一种基于主河道面约束的DEM河网修正与拓扑重构方法与流程

本发明涉及河网数据处理，尤其涉及一种基于主河道面约束的dem河网修正与拓扑重构方法。

背景技术：

1、数字高程模型（dem）水文分析是山区小流域河网提取、坡面沟道识别、灾害沟道建库及地形水动力过程分析的重要基础。现有方法通常基于填洼处理、d8流向计算、流量累积计算和汇流阈值提取获得栅格河网，再进一步转为矢量河网并构建上下游连接关系。该类方法在坡面、窄沟和切割明显的沟谷中具有较好的适用性。

2、但是，在宽阔、平坦或人工整治明显的主河道区域，dem高程起伏较小，河床内部微地形误差、河漫滩平台、建筑物遮挡、植被覆盖以及dem平滑效应会使d8流向在主河道面内产生不稳定分配，从而导致自动提取的河网出现混乱拉直、横向乱连、多线并行、主支沟连接位置偏移等问题：

3、1、主河道内部河网混乱，难以表达真实水系骨架。宽阔平坦河道内的水流路径在dem中不具备稳定的单一深泓线，传统阈值提取方法容易在河床面内生成多条不合理河网线，甚至出现穿越河滩、斜穿主河道、直接拉直等异常线段。

4、2、支沟入河关系失真，影响坡面沟道与主河道的空间连通。坡面沟道在接近主河道时，受主河道面内异常流向影响，常沿河床内部继续延伸或偏移一段距离后才与主河道连接，导致支沟入河位置与实际地貌位置不一致。

5、3、原有拓扑字段难以在人工修正后继续适用。现有矢量河网中的from_node、to_node、next_edge等字段通常依据初始dem河网生成，当主河道线被删除、替换、裁剪或新增挂接线后，原有节点关系随之失效，若直接沿用会造成上下游方向错误、断链、重复节点或多下游异常。

6、4、单纯依靠人工编辑效率低且可重复性差。对于多个小流域或大范围河网，仅通过人工删除主河道内异常线、手工绘制支沟连接线和逐条修正拓扑字段，工作量大、标准不统一，难以批量化、规范化应用。

技术实现思路

1、本发明所解决的技术问题在于提供一种基于主河道面约束的dem河网修正与拓扑重构方法，以解决现有的宽阔平坦主河道区域dem自动河网容易发生混乱、拉直和拓扑失真的问题。

2、本发明提供的基础方案：一种基于主河道面约束的dem河网修正与拓扑重构方法，包括：

3、s1：获取研究区dem数据、主河道面数据以及主河道唯一线数据，校验并统一获取数据的空间参考、坐标单位与空间覆盖范围；

4、s2：对dem数据进行填洼预处理，依次计算流向栅格与流量累积栅格，并基于预设汇流阈值提取得到原始矢量河网；

5、s3：基于主河道面数据的主河道面为空间约束范围，对原始矢量河网执行空间擦除处理，删除主河道面内部的全部河网线段，保留主河道外侧的面外支沟线；

6、s4：提取主河道面的闭合边界线，将面外支沟线与主河道面边界线进行空间求交，得到所有入河边界交点，并将每一个入河边界交点作为独立的入河控制点进行保留；

7、s5：针对每一个入河控制点，在主河道唯一线上搜索得到对应的最近投影点，并以入河控制点为起点、以对应最近投影点为终点，生成与入河控制点一一对应的支沟挂接线段；

8、s6：复制主河道唯一线作为主河道骨架线，将面外支沟线、支沟挂接线段与主河道骨架线合并为初步修正河网；并对初步修正河网执行交点打断与节点吸附处理，在支沟挂接线与主河道骨架线的连接位置生成真实拓扑节点，完成所有线段的几何连通；

9、s7：提取初步修正河网中所有线段的端点，在预设容差范围内执行节点去重，生成全局唯一的河网节点集合；并为每条河段重建上下游节点属性与下游邻接河段属性，分别依据流量累积值、空间连接关系与主河道预设方向判定支沟线、挂接线段及主河道骨架线的上下游流向；

