一种基于数字高程模型DEM的水系提取方法

一种基于数字高程模型dem的水系提取方法
技术领域
1.本发明涉及数字高程模型的水系提取方法领域属于地学领域，具体涉及一种基于数字高程模型dem的水系提取方法。


背景技术：

2.地理信息系统(gis)被广泛地应用在不同的领域，其空间分析功能在水文分析方面有着成熟的理论、模型，极大地方便了河流水系的提取。水系分析是地貌研究中的重要内容之一，水系的分布特征与气候和地形密切相关，因此，通过对水系的研究能够很好地分析研究区内的地形地貌。随着网络的普及，网上也可以下载到各种dem数据，虽然精度相对较低，但是数据获得方便，而且能够满足许多应用需求，国内可以在地理空间数据云网络平台(www.gscloud.cn/search)进行相关的dem数字高程模型的截取与下载，里面有srtmdemutm90m分辨率数字高程数据、gdemv30m分辨率数字高程数据等等，方便快捷，成为很多科学研究者获取数据的主要来源之一。
3.地表水文分析模型用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当改变某一地区的地貌时对整个地区将造成的后果等都发挥着重要的作用，而快速有效获取水系分布特征，对于实现水资源的有效配置、流域综合规划等许多领域也具有重要的意义。但是现有的水系提取方法不能直观地展示出河流的流径及流量大小。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于数字高程模型dem的水系提取方法，对研究区进行河网分布的详细明示和流域特征的提取,通过与实地测量的流域图对比，提高提取的效率和结果的精度，同时通过arcscene进行地形地貌的三维立体操作，使河网和地形高程的关系更清晰直观。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种基于数字高程模型dem的水系提取方法，包括以下步骤：
7.步骤(1)：对要操作的数据进行预处理，登录地理空间数据云网络平台对所选区域数据进行切割与下载，对所得所述区域数据进行镶嵌处理，同时加入行政区边界作为参考；
8.步骤(2)：利用arcgis自带系统工具栏对对原始dem数据进行填洼处理，填充过的洼地进行流向提取，以流向作为输入，输出流量数据，进行所述流向累积栅格的计算；
9.步骤(3)：基于所述流向和所述流量的数据设置汇流阈值，生成河网，将离散点数据连接成像元点，再连成线，形成河流链，根据所述流量的数据对河流的大小进行分级划分，用矢量来表示所述河流的分级数据；
10.步骤(4)：基于所述流向和所述流量进行流域提取，绘制倾泻点，捕捉倾泻点，根据分水岭划分流域范围；
11.步骤(5)：将所述河网的数据和所述dem数据以立体形式展示。
12.进一步地，对研究区进行水系分布特征的研究和流域范围的提取，将提取的所述分布特征和所述流域范围与实地测量的流域图进行对比。
13.进一步地，所述的步骤(3)中基于流向和流量数据设置汇流阈值，采用公式对多余细小的河流进行去除。
14.进一步地，所述的步骤(4)中新建点要素对倾泻点进行简单标注；对绘制的倾泻点进行系统捕捉消除误差；提取集水区流域。
15.进一步地，所述的步骤(5)中将利用arcscene软件将河网数据和dem数据以三维立体形式展示。
16.本发明所述的基于arcgis的水系提取方法包括：
17.一、数据预处理：登录地理空间数据云网络平台对所选区域数据进行切割与下载，对所得数据进行拼接处理，同时加入行政区边界作为参考。
18.二、水文分析
19.(1)洼地填充：通过工具对原始dem数据进行填洼处理，使水流可通畅流向区域地形的各个边缘。
20.(2)流向确定：通过工具对填充过的洼地进行流向提取，确定水流的方向。
21.(3)计算汇流累计值：利用工具以流向作为输入，输出流量数据，进行流向累积栅格的计算。
22.三、构建河网
23.(1)河网生成：基于流向和流量数据设置汇流阈值，采用公式对多余细小的河流进行去除，让后续操作的河流显得不杂乱。
24.(2)河流链接:将上一步骤所得到的离散点数据连接成像元点，再连成线，形成河流链。
25.(3)河网分级:对河流的大小进行分级划分。
26.(4)河网矢量化:让河网分级数据以矢量的方式表达，更清晰表达河流的线条，同时进行系统符号化。
27.四、流域提取
28.(1)倾泻点：根据河网中河流的流向和流量，新建点要素对倾泻点进行简单标注。
29.(2)捕捉倾泻点：上一步骤所得到的倾泻点存在一定误差，要进行系统捕捉消除误差。
