，点M标示的上游三角形中增加点P标示的上游三角形,标示点P已被搜索过； (6)将点M赋给P，转到(3); (7)记录该点为汇流终点,标示流入该点的上游三角形； (8)根据(7)的标示，生成区域内的一级汇水区。
4.根据权利要求I中所述的基于汇水区出水口高程填平汇水区内低洼顶点的多级汇水区划分方法，其特征在于，提取汇水区出水口，根据汇水区的出水口高程填平汇水区内低洼顶点，使其略高于出水口高程，基于面-点-边-点汇流模式标示上游三角形的方法递归生成多级汇水区。
5.根据权利要求4中所述的提取汇水区出水口，其特征在于，根据汇水区内三角形边的被拥有次数为I判定为边缘边，取边缘边的顶点中高程最低点为出水口。
全文摘要
本发明公开了一种基于三角形面片的汇水区划分方法，内容包括1)基于三角形面片的水汇流到最低点后沿坡降最大边汇流的面-点-边-点汇流模式的汇流路径提取方法；2)基于面-点-边-点汇流模式标示上游三角形的一级汇水区的划分方法；3)基于汇水区出水口高程填平汇水区内低洼顶点的多级汇水区划分方法。本发明所设计的基于三角形面片的汇水区划分方法可应用于TIN表示的数字地表(包含基于CD-TIN表达的复杂地表)的汇流路径提取、汇水区(多级)划分、出水口判断等流域特征分析，为基于TIN的DEM流域特征分析提供了新方法，可据此面向数字水文领域(如应用于城市内涝淹没过程模拟与仿真分析)开发相应软件。
文档编号G06T7/60GK102915547SQ20121038480
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者吴立新, 李志锋, 张振鑫 申请人:吴立新, 李志锋, 张振鑫