10、s8：输出修正后的矢量河网线要素、河网节点要素以及拓扑异常检查结果。

11、进一步，所述s1包括：

12、s1-1：获取研究区dem栅格数据、主河道面矢量数据、主河道唯一线矢量数据，并兼容已有原始河网线数据、流向栅格数据和流量累积栅格数据作为辅助输入；

13、s1-2：将所有输入数据转换至同一投影坐标系，统一坐标单位；

14、s1-3：校验dem数据空间范围完整覆盖主河道面与主河道唯一线的分布区域，剔除范围外的无效数据；

15、s1-4：对主河道面执行几何修复，消除自相交、孔洞、重叠面的拓扑错误，并检查主河道唯一线的连续性，修正断点与冗余伪节点。

16、进一步，所述s2包括：

17、s2-1：对dem栅格数据进行填洼处理，生成无洼dem栅格数据；

18、s2-2：基于无洼dem栅格数据，采用d8单流向算法计算每个栅格的水流方向，其中，对于中心栅格，其高程为，相邻8个栅格高程为，i=1,2,…,8；中心栅格到第i个相邻栅格的坡度为：

19、

20、其中，为中心栅格到第i个相邻栅格的距离：正交相邻方向，对角线相邻方向，r为dem栅格空间分辨率；

21、选取坡度最大值对应的相邻栅格方向作为中心栅格的流向，输出8方向编码的流向栅格d；

22、s2-3：基于流向栅格，计算每个栅格的上游汇流累积值，其中，对于任意栅格j，其流量累积值为所有流入该栅格的上游栅格累积值之和，叠加自身单位栅格面积：

23、

24、其中，为所有流向指向栅格j的上游栅格集合，初始状态下所有栅格累积值为1；

25、s2-4：设置汇流阈值t，提取流量累积值的栅格构成栅格河网，并将栅格河网矢量化，得到原始矢量河网，其中，汇流阈值t对应的实际集水面积为：

26、

27、其中，为汇流阈值t对应的实际集水面积，r为dem栅格空间分辨率。

28、进一步，所述s3包括：

29、s3-1：以主河道面为擦除要素，对原始矢量河网执行空间擦除操作，剔除位于主河道面内部的异常河网线段；

30、s3-2：保留主河道面外侧的全部河网线段，定义为面外支沟线，并为每条面外支沟线赋值线段类型属性type=tributary。

31、进一步，所述s4包括：

32、s4-1：将主河道面转换为主河道面边界线，提取主河道面的完整轮廓边界；

33、s4-2：将面外支沟线与主河道面边界线执行空间求交运算，得到所有面外支沟线与主河道面边界线的几何交点，定义为入河边界交点；

34、s4-3：按照预设的一交点一控制点的映射规则，将每个入河边界交点对应生成一个独立入河控制点，不执行基于距离阈值的点聚类、融合和去重操作；

35、s4-4：为每个入河控制点赋值全局唯一编号point_id、来源支沟标识trib_id、主河道面标识river_poly_id、平面坐标（x,y）及保留标识keep_flag=1。

36、进一步，所述s5包括：

37、s5-1：对主河道唯一线建立空间索引，并校验其几何连续性与预设上下游方向；

38、s5-2：针对每个保留的入河控制点，遍历主河道唯一线的所有线段单元，计算点到各线段的最短距离与对应投影点；其中：

39、对于任意线段单元，两端点为、，计算投影参数：

40、

41、若，则最近点为线段端点；若，则最近点为线段端点；若，则最近投影点坐标为：

42、

43、

44、选取所有线段单元中距离最小的投影点作为最终主河道最近投影点，记录其坐标、所在线段标识及沿主河道的上游起算里程；

45、s5-3：以入河控制点为起点、以对应主河道最近投影点为终点，生成支沟挂接线段，并为每条支沟挂接线段赋值线段类型属性type=connector，关联控制点与主河道线段标识；

