專利名稱：一種基于tin數(shù)據(jù)的河網(wǎng)提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于TIN數(shù)據(jù)的河網(wǎng)提取方法，屬于地理信息與水文學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，水文研究也逐步邁向數(shù)字化，特別是3S技術(shù)(RS、GIS和GPS)的飛速發(fā)展為數(shù)字流域水系的研究提供了強(qiáng)有力技術(shù)支撐。遙感(RS)可以提供流域范圍內(nèi)不同時(shí)間、不同空間分辨率的格網(wǎng)數(shù)據(jù)，全球定位系統(tǒng)(GPS)能提供流域內(nèi)水文實(shí)體(如河流、湖泊、水庫(kù)等)精確空間位置信息，地理信息系統(tǒng)(GIS)能夠采集、編輯和管理流域空間數(shù)據(jù)，此外還能進(jìn)行空間分析、數(shù)據(jù)查詢、地形分析等。RS、GIS和GPS等技術(shù)的相融合，可以為流域研究和管理提供自然地理、水文水資源、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、大范圍觀測(cè)的空間數(shù)據(jù)。3S技術(shù)相結(jié)合所提供的大量空間 數(shù)據(jù)，使得水文研究，特別是數(shù)字流域的研究得到了進(jìn)一步深入。隨著水文研究的數(shù)字化，傳統(tǒng)的河網(wǎng)已經(jīng)不能滿足水文研究的需要，數(shù)字河網(wǎng)概念應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字流域河網(wǎng)的提取已成為數(shù)字流域、分布式水文模型等水文研究的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。目前關(guān)于數(shù)字河網(wǎng)的提取方法主要是針對(duì)格網(wǎng)DEM的，其主要有兩類方法第一類是基于谷點(diǎn)的河網(wǎng)構(gòu)建方法，先提取出格網(wǎng)中的谷點(diǎn)，再把這些谷點(diǎn)連接起來(lái)，從而得出河道和河網(wǎng)；該類方法簡(jiǎn)單，但是提取的河網(wǎng)存在不連續(xù)等問(wèn)題，需要重新連接、修整才能生成合理的河網(wǎng)，故該方法運(yùn)用較少。第二類是基于流向的構(gòu)建方法，先確定每個(gè)格網(wǎng)的水流方向，再根據(jù)這些水流方向確定河網(wǎng)?；诠赛c(diǎn)的河網(wǎng)提取。基于流向的河網(wǎng)提取方法的思路是，首先對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行填洼和平坦區(qū)域處理，再計(jì)算出每個(gè)DEM格網(wǎng)的水流流向，然后根據(jù)格網(wǎng)流向算出流向每個(gè)格網(wǎng)的匯水面積(上游匯水面的格網(wǎng)數(shù)目)，設(shè)定一個(gè)匯水面積閾值，將匯水面積大于或等于閾值的格網(wǎng)判定為流域河網(wǎng)的組成部分，最后按照水流方向連接這些格網(wǎng)形成最終的流域河網(wǎng)。由于格網(wǎng)DHM的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理方便，基于格網(wǎng)DEM的河網(wǎng)提取算法研究較多，但是由于格網(wǎng)DEM的固有特性，利用格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字河網(wǎng)仍然存在較大的缺陷，特別是進(jìn)行了洼地和平坦區(qū)域處理后，往往丟失了原來(lái)的地形信息，從而導(dǎo)致所構(gòu)建的數(shù)字河網(wǎng)失真。相對(duì)于格網(wǎng)DEM而言，TIN結(jié)構(gòu)的DEM數(shù)據(jù)具有良好的矢量性，能夠更加精確地模擬地形地貌，因此，在河網(wǎng)提取的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，TIN結(jié)構(gòu)的DEM數(shù)據(jù)更具優(yōu)勢(shì)，可以利用三角形的梯度唯一地確定水流方向，河網(wǎng)可以作為三角形的特征模式來(lái)研究。Frank等于1986年首先提出基于TIN的流域河網(wǎng)提取，認(rèn)為河網(wǎng)是由所有的在TIN上的谷線所組成的，除了谷線外，TIN還包含脊線(在TIN中認(rèn)為是分水線)，在TIN中表現(xiàn)為三角形的邊，其中谷線和脊線統(tǒng)稱為特征線。盧振千等于2001年提出了一種融合等高線和規(guī)則格網(wǎng)有點(diǎn)的DEM-TIN模型，該方法要求規(guī)則格網(wǎng)內(nèi)的河流必需位于由該格網(wǎng)生成的TIN的邊上，并基于該模型進(jìn)行了地形因子的提取(盧振千，呂妙兒，黃杏元.