一种自动识别流域数字化过程中出口点的方法
【专利摘要】本发明公开了一种自动识别流域数字化过程中出口点的方法，包括如下步骤：读取研究区域的数字高程模型的原始数据并进行预处理；对水文站点在河道栅格矩阵内的位置进行定位，并判断水文站点是否位于河道栅格上；根据栅格控制面积矩阵，提取流域潜在出口点的控制面积，并计算该面积与水文站集水面积之间的相对误差；根据设定的面积许可误差，判断的绝对值是否小于该面积许可误差；根据流向矩阵，对流域的潜在出口点进行修正；识别过程结束。本发明可以对流域潜在出口点进行自动识别和自动修正，实现对流域出口点进行识别的自动化处理，保证了出口点的定位精度，同时避免了人为干预，提高了流域数字化的效率。
【专利说明】一种自动识别流域数字化过程中出口点的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流域数字化，尤其是识别流域数字化过程中出口点的方法。
【背景技术】
[0002]为了更好地描述水文现象、探索和揭示水文规律，水文学研究正逐步迈向数字化，近年来，随着大范围、高精度数字高程模型(DEM)的出现，数字水文学的研究得到了进一步发展。利用DEM对流域进行数字化也就成为了构建流域水文模型、进行水文模拟与研究的前提。
[0003]DEM原始数据是进行流域数字化的基础数据，在利用该基础数据进行流域数字化时，其关键是如何精确、便捷地识别出流域出口点。流域出口点的准确定位对数字化结果有着重要影响，在流域数字化过程中，即使是位置相近的几个点，也会生成完全不同的研究流域边界和集水区域。因此，如果流域出口点定位不准确，不仅限制了水文模拟的精度，也不利于真实掌握研究流域的降雨-径流响应。
[0004]目前，流域数字化过程中对于流域出口点的识别方法主要是依据水文站点的经纬度坐标，但是由于水文站点坐标定位时本身存在误差，导致了站点所对应位置往往并不是流域的真实出口点，现有方法则需要多次人为干预对站点位置进行修正，才能确定出流域出口，生成流域集水区域。
[0005]但是，人为干预修正流域出口点非常繁琐复杂，尤其当研究流域较多时，数字化过程也将更加的费时费力，不利于数字水文学的发展。
【发明内容】
[0006]发明目的:提供一种自动识别流域数字化过程中出口点的方法，以解决现有技术需要人为修正出口点，效率低下的问题。
[0007]技术方案:一种自动识别流域数字化过程中出口点的方法，包括如下步骤:
[0008]S1、读取研究区域的数字高程模型的原始数据并进行预处理，依次获得流向矩阵、累积汇水面积矩阵、栅格控制面积矩阵与河道栅格矩阵；
[0009]S2、基于水文站点的经纬度坐标，对水文站点在河道栅格矩阵内的位置进行定位，并判断水文站点是否位于河道栅格上，若不位于河道栅格上，则执行S3 ;若位于河道栅格上，该河道栅格即为流域潜在出口点，则执行S4 ；
[0010]S3、根据流向矩阵和水文站点，识别流域潜在出口点，并进行标记；
[0011]S4、根据栅格控制面积矩阵，提取流域潜在出口点的控制面积，并计算该面积与水文站集水面积之间的相对误差S ;
[0012]S5、根据设定的面积许可误差，判断δ的绝对值是否小于该面积许可误差，若判断结果为否，则执行S6 ;若判断结果为是，则执行S7 ；
[0013]S6、根据流向矩阵，对流域的潜在出口点进行修正，然后重复S4和S5 ；
[0014]S7、自动识别过程结束，当前的流域潜在出口点即为流域出口点。[0015]所述数字高程模型的原始数据采用ArcInfo ASCII格式，地理坐标系统采用的是WGS84经纬度坐标。
[0016]栅格控制面积矩阵的提取步骤包括:
[0017]I)由数字高程模型分辨率计算得到单个栅格单元的面积；
