[发明专利]面向大区域流域提取的并行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字高程模型（DEM）的流域提取并行技术，具体说是一种基于面向大区域海量DEM数据的数据划分、融合策略及串行算法并行解析机制的流域提取并行方法。

背景技术

数字高程模型产品（Digital Elevation Models，缩写为DEM）是地理信息系统（Geographical Information System,缩写为GIS）地理数据库中最为重要的空间信息资料和赖以进行地形分析的核心数据系统，其应用遍布测绘、交通、军事、水利、农业、环境、资源管理、规划与旅游等众多领域，如在测绘部门主要用于三维地形建模、可视域分析、工程土方估算、遥感影像的几何矫正等；在地学界主要用于水文分析、蓄洪计算、淹没分析等三维地学分析；在国土资源部门主要用于土地利用类型详察等。

DEM并不是地形的简单表达，真正价值在于DEM所蕴含的各种地学信息。如何进行“数据挖掘”，获取各种反映实际地形地貌的结构信息，是GIS领域一个重要的研究方向。在此需求环境下，数字地学分析技术应运而生。数字地形分析（Digital Terrain Analysis,DTA）是在DEM上进行地形属性计算和特征提取的数字信息处理技术。在复杂的现实世界地理过程中各影响因子和简单、高效、精确和易于理解的抽象和计算机实现中找到平衡，是数字地形分析的核心任务。用来描述地形特征和空间分布的地形参数有很多，根据地形属性的地学应用范畴，地形属性可分为一般地形属性（如高程、坡度坡向等）和水文特征（如地形结构识别、流域提取等）。其中，流域提取是DTA的重要研究内容。流域是指地表水及地下水分水线所包围的集水区域的总称。区域水土保持的重要工作之一是小流域治理，其产流汇流过程的模拟均离不开小流域这一精确划分治理模型及其评价的基本单元。因此，流域的自动提取在实际应用中具有重要意义。

目前，空间数据获取技术的发展，使大范围高分辨率数字地形数据的快速获取成为现实，为基于海量DEM数据的数字地形分析提供了丰富的数据源。众多应用领域对DEM数据分辨率及数字地形分析效率的要求也越来越高，相应的研究规模也不断增大。如在黄土高原地区，覆盖全区的采用5m分辨率DEM数据量约100GB，很难在单机条件下完成流域提取的计算任务。在数据量从少量到海量、分辨率从低到高、分析结果从低精度到高精度的背景下，单机计算能力不足的问题日益突出。这就造成了计算资源低利用率和海量数据高分析效率要求之间的矛盾，也使得DEM数据得不到充分利用。

在解决基于规模DEM数据集的流域提取方面，Lars Arge（Arge L.,et al.Efficient Flow Computation on Massive Grid Terrain Datasets[J].Geoinformatica,2003,7(4):283-313.）等对I/O效率算法进行了研究，其处理的数据规模可以达到2GB。现有的大多数GIS软件中集成的流域特征提取功能都对经典算法进行改进，如ArcGIS和Rivertools等软件的流域特征提取功能都在某种程度采用了I/O高性能算法，以减少计算时间。对流域算法的研究和改进，在一定程度上提高了算法效率和数据处理规模，然而这些分析算法都是串行的，可扩展性差，在处理更大规模的地形数据时仍然存在较大困难。