30.(3)分水岭：gis中的分水岭即是大的流域中嵌套多个小流域。
31.五、三维立体地形建模
32.将河网数据和dem数据以立体形式展示。
33.本发明的有益效果：
34.本发明在数字高程模型dem的基础上，利用arcgis软件的水文分析功能进行河网和流域的自动分级划分，通过模拟地表水形成径流的过程来实现河流、出水口及流域的提取，方便快捷，且针对小流域的提取更加准确、清晰明了。在arcscene软件中将河网数据附于dem高程上，高低起伏明晰，更能理解河流的流经途径及流量大小。基于数字高程模型dem的水系提取方法节省精力和时间，定量准确，符合真实地形地貌造成的水系分布特征。
附图说明
35.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
36.图1是本发明的模型构建图；
37.图2是水流方向值示意图；
38.图3是实例中洼地填充结果；
39.图4是实例中流域结果图；
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
41.如图1～4所示，一种基于数字高程模型dem的水系提取方法，包括以下步骤：
42.步骤(1)：对要操作的数据进行预处理，登录地理空间数据云网络平台对所选区域数据进行切割与下载，对所得所述区域数据进行镶嵌处理，同时加入行政区边界作为参考；
43.步骤(2)：利用arcgis自带系统工具栏对对原始dem数据进行填洼处理，填充过的洼地进行流向提取，以流向作为输入，输出流量数据，进行所述流向累积栅格的计算；
44.步骤(3)：基于所述流向和所述流量的数据设置汇流阈值，生成河网，将离散点数据连接成像元点，再连成线，形成河流链，根据所述流量的数据对河流的大小进行分级划分，用矢量来表示所述河流的分级数据；
45.步骤(4)：基于所述流向和所述流量进行流域提取，绘制倾泻点，捕捉倾泻点，根据分水岭划分流域范围；
46.步骤(5)：将所述河网的数据和所述dem数据以立体形式展示。
47.进一步地，所述步骤(1)具体包括以下详细步骤：
48.步骤(1-1)：通过地理空间数据云下载切割所需30m空间分辨率的dem数据，将其解压得到tif数据，加入arcgis内容列表中。具体操作：打开工具箱，执行命令：数据管理工具——栅格——栅格数据集——镶嵌至新栅格，在对话框中设置输入栅格、保存路径、空间参考、像素类型和波段数。
49.步骤(1-2)：添加中国地州界.shp(面)执行命令：中国地州界.shp右击属性——定义查询——查询构建器——输入公式——确定。
50.进一步地，所述步骤(2)具体包括以下详细步骤
51.步骤(2-1)：填洼处理，通常dem是较光滑的地形表面模型，但由于一些真实地形地貌存在差异，例如存在水塘等等，就存在一些凹陷进去的地域，这些地域的存在会使河流进行流向计算时出错，故在进行河网提取之前要对原始的dem数据进行填洼处理，从而使地形变平整，得到无洼地的dem栅格数据。arcgis默认是将洼地内的栅格单元自动垫高提升至周边接近的栅格单元的高程来进行填洼处理。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——填洼，在对话框里设置输入表面栅格数据、输出表面栅格数据。
52.步骤(2-2)：对于格网来说，流向是指水流离开此格网时的指向，在arcgis中一般
采用的是单流向法d8法，即假定每个单元格的水流只能流向8个方向，都流入与之相邻的8个单元格，其栅格方向编码如图2所示。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——流向，在对话框里设置输入表面栅格数据和输出流向栅格数据的保存路径。
53.步骤(2-3)：计算汇流累计值，流量就是计算出任意一个栅格单元所对应的上游来水路径所流经的栅格总数，即有多少个格子的水流汇流到某一点上。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——流量，在对话框里设置输入流向栅格数据和输蓄积栅格数据的保存路径。
54.进一步的，所述步骤(3)具体包括以下详细步骤：
55.步骤(3-1)：河网生成，水流在一定流量值时就形成了地表径流，在径流达到一定值时就成为了常规所说的河流，因此，可根据不同研究区的气候、地形等因素的不同，确定一个阈值，当流量超过这个阈值，就可以认定该栅格点可以进行水系划分的计算范围，通过公式计算并分级构建河网。阈值越大意味着超过阈值的栅格就越少，河流的数量就越少。通过条件函数对value值进行设定，去除其中过少流量的值，使得后续操作更简单易行，不显得杂乱。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——条件分析——条件函数，在对话框中输入公式对阈值进行设定，得到河网计算结果。
