[发明专利]一种基于数学形态学的内流区湖泊水文连通性建模方法

说明书

一种基于数学形态学的内流区湖泊水文连通性建模方法，包括：获取研究区的数字高程模型；对数字高程模型进行虚假洼地填充，获得无虚假洼地数字高程模型；对无虚假洼地数字高程模型进行平地检测，获得数字高程模型平地像素集，计算各湖泊的湖心点像元；基于各湖泊的湖心点像元进行数字高程模型分水岭变换，并对数字高程模型分水岭进行分割，计算获得湖泊影响区域骨架线以获得潜在溢出口位置；根据潜在溢出口位置构建漫溢邻接矩阵；建立湖泊漫溢级联结构，多个湖泊漫溢级联结构形成漫溢级联森林结构。本发明较好地解决了常规Priority‑flood算法在内流区往往容易出现错误处理水流方向的难题，有利于内流区湖泊的水文连通性建模与分析。

技术领域

本发明涉及遥感及水文领域，具体是一种基于数学形态学的内流区湖泊水文连通性建模方法。

背景技术

湖泊一般由相对封闭可蓄水的洼地形成，洼地是地球上普遍存在的地貌单元，大量地理景观由不同尺度的洼地构成。洼地因地理位置、表面积、深度、蓄水量、几何形状和其他特性的差异而呈现不同的水文和生态效应。量化和理解洼地及其结构可以促进对湿地保护、田间持水量和洪水淹没制图的理解。同时，地表洼地的识别、描绘和量化可以为许多环境应用提供关键信息，例如湿地保护和管理、地表水制图、水文连通性分析和流域建模等。

栅格DEM中的洼地是指没有较低邻域的局部高程极小值的格网。DEM中的洼地分为虚假洼地和真实的自然洼地。早期的栅格DEM因噪声、误差及空间分辨率不足存在了大量虚假洼地，在水文建模和数字地形分析中，这些虚假洼地被当作缺陷而需要进行填充从而创建无洼地的DEM。消除洼地的方法有填充、刻录(Carve)以及组合的方法，这也是DEM预处理的主要功能之一。这类方法会破坏自然洼地的复杂地形结构，改变了真实地形，不利于水文连通性分析和水文建模应用。

洼地处理在水文建模过程中处于非常重要的环节。到目前为止，对洼地处理的已经存在很多的研究，如利用某些阈值(例如，大小，深度，体积)将实际的洼地与虚假的洼地分开。然而，人们很少关注地表洼地的几何和拓扑性质，也很少关注地表洼地对局部和区域水文生态的影响。少有研究试图显式地描绘和量化实际洼地的漫溢级联结构，这可以为表征地表水文连通性和模拟充水-溢流水文过程提供关键信息。因此，研究洼地漫溢级联结构，对了解整个区域水文特征具有非常重要的意义，对认识区域湖泊漫溢过程具有很好的指导作用，对评估区域内湖泊的漫溢风险，减少因湖泊漫溢给人类生命财产造成的危害具有非常重要的意义。

发明内容

针对目前人们很少关注地表洼地的几何和拓扑性质以及地表洼地对局部和区域水文生态的影响，导致显式地描绘和量化实际洼地的漫溢级联结构研究不足的问题，本发明提出一种基于数学形态学的内流区湖泊水文连通性建模方法。在该方法中，创新采用测地数学形态学方法改进Priority-flood算法，从DEM数据中识别提取内流区湖泊及其分水线，采用洼地级联关系模型构建湖泊漫溢级联拓扑关系，以森林结构图的方式揭示内流区湖泊群之间的水文连通性，较好地解决了常规Priority-flood算法在内流区往往容易出现错误处理水流方向的难题，有利于内流区湖泊的水文连通性建模与分析。

为实现上述目的，本发明提出一种基于数学形态学的内流区湖泊水文连通性建模方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取研究区的数字高程模型；

步骤S2：利用数学形态学方法中的测地重建方法对步骤S1获取的数字高程模型进行虚假洼地填充，获得无虚假洼地数字高程模型；

步骤S3：利用数学形态学方法中的测地区域生长方法对所述无虚假洼地数字高程模型进行平地检测，获得数字高程模型平地像素集，即湖泊集，通过计算各湖泊的几何中心，得到各湖泊的湖心点像元；

步骤S4：基于步骤S3所得各湖泊的湖心点像元，利用数学形态学方法中淹没模拟方法进行数字高程模型分水岭变换，并利用标记控制方法对数字高程模型分水岭进行分割，计算获得湖泊影响区域骨架线，从而获得潜在溢出口位置；