不規(guī)則三角網(wǎng)TIN在流域坡面匯流分析中的應(yīng)用[J]測(cè)繪科學(xué)，2001，26 (4) :45 48.)。Jones，N. L等于1990年研究了基于梯度的TIN的流向與邊的匯水性計(jì)算算法，但是未進(jìn)一步提取流域河網(wǎng)(Jones, N. L. , Wright, S. G. , and Maidment, D. R. Watershed delineation withtriangle-based terrain models[J], Journal of Hydraulic Engineering,1990,116 1232 1251.)。SidiYu等于1996年研究了邊的匯水性，以及基于TIN的河網(wǎng)查詢的算法復(fù)雜度，在SidiYu和Jones，N. L基礎(chǔ)上，劉學(xué)軍等于2008年提出了基于不規(guī)則三角網(wǎng)的河網(wǎng)水系提取算法，利用三角形的幾何性質(zhì)，提取出TIN的特征線，連接谷線形成河網(wǎng)。目前基于TIN的算法大多采用Frank的思想，認(rèn)為河流在TIN的邊上。上述算法均利用TIN三角形的梯度判斷水流方向，在求得流向的基礎(chǔ)上，通過(guò)判斷TIN三角形每條邊的匯水性來(lái)識(shí)別河道，河道的定義單一。當(dāng)出現(xiàn)大面積平坦區(qū)域時(shí)，TIN數(shù)據(jù)中的三角形表現(xiàn)為導(dǎo)數(shù)為零，無(wú)法計(jì)算流向，進(jìn)而不能提取河道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述背景技術(shù)的不足，提供一種基于TIN數(shù)據(jù)的河網(wǎng)提取方法。采用從流域出口回溯的方法計(jì)算平坦區(qū)域三角形的流向以進(jìn)一步提取出 河道。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種基于TIN數(shù)據(jù)的河網(wǎng)提取方法，包括如下步驟步驟A :讀取TIN數(shù)據(jù)，步驟B :計(jì)算水流流向向量，步驟C :提取谷線，將空間三角形分為谷線三角形和非谷線三角形，包括如下步驟C-I，取TIN中任意一條邊，在所取TIN邊的左右三角形中，分別做所選邊的方向向量與三角形水流流向向量的向量積；當(dāng)向量積小于零時(shí),進(jìn)一步計(jì)算所選邊與水流流向向量的交點(diǎn)并根據(jù)所選邊上點(diǎn)的取值范圍判斷交點(diǎn)是否在所選邊的延長(zhǎng)線上；C-2，若左右兩個(gè)三角形中所作向量積均小于零，所選邊為河網(wǎng)谷線，含有河網(wǎng)谷線的三角形為谷線三角形；若三角形的所有邊均不是河網(wǎng)谷線，該三角形為非谷線三角形；步驟D，提取河道，當(dāng)步驟C的判別結(jié)果為非谷線三角形的，進(jìn)入步驟D-I ;當(dāng)步驟C的判別結(jié)果為谷線三角形的，進(jìn)入步驟D-2 ；D-1，對(duì)于非谷線三角形，連接該非谷線三角形重心到其水流方向所指三角形的重心，構(gòu)成重心-重心河道；D-2，對(duì)于谷線三角形河道的提取，包括如下步驟D-2-1 :提取TIN中的所有谷線，并將谷線標(biāo)記為谷線河道；D-2-2 :判斷三角形包含的谷線數(shù)目，若有兩條谷線，進(jìn)入步驟D-2-2-1 ;若只有一條谷線，進(jìn)入步驟D-2-2-2 ；D-2-2-1 :三角形有兩條谷線，則這兩條谷線與水流流向向量有且只有一個(gè)交點(diǎn)，連接三角形重心到該交點(diǎn)，構(gòu)成重心-谷線河道，所述兩條谷線不含延長(zhǎng)線；D-2-2-2 :當(dāng)水流流向向量與谷線相交時(shí)，連接三角形重心和交點(diǎn)，構(gòu)成重心-谷線河道；當(dāng)水流流向向量與谷線的延長(zhǎng)線相交時(shí)，連接谷線上離交點(diǎn)較近的端點(diǎn)和三角形的重心，構(gòu)成重心-谷線河道；步驟E :提取平坦區(qū)域的河道，采用從流域出口回溯的方法計(jì)算平坦區(qū)域三角形的水流流向以進(jìn)一步提取出河道。所述基于TIN數(shù)據(jù)的河網(wǎng)提取方法步驟B的具體實(shí)現(xiàn)如下步驟B-1，利用梯度原理計(jì)算TIN中空間三角形重心處的梯度向量；步驟B-2，定義以三角形重心為起點(diǎn)，沿與梯度向量方向相反的的射線為水流流向向量。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果

(I)解決了通過(guò)判斷TIN三角形每條邊的匯水性來(lái)識(shí)別河道所定義的河道單一的問(wèn)題；(2)解決了平坦區(qū)域河道提取的問(wèn)題。