56.步骤(3-2)：河流链接，将所得到的离散点数据连接成像元点，根据流向判断出各个级别的河流，最终连成线，从而形成河流链。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——河流链接，在对话框中输入河流栅格数据和流向，对输出栅格路径进行设置，得到河网链接结果。
57.步骤(3-3)：河网分级，arcgis中对河网分级有两种方法——斯特拉勒(strahler)和施里夫(shreve)，两种方法类似又有不同，相似点在于都是将没有支流汇入的水系定义为1级，两个相同级别的水系汇入时级别增加，但不同点在于斯特拉勒分级法是级别增加1级，如果等级不同，就算作最大的等级河流级数，而施里夫分级法级数增加是将其级别数直接相加。故相比较而言，斯特拉勒分级法的级数较低，本发明就采取这一分级法。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——河网分级，在对话框中输入河流栅格数据和流向数据，设置输出栅格保存路径和分级方法。
58.步骤(3-4)：河网矢量化，将河网分级栅格数据转化为矢量的线状数据，更好地对河流进行标注，进行整饰输出。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatial analyst工具——水文分析——栅格河网矢量化，在对话框中输入河流栅格数据和流向数据，设置输出要素的保存路径，得到矢量化后的河网结果。
59.进一步的，所述步骤(4)具体包括以下详细步骤：
60.步骤(4-1)：绘制倾泻点，倾泻点数据就是指河流的出水口，即该点是整个上游流域里的流量最大值的地方，也是支流向径流汇集的地方，这个可以通过上述步骤所得到的河网进行操作。具体操作：新建点要素数据集，坐标网设置wgs1984，选择编辑器开始编辑，在汇流值最大的地方绘制倾泻点，保存编辑内容，结束编辑。
61.步骤(4-2)：捕捉倾泻点，上个步骤所绘制倾泻点存在误差，需要进行重新校正，即在所绘制的倾泻点中找到距离最近的流量最大值来作为倾泻点使用。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——捕捉倾泻点，在对话框中输入倾泻点
数据和流量数据，设置输出要素的保存路径和捕捉距离，得到捕捉到的倾泻点结果。
62.步骤(4-3)：分水岭，根据河流、流向和出水口共同确定河流的空间范围，提取集水区流域，采用倾泻点数据进行输入，得到倾泻点所对应的集水区域。具体操作：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——分水岭，在对话框中输入流向和倾泻点数据，设置输出栅格的保存路径，得到所提取的流域范围。
63.进一步的，所述步骤(5)具体包括以下详细步骤：
64.步骤(5-1)：打开arcscene，将dem数据用投影与变换工具转换成投影坐标系再在三维图层中展示。具体操作：打开工具箱，执行命令：datamanagement tools——投影和变换——定义投影，在对话框中设置输入栅格和坐标系。
65.步骤(5-2)：导入投影过后的坐标系，在属性中选择基本高度，设置自定义表面浮动，令平面图3d立体起来，设置符号系统的色彩。
66.步骤(5-3)：导入河网数据，对河流的线宽、颜色等进行整饰，在属性中选择基本高度，设置自定义表面浮动，使河网在立体的高程起伏中浮现。
67.具体操作时如下：
68.根据所述步骤(1)进行操作：
69.通过地理空间数据云下载切割所需目标城市30m空间分辨率的dem数据，将其解压得到tif数据，加入arcgis内容列表中。
70.打开工具箱，执行命令：数据管理工具——栅格——栅格数据集——镶嵌至新栅格——输入栅格：目标城市所有dem数据，输出位置——文件夹“mubiaochengshi”，具有扩展名的栅格数据集名称——mubiaochengshi_dem，栅格数据的空间参考：wgs1984，像素类型——16_bit_unsigned，波段数——1，其余默认——确定，得到镶嵌成功的mubiaochengshi_dem。再添加中国地州界.shp(面)执行命令：中国省级行政区.shp右击属性——定义查询——查询构建器——输入公式“"name"like'目标城市'”——确定，得到目标城市的行政边界。