46、s5-4：对无法获取有效投影点、主河道线几何无效或投影点落于端点外的异常控制点，将其异常类型、控制点编号、来源支沟编号写入拓扑检查表。

47、进一步，所述s6包括：

48、s6-1：复制主河道唯一线作为主河道骨架线，赋值线段类型属性type=main_channel，替代原始河网中主河道面内的混乱线段；

49、s6-2：将面外支沟线、支沟线挂接线段、主河道骨架线三个矢量图层合并，生成初步修正河网数据；

50、s6-3：在所有支沟挂接线终点对应的最近投影点位置，对主河道骨架线执行线段打断，使支沟挂接线终点与主河道线段端点重合，形成真实拓扑节点；

51、s6-4：在预设几何容差范围内，对支沟挂接线起点与对应面外支沟线端点执行节点吸附，消除微小间隙。

52、进一步，所述s7包括：

53、s7-1：提取初步修正河网中所有线段的起点、终点坐标，生成初始端点集合；

54、s7-2：设置节点合并容差，对初始端点集合执行空间去重，生成全局唯一河网节点集合，其中，对于任意两个端点、，若两点欧式距离满足：

55、

56、则将两点合并为同一节点，分配全局唯一节点编号node_id；

57、s7-3：为每条河段赋值起点节点start_node与终点节点end_node，建立河段与节点的关联关系；

58、s7-4：对河段上下游流向进行判定，其中：

59、面外支沟线依据流量累积值判定，流量累积值较小的一端为上游节点from_node，较大的一端为下游节点to_node；无流量累积数据时，依据dem高程判定，高程较高端为上游节点，较低端为下游节点；

60、支沟挂接线段中固定入河控制点端为上游节点from_node，主河道骨架线端为下游节点to_node；

61、主河道骨架线中沿用人工预设的上游至下游方向，对应赋值from_node与to_node；

62、s7-5：遍历所有河段，若河段a的to_node与河段b的from_node为同一节点，则河段b为河段a的下游邻接河段，赋值next_edge属性；无下游河段标记为出口或断头，存在多条下游河段则标记为多下游异常并写入拓扑检查结果。

63、本发明的原理在于：本技术技术方案针对宽阔平坦主河道区域dem自动河网易出现结构混乱、支沟入河偏移、拓扑属性失效的技术问题，将主河道面、主河道唯一线作为先验地理约束与dem水文分析结果相结合，通过“面内异常河网擦除—入河边界交点提取—支沟挂接线生成—河网合并—拓扑重构—上下游方向判定”的完整技术流程，实现河网几何修正与拓扑关系的一致性重构；各核心技术环节的原理如下：

64、1、主河道面约束下的异常河网剔除与骨架替换原理：

65、dem河网提取依赖地形坡度驱动的流向计算，在宽阔平坦的主河道区域，河床微地形误差、河漫滩平台、地物遮挡及 dem平滑效应会导致d8流向分配失稳，生成大量不符合真实水系的混乱线段；本方法将主河道面作为空间约束掩码，通过矢量空间擦除操作完整删除主河道面范围内的全部原始河网线段，从空间范围上彻底隔离流向不稳定的失效区域，保留dem提取结果可靠的坡面支沟线；同时复制主河道唯一线作为主河道骨架线，替代原始混乱河网作为主干水系结构，从根源上消除河床内部多线并行、斜穿拉直、横向乱连的异常，保证主河道水系的单一连续性与流向确定性。

66、2、地貌边界锚定的入河控制点构建原理：

67、常规方法以支沟端点或河道最近点作为挂接起点，易因河网裁剪、线段延伸偏差导致入河位置漂移；本方法通过将主河道面转换为闭合边界线，再与面外支沟线执行空间求交运算，以交点作为支沟入河控制点。主河道面边界对应真实河床岸线的地貌边界，以此锚定支沟的入河起点，使支沟终止位置与沟道实际汇入主河道的空间边界严格对应，具备明确的地貌学含义，可有效减少挂接位置随河网裁剪和线段方向变化产生的不稳定性，保障支沟入河关系的空间准确性。