圖I為基于TIN數(shù)據(jù)河網(wǎng)提取方法的流程圖。圖2為T(mén)IN的基本特征圖。圖3為標(biāo)量場(chǎng)的梯度示意圖。圖4為三角形的梯度示意圖。圖5為空間三角形的流向向量示意圖。圖6為空間三角形邊與流向的關(guān)系示意圖。圖7為空間三角流向向量與邊的相交關(guān)系示意圖。圖8為相鄰空間三角形公共邊的分類示意圖。圖9為空間三角形邊與相鄰空間三角形的關(guān)系示意圖。圖10為谷線三角形的河道提取示意圖。圖11為實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)示意圖。圖12為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中研究區(qū)域的谷線分析結(jié)果圖。圖13為重心-重心河道實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。圖14為重心-谷線河道實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。圖15為回溯后的河道示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如圖I所示，基于TIN數(shù)據(jù)河網(wǎng)提取方法的流程包括如下步驟(I)讀取 TIN 數(shù)據(jù)；(2)計(jì)算水流流向向量；(3)提取谷線，將空間三角形分為谷線三角形和非谷線三角形；(4)分別對(duì)谷線三角形和非谷線三角形進(jìn)行河網(wǎng)提?。?5)處理平坦區(qū)域，提取平坦區(qū)域的河道。如圖2所示在TIN模型中，有三種基本元素，分別為點(diǎn)、邊和面。點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集時(shí)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，在TIN結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為相鄰三角形的公共頂點(diǎn)，也是在進(jìn)行河網(wǎng)提取時(shí)需要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在TIN模型中點(diǎn)是具有三維空間信息的點(diǎn)，表現(xiàn)為(x，y，z)，其中z表示高程。邊是TIN模型中的相鄰三角形的公共邊界，同時(shí)也是整個(gè)研究區(qū)域的邊界，它把孤立的數(shù)據(jù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)，包含了大量地形特征。在數(shù)學(xué)上邊是空間線段，不具備可導(dǎo)性質(zhì)。根據(jù)TIN的就近原則，面是地形空間中三個(gè)相距最近的點(diǎn)構(gòu)成三角形面，是用于數(shù)字化表達(dá)地形的基本單元，在進(jìn)行河網(wǎng)提取時(shí)將用到其一重要的性質(zhì)-梯度。梯度是一個(gè)重要的幾何性質(zhì)，在向量微積分學(xué)中，梯度是標(biāo)量場(chǎng)的一個(gè)向量場(chǎng)，標(biāo)量場(chǎng)中某點(diǎn)的梯度表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)該點(diǎn)的一個(gè)向量，沿著該向量的方向，標(biāo)量增長(zhǎng)的速度最快，如圖3所示。對(duì)于二維平面區(qū)域上的函數(shù)Z = f(x, y)的梯度的數(shù)學(xué)定義為設(shè)函數(shù)z = f(x,y)在點(diǎn)(x,y)處的方向?qū)?shù)存在,則z = f(x,y)在(x, y)處的梯度記為grad[f(x,y)] = (^,^-)(I) ox Dy圖4給出了 TIN中的空間三角形中的點(diǎn)(x,y)處的梯度。它是以點(diǎn)(x,y)為起點(diǎn)的射線，其物理意義是沿此方向高程值z(mì)上升最快。在實(shí)際的地形中，如果高程值z(mì)用函數(shù)Z = f(x, y)表示,那么點(diǎn)(X, y)處的梯度就是坡度最陸峭的方向。在等高線模型中，由于等高線越密集，坡度越陡峭，故梯度總是指向等高線密集的。在TIN模型中，一個(gè)特定的空間三角形的梯度是一組平行的向量，它們可以由空間三角形的方程求出，這組向量的方向就是三角形所表達(dá)地形最陡峭的方向。本發(fā)明的方法是通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)的A.打開(kāi)TIN數(shù)據(jù)，讀入算法所需要的地形數(shù)據(jù)。B.利用梯度原理計(jì)算TIN數(shù)據(jù)中空間三角形重心處的梯度，并進(jìn)一步計(jì)算水流方向。具體包含如下步驟B-I利用TIN中空間三角形的頂點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出空間三角形的梯度設(shè)空間三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別為A(xa, ya, za), B(xb, yb, zb), C(xc, y。，zc),則該三角形的梯度可以按如下步驟計(jì)算。xb-xa,yb-ya,zb-za =0(2)
