[发明专利]基于数字高程模型的湖库水下三维地形模拟方法及装置

说明书

本发明提供一种基于数字高程模型的湖库水下三维地形模拟方法及装置，该方法包括：根据湖泊水体及周围陆地的数字高程模型，生成关于水体和非水体像元的湖库水陆二值矩阵；根据所述湖库水陆二值矩阵获取湖库水体边界，根据湖库水体边界像元反向坡向的预设范围内像元的坡度，进行多项式拟合，确定湖库水体边界像元的坡度，得到周围坡度矩阵；根据周围坡度矩阵和当前水面高程，通过假设水面高度不断下降，迭代计算裸露出水面的像元的模拟高程直至水体像元均被计算，得到模拟湖库水下地形矩阵；利用水上部分对模拟的湖库水下地形矩阵进行校正得到最终的湖库水下地形矩阵。该方法具有监测成本低，更新方便，批量输出大区域的湖库水下模拟结果的优点。

技术领域

本发明涉及计算机图形技术领域，尤其涉及一种基于数字高程模型的湖库水下三维地形模拟方法及装置。

背景技术

全球水循环是全球气候重要的影响因素，而地表水是全球水循环中非常重要的组成成分之一，湖泊(包括天然湖泊和人工库塘)是地表水资源的最主要表现形式。除冰川和永久雪覆盖外，湖库(天然湖泊和人工水)水是第二大地表水资源类型，它是影响全球海平面变化的主要因素之一。

湖库储水量是指湖库主体的体积，其主要由湖库水底地形决定，受周围地势、沉积情况的影响，随降水、蒸发、出入流、地下渗流等因素的改变。对于单个湖库的精确储水量测量来说，普遍采用测量水下地形，然后进行二维积分得出结果。然而湖库进行广泛测量的人力物力成本、数据保密性等问题，严重影响了人们对地表水储量变化的认识，从而也影响了人们对全球或区域水循环、全球海平面升降关系等科学问题的认识。在水资源管理应用方面，目前的现状也限制了人们对近年来全球范围内频发的旱涝灾害事件的应对时效。

近年来有不少研究探索了综合利用卫星遥感和湖库区数字高程构建湖库面积-容积、水位-容积的研究，但多采用统计关系法，其根据地形统计规律建立体积和面积的关系。其中的经验公式法无法反映水下地形在湖库不同区位上的差异特征，利用其进行水储量估算时，精度相对较粗。因此，需要采用水下地形的模拟方法来构建大区域的湖库水下三维地形模型。水下地形是湖库水储量估算的关键基础数据，是表征水下地貌变化的参量。而获取湖库水下地形的关键是精确测量或模拟湖库水体不同位置处的水深。然而，对于地表大多数水体而言，水下地形都是较难获取或较难收集的数据。

遥感光谱法是遥感技术的传统方法，是利用遥感平台接收到的电磁波波谱特征对地物进行推测的过程。具体原理是利用某一水面上反射回来的电磁波是该部分水柱深度的函数，不同湖泊水深对于电磁波不同波长反射率的不同而进行反演。研究表明，在短波辐射范围的蓝光和绿光波段对水的穿透能力最强。常用的光学遥感数据源是各类多光谱卫星影像。WorldView-2卫星上配备的海岸带蓝波段被证明可探测比其他卫星传感器数据更深的水体，水深测量精度也更高。光学遥感影像适宜于清澈浅水水体的深度测量，但需要有实测水体光学特征参数或水深样本作为模型的输入。然而由于水的相对介电常数较大，导致电磁波难以穿透水体，当水深超过临界水深20米后，其反射特性会丧失差异性，尤其当水体比较浑浊时会进一步降低临界水深，该方法在大中型湖泊难以应用。虽然在浑浊度高的水域，可以使用合成孔径雷达(SAR)、航空侧视雷达(SLAR)和激光雷达(LiDAR)等主动遥感数据源，如ERS-1、RISAT-1、COSMO-SkyMed、单频或全波形航空LiDAR等。然而，因雷达数据处理需要大量先验数据、算法复杂度高、数据获取成本高(航空雷达和激光雷达)等，基于主动微波和激光遥感的水深测量在大范围应用方面具有明显的局限性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于数字高程模型的湖库水下三维地形模拟方法及装置。