68、3、全交点独立保留与逐一挂接的重构原理：

69、现有近邻入河点融合方法依赖距离阈值参数，易在支沟密集、多分支入河场景下合并不同入河口，丢失真实水系结构；本方法采用“一交点一控制点一挂接线”的一一映射规则：对空间求交得到的所有入河边界交点，不执行基于距离阈值的聚类、融合或去重处理，即使相邻交点空间距离极近，也均保留为独立入河控制点；针对每个保留的控制点，分别在主河道唯一线上搜索最近投影点并生成独立的支沟挂接线，同时在投影点位置打断主河道骨架线，使挂接线终点与主河道线段端点形成真实拓扑节点。该原理完整保留支沟密集分布、同一支沟多分支分汊入河的真实空间关系，避免经验阈值设置引发的入河结构失真，实现支沟与主河道的精准几何连通。

70、4、几何驱动的全量拓扑重建与多规则流向判定原理：

71、原始河网的拓扑字段基于初始提取结果生成，主河道替换、线段删除与新增后直接沿用会引发断链、方向错误等问题；本方法摒弃对原始拓扑字段的依赖，以修正合并后的河网几何数据为唯一依据，提取全部线段的端点并在预设容差范围内执行节点去重，构建全局唯一的河网节点集合；再针对不同类型线段采用差异化流向判定规则：支沟线优先以流量累积值判定上下游，缺少流量累积数据时辅以dem高程判定；支沟挂接线固定以入河控制点端为上游、主河道端为下游；主河道骨架线沿用人工预设的上下游方向；最终基于节点匹配关系重建河段的上下游节点属性与下游邻接河段属性。该原理使拓扑属性完全匹配修正后的河网几何结构，从根源上保证几何连通性与拓扑逻辑一致性的统一，避免原始拓扑失效引发的各类异常。

72、本发明的有益效果在于：

73、1、提升主河道河网的结构稳定性与表达准确性：通过主河道面约束剔除河床内部的失真河网线段，以经校核的主河道唯一线作为标准化主干骨架，最终输出的主河道河网具备单一连续、走向符合真实水系的特征，彻底解决了宽阔平坦河道内dem提取河网多线并行、斜穿乱连的问题，主河道水系骨架的表达精度与结构稳定性显著提升。

74、2、保障支沟入河空间关系的地貌真实性：以主河道面边界与支沟线的交点作为入河控制点，将支沟入河位置严格锚定在河床岸线的地貌边界处，避免了原始dem河网中支沟深入河床内部、偏移汇入的失真问题，使支沟与主河道的空间连通关系更贴合真实沟道汇水地貌，为汇流路径分析、沟道侵蚀计算提供准确的空间基础。

75、3、实现河网几何与拓扑的全域一致性：基于修正后的河网几何结构全量重建节点体系与上下游拓扑属性，完全适配主河道替换、面内线删除与挂接线新增后的新河网结构，消除了沿用原始拓扑字段导致的断链、方向倒置、多下游异常等问题；修正后的河网同时具备几何连通性与拓扑逻辑一致性，可直接支撑河网分级、汇流追踪、水文建模等后续分析，无需额外人工拓扑校核。

76、4、增强复杂支沟分布场景的适应性：全交点独立保留机制不依赖距离阈值等经验参数，在支沟密集分布、近邻多沟并排汇入、同一支沟多分支分汊入河等复杂场景下，仍能完整保留真实的入河口数量与空间位置，避免了传统融合方法造成的支沟入河关系合并失真，适用场景覆盖山区小流域、冲沟发育区等多种地貌类型。

77、5、提高工程化处理效率与标准化程度：本方法输入数据标准、处理流程明确，可封装为gis工具或批量处理脚本，替代传统逐河段人工编辑、手动修正拓扑的作业模式，大幅降低大范围、多流域河网修正的工作量；同时修正规则统一，消除了人工编辑的个体差异，便于形成规范化的河网建库作业流程。

78、6、提升下游业务应用的数据可靠性：修正后的高质量河网数据，可为坡面沟道识别、泥石流沟道建库、地质灾害风险评价、地形水动力模拟等业务应用提供更可靠的水系基础数据，有效降低因河网失真导致的汇流计算偏差、灾害隐患识别遗漏等问题，提升下游应用结果的可信度与实用价值。