[发明专利]一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法

说明书

本发明提供了一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，属于数字地形分析技术领域。其技术方案为：一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，采用水流方向组成的水流路径接近水流在地表的真实移动路径；对数值模拟水和污染物输移过程的水文物理模型使用了DEM获取更高精度水流路径的方法。本发明的有益效果为：本发明通过使用水流到达下游单元的真实高程和下游单元中心高程的高度偏差作为传递参数校正水流方向的方法；相较于D8方法，本发明提供了水流方向组成的水流路径更接近水流在地表的真实移动路径。

技术领域

本发明涉及数字地形分析技术领域，具体涉及一种通过使用水流到达下游单元的真实高程和下游单元中心高程的高度偏差作为传递参数校正水流方向的方法。

背景技术

水流方向是一个重要的水文地貌参数，广泛应用于许多对水流和污染物进行输移过程模拟的数值模型。目前的水流方向计算主要基于数字高程模型(Digital ElevationModel,DEM)进行。DEM是对地形的一种概化描述，将地形简化为大量正方向栅格单元，每个单元赋予一个高程值视为该单元平均高度。在目前的水流方向计算的研究中，主要将每个单元的高程作为该单元中心点的高度。

目前最经典的水流方向计算方法是O’Callaghan和Mark(1984)提出的D8方法，该方法将DEM栅格单元的水流方向指向相邻单元中与中心单元坡度最大者，但是由于这种方法只考虑了局部坡度，而且水流的真实方向可能并非8个允许方向之一，因此从整体上看D8方法提供的水流方向连接成的完整水流路径存在较大偏差。尽管Quinn等(1991)提出了允许一个单元具备多个水流方向的方法，但该方法计算更为复杂且不适用于流域划分、流动距离计算等领域。目前广泛接受的是允许水流方向从0°到360°之间任意方向的无穷流向方法(Tarboton，1997)，但是由于每个单元的流向都起始于单元中心，如果水流方向不是8方向之一，当水流沿着该方向流动后就没有了进一步的移动方向，因此该方法在实现上仍是一种多流向算法，同样存在前面所说的问题。

因此，为了更好地服务于流域划分、流动距离计算，需要有一种改进的八方向方法。考虑到水流实际应该是沿0°到360°之间任意方向流动，其实际到达位置的高度也并非DEM栅格单元中心的高程，因此使用这部分高度偏差对下游的水流方向进行修正是一个很好的想法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，解决现有的应用于DEM地形的单流向方法中只考虑局部坡度，忽略的地形整体变化，水流路径偏差较大的问题，而提供一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法。

本发明是通过如下措施实现的：一种基于高程偏差传递的DEM水流方向计算方法，主要包括以下步骤：

步骤S1：加载DEM数据，DEM为二维数组格式，构建3个与DEM数据尺寸相同的数组A、B、C，数组A用于保存最低相邻单元方向、数组B用于保存第二可能流动方向、数组C用于保存最终确定的流向，并且3个数组中所有位置的初始值都设为0，再构建一个能保存栅格单元三维坐标信息，并根据栅格高程从低到高依次排列的优先队列Q，以及另一个从高到低排列栅格单元三维坐标信息的优先队列T，两个优先队列中同一高程的不同单元按插入先后顺序先后排列，新插入的单元排在同一高程单元的最后；

步骤S2：扫描DEM，将DEM中的有效地形单元加入优先队列T排序，同时将位于有效地形边缘的单元加入优先队列Q进行排序，并同时在数组A、B、C中赋予相同的流向，该流向指向DEM有效地形外侧；

步骤S3：不断取出优先队列Q头部的单元，检索该头部单元的8个相邻单元中的未在数组A中赋予流向的有效单元，为其在数组A中赋予指向此头部单元的方向并加入队列Q，若该未赋流向值的单元高程值不高于P，还需为其在数组B与C中赋予指向此头部单元的方向；如果该单元在数组B中对应方向值为初始值0，则比较该单元邻近其最低相邻单元的另外两个相邻单元的高程，将其中较低者所在方向作为第二可能流向并存入数组B，重复此步骤至队列Q为空队列；