Xc-Xa^c-ya^c-Za由于梯度的計(jì)算需要求偏導(dǎo)數(shù)，且數(shù)字高程模型的數(shù)學(xué)定義z = f (x，y)，故對(duì)式2進(jìn)行進(jìn)一步化解得ax+by+cz+d = 0 (3)
a = (yb-ya)x (zc -za)-(yc-ya)x ( -
「 ， ^ . b = (Xc-Xa)X(Zb-Za)- (xb -xjx (zc-za)其中彳(4)
)c = (xb-xa)x(yc-ya)-(xc-xa)x(yb-ya)
d = -axxa-bxya-cxza當(dāng)c古0時(shí)，對(duì)式3進(jìn)行變形，表達(dá)為z關(guān)于x，y的函數(shù)z = f {x,y) = X y(5)
CCC這樣,就把XOY平面上的點(diǎn)坐標(biāo)(X,y)映射到了空間高程z上面,在c古0的條件下，z = f (x, y)在其定義域內(nèi)的方向?qū)?shù)存在,對(duì)式5分別求關(guān)于X’ y偏導(dǎo)數(shù)可得
權(quán)利要求
1.一種基于TIN數(shù)據(jù)的河網(wǎng)提取方法，其特征在于包括如下步驟 步驟A :讀取TIN數(shù)據(jù)， 步驟B :計(jì)算水流流向向量， 步驟C :提取谷線，將空間三角形分為谷線三角形和非谷線三角形，包括如下步驟 C-I，取TIN中任意一條邊，在所取TIN邊的左右三角形中，分別做所選邊的方向向量與三角形水流流向向量的向量積； 當(dāng)向量積小于零時(shí)，進(jìn)一步計(jì)算所選邊與水流流向向量的交點(diǎn)并根據(jù)所選邊上點(diǎn)的取值范圍判斷交點(diǎn)是否在所選邊的延長(zhǎng)線上； C-2，若左右兩個(gè)三角形中所作向量積均小于零，所選邊為河網(wǎng)谷線，含有河網(wǎng)谷線的三角形為谷線三角形； 若三角形的所有邊均不是河網(wǎng)谷線，該三角形為非谷線三角形； 步驟D，提取河道，當(dāng)步驟C的判別結(jié)果為非谷線三角形的，進(jìn)入步驟D-I ;當(dāng)步驟C的判別結(jié)果為谷線三角形的，進(jìn)入步驟D-2 ； D-1，對(duì)于非谷線三角形，連接該非谷線三角形重心到其水流方向所指三角形的重心，構(gòu)成重心一重心河道； D-2，對(duì)于谷線三角形河道的提取，包括如下步驟 D-2-1 :提取TIN中的所有谷線，并將谷線標(biāo)記為谷線河道； D-2-2 :判斷三角形包含的谷線數(shù)目，若有兩條谷線，進(jìn)入步驟D-2-2-1 ;若只有一條谷線，進(jìn)入步驟D-2-2-2 ； D-2-2-1 :三角形有兩條谷線，則這兩條谷線與水流流向向量有且只有一個(gè)交點(diǎn)，連接三角形重心到該交點(diǎn)，構(gòu)成重心一谷線河道，所述兩條谷線不含延長(zhǎng)線； D~2~2~2 :當(dāng)水流流向向量與谷線相交時(shí)，連接二角形重心和交點(diǎn)，構(gòu)成重心一谷線河道；當(dāng)水流流向向量與谷線的延長(zhǎng)線相交時(shí)，連接谷線上離交點(diǎn)較近的端點(diǎn)和三角形的重心，構(gòu)成重心一谷線河道； 步驟E :提取平坦區(qū)域的河道，采用從流域出口回溯的方法計(jì)算平坦區(qū)域三角形的水流流向以進(jìn)一步提取出河道。
2.如權(quán)利要求I所述的基于TIN數(shù)據(jù)的河網(wǎng)提取方法，其特征在于步驟B的具體實(shí)現(xiàn)如下 步驟B-1，利用梯度原理計(jì)算TIN中空間三角形重心處的梯度向量； 步驟B-2，定義以三角形重心為起點(diǎn)，沿與梯度向量方向相反的的射線為水流流向向量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于TIN數(shù)據(jù)的河網(wǎng)提取方法，屬于地理信息與水文學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本法利用TIN三角形的梯度判斷水流方向，在求得流向的基礎(chǔ)上，通過(guò)判斷TIN三角形每條邊與水流流向向量的關(guān)系將空間三角形分為谷線三角形和非谷線三角形，并分別依據(jù)谷線三角形和非谷線三角形提取河網(wǎng)，采用從流域出口回溯的方法計(jì)算平坦區(qū)域三角形的流向以進(jìn)一步提取出河道。本發(fā)明解決了通過(guò)判斷TIN三角形每條邊的匯水性來(lái)識(shí)別河道所定義的河道單一的問(wèn)題以及無(wú)法提取平坦區(qū)域河道的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G06K9/46GK102810157SQ20111011579
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者馮鈞, 唐志賢, 朱躍龍, 萬(wàn)定生, 李士進(jìn), 黃如春, 韋冕, 顧忠國(guó), 卞一路 申請(qǐng)人:河海大學(xué)