71.根据步骤(2)进行操作：
72.洼地填充：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——填洼——输入表面栅格数据：mubiaochengshi_clip，输出表面栅格：fill——确定，得到填洼后的高程数据fill。流向确定：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——流向——输入表面栅格数据：fill，输出流向栅格数据：direction，其余默认——确定，得到流向数据direction。计算流量：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——流量——输入流向栅格数据：direction，输出蓄积栅格数据：accumulation，输出数据类型选择：float——确定，得到累积流量数据accumulation。
73.根据步骤(3)进行操作：
74.河网生成：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——条件分析——条件函数——输入条件栅格数据：accumulation，表达式嵌入
“”
value》＝20000
””
，输入条件为true时所取的栅格数据：accumulation，输出栅格：con_20000——确定，得到河网计算结果con_20000。河流链接：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——河流链接——输入河流栅格数据：con_20000，输入流向栅格数据：direction，输出栅格：link——确定，得到河网链接结果link。河网分级：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst
工具——水文分析——河网分级——输入河流栅格数据：link，输入流向数据：direction，输出栅格：class，河网分级方法选择strahler——确定，得到分级后的结果class。河网矢量化打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——栅格河网矢量化——输入河流栅格数据：class，输入流向数据：direction，输出折线要素：stream，简化折线勾选——确定，得到矢量化后的河网结果stream，在符合系统中对其河流等级进行线宽、颜色等设计，使河流等级区分更明显。
75.根据步骤(4)进行操作：
76.绘制倾泻点：新建点要素数据集pour_point，坐标网设置wgs1984，选择编辑器开始编辑，在汇流值最大的地方绘制倾泻点，保存编辑内容，结束编辑，得到倾泻点pour_point。捕捉倾泻点：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——捕捉倾泻点——输入要素倾泻点数据：pour_point，倾泻点字段：objectid，输入蓄积栅格数据：accumulation，输出栅格：pour，捕捉距离：0.1——确定，得到捕捉到的倾泻点结果pour。分水岭：打开工具箱，执行命令：spatialanalyst工具——水文分析——分水岭，输入流向栅格数据：direction，输入要素倾泻点数据：pour，倾泻点字段：value，输出栅格：watershed——确定，得到所提取的流域范围watershed，再对其进行符号化处理。
77.根据步骤(5)进行操作：
78.打开arcscene，将mubiaochengshi_dem数据用投影与变换工具转换成投影坐标系再在三维图层中展示，具体操作：打开工具箱，执行命令：datamanagement tools——投影和变换——定义投影——输入数据集：mubiaochengshi_dem，坐标系：wgs_1984_utm_zone_49n——确定，得到投影后的dem_touying。重新打开arcscene，导入投影过后dem_touying，在属性中选择基本高度，设置在自定义表面浮动，自定义值设为15，,设置符号系统的色彩。导入河网数据stream，对河流的线宽、颜色等进行整饰，在属性中选择基本高度，设置在自定义表面浮动，自定义值设为15，使河网在立体的高程起伏中浮现。
79.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
80.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。