[0018]2)以累积汇水面积矩阵为基础，将每个栅格单元的上游累积栅格数乘以单个栅格单元的面积，得到栅格控制面积矩阵。
[0019]河道栅格矩阵的提取步骤包括:
[0020]I)设定一个生成河道栅格的阈值；
[0021]2)利用栅格控制面积矩阵，按照给定的阈值对每个栅格单元进行标记，若栅格单元的控制面积小于给定的阈值，将该单元标记为无数据区；若栅格单元的控制面积大于给定的阈值，将该单元标记为河道栅格，得到河道栅格矩阵。
[0022]对水文站点在河道栅格矩阵内的位置进行定位包括如下步骤:
[0023]I)由水文站点的纬度坐标计算该站点在河道栅格矩阵内所处的行数:
[0024]SNx = nrows-1NT[(SLat-yllcorner)X60X (60/(3600Xcellsize))]；
[0025]式中，SNx为水文站点在河道栅格矩阵内所处的行数；SLat为水文站点的纬度坐标；nix)WS为河道栅格矩阵的总行数allcorner为河道栅格矩阵西南角栅格单元对应的纬度坐标；cellsize为DEM分辨率；INT[]为取整函数；
[0026]2)由水文站点的经度坐标计算该站点在河道栅格矩阵内所处的列数:
[0027]SNy = INT[(SLon-xllcorner)X60X (60/(3600Xcellsize))]+1 ；
[0028]式中，SNy为水文站点在河道栅格矩阵内所处的列数；SLon为水文站点的经度坐标xllcorner为河道栅格矩阵西南角栅格单元对应的经度坐标；
[0029]3)根据计算的SNx与SNy，在河道栅格矩阵内搜索与该行列数对应的栅格单元，将其标记为水文站点，实现对站点位置的定位；若该单元同时被标记为河道栅格，表明水文站点位于河道上，该单元即为流域的潜在出口点；若该单元同时被标记为无数据区，表明水文站点不位于河道上。
[0030]对流域的潜在出口点进行识别包括如下步骤:
[0031]I)根据流向矩阵，从水文站点所在栅格单元开始，沿着水流方向往下游搜索，搜索到第一个河道栅格后将其标记为C1 ；
[0032]2)以水文站点所在栅格单元为中心，建立3X3的窗口，并搜索窗口内的河道栅格，当窗口内只有一个河道栅格时，则将其标记为C2 ;当窗口内有多个河道栅格时，C2则为距离水文站点最近的河道栅格；当窗口内没有河道栅格时，则扩大窗口重新搜索，直至C2标记完成；
[0033]3)比较C1与C2的高程，并由流向矩阵判断较高的栅格单元是否流经较低栅格单元，如果判断结果为C1大于等于C2,则将C1作为流域的潜在出口点；反之，则将C2作为流域的潜在出口点。
[0034]S4中所述的相对误差δ的计算公式为:
[0035]
【权利要求】
1.一种自动识别流域数字化过程中出口点的方法，其特征在于，包括如下步骤: s1、读取研究区域的数字高程模型的原始数据并进行预处理，依次获得流向矩阵、累积汇水面积矩阵、栅格控制面积矩阵与河道栅格矩阵； s2、基于水文站点的经纬度坐标，对水文站点在河道栅格矩阵内的位置进行定位，并判断水文站点是否位于河道栅格上，若不位于河道栅格上，则执行S3 ;若位于河道栅格上，该河道栅格即为流域潜在出口点，则执行S4 ； s3、根据流向矩阵和水文站点，识别流域潜在出口点，并进行标记； s4、根据栅格控制面积矩阵，提取流域潜在出口点的控制面积，并计算该面积与水文站集水面积之间的相对误差δ ； s5、根据设定的面积许可误差，判断δ的绝对值是否小于该面积许可误差，若判断结果为否，则执行S6 ;若判断结果为是，则执行S7 ； s6、根据流向矩阵，对流域的潜在出口点进行修正，然后重复S4和S5； s7、自动识别过程结束，当前的流域潜在出口点即为流域出口点。
2.如权利要求1所述的自动识别流域数字化过程中出口点的方法，其特征在于，所述数字高程模型的原始数据采用ArcInfo ASCII格式，地理坐标系统采用的是WGS84经纬度坐标。
3.如权利要求1或2所述的自动识别流域数字化过程中出口点的方法，其特征在于，栅格控制面积矩阵的提取步骤包括: O由数字高程模型分辨率计算得到单个栅格单元的面积； 2)以累积汇水面积矩阵为基础，将每个栅格单元的上游累积栅格数乘以单个栅格单元的面积，得到栅格控制面积矩阵。
4.如权利要求1或2所述的自动识别流域数字化过程中出口点的方法，其特征在于，河道栅格矩阵的提取步骤包括: O设定一个生成河道栅格的阈值； 2)利用栅格控制面积矩阵，按照给定的阈值对每个栅格单元进行标记，若栅格单元的控制面积小于给定的阈值，将该单元标记为无数据区；若栅格单元的控制面积大于给定的阈值，将该单元标记为河道栅格，得到河道栅格矩阵。
5.如权利要求1所述的自动识别流域数字化过程中出口点的方法，其特征在于，对水文站点在河道栅格矩阵内的位置进行定位包括如下步骤: 1)由水文站点的纬度坐标计算该站点在河道栅格矩阵内所处的行数:
SNx = nrows-1NT[(SLat-yllcorner)X60X (60/(3600Xcellsize))]； 式中，SNx为水文站点在河道栅格矩阵内所处的行数；SLat为水文站点的纬度坐标；nrows为河道栅格矩阵的总行数；yllCOrner为河道栅格矩阵西南角栅格单元对应的纬度坐标；cellsize为DEM分辨率；INT[]为取整函数； 2)由水文站点的经度坐标计算该站点在河道栅格矩阵内所处的列数:
SNy = INT[(SLon-xllcorner)X60X (60/(3600Xcellsize))]+1 ； 式中，SNy为水文站点在河道栅格矩阵内所处的列数；SLon为水文站点的经度坐标；xllcorner为河道栅格矩阵西南角栅格单元对应的经度坐标； 3)根据计算的SNx与SNy，在河道栅格矩阵内搜索与该行列数对应的栅格单元，将其标记为水文站点，实现对站点位置的定位；若该单元同时被标记为河道栅格，表明水文站点位于河道上，该单元即为流域的潜在出口点；若该单元同时被标记为无数据区，表明水文站点不位于河道上。
6.如权利要求1或2所述的自动识别流域数字化过程中出口点的方法，其特征在于，对流域的潜在出口点进行识别包括如下步骤: 1)根据流向矩阵，从水文站点所在栅格单元开始，沿着水流方向往下游搜索，搜索到第一个河道栅格后将其标记为C1 ； 2)以水文站点所在栅格单元为中心，建立3X3的窗口，并搜索窗口内的河道栅格，当窗口内只有一个河道栅格时，则将其标记为C2 ;当窗口内有多个河道栅格时，C2则为距离水文站点最近的河道栅格；当窗口内没有河道栅格时，则扩大窗口重新搜索，直至C2标记完成； 3)比较C1与C2的高程，并由流向矩阵判断较高的栅格单元是否流经较低栅格单元，如果判断结果为C1大于等于C2，则将C1作为流域的潜在出口点；反之，则将C2作为流域的潜在出口点。
7.如权利要求1或2所述的自动识别流域数字化过程中出口点的方法，其特征在于，S4中所述的相对误差δ的计算公式为:
8.如权利要求1所述的自动识别流域数字化过程中出口点的方法，其特征在于，对流域的潜在出口点进行修正包括如下步骤: 1)当Ag> Ai时，从修正前的潜在出口点开始，按照流向矩阵往下游搜索，搜索到的第一个河道栅格作为修正后的潜在出口点； 2)当Ag< Ai时，从修正前的潜在出口点开始，以距离水文站点最近为原则，按照流向矩阵往上游搜索，搜索到的第一个河道栅格作为修正后的潜在出口点。
【文档编号】G06F19/00GK103729552SQ201310706921
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】姚成, 李致家, 余钟波, 章玉霞, 安冬 申请人:河海大学