CN110766792A - 基于ArcGIS水文分析工具网格演算次序编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于ArcGIS水文分析工具网格演算次序编码方法，包括：确定网格尺寸，得到网格水流方向，进行河道网格和子流域划分，子流域编码，汇流层编码，层内顺序编码，流入网格编码和河道编码。通过本发明的编码方法，可以实现网格型水文模型的产汇流计算，编码规则将流域各个子流域赋以不同的标识值，方便并行计算，在编码过程中区分了河道网格和非河道网格，且网格之间的水力联系仅发生在相邻层之间，在计算过程方便通过编码规则按照拓扑关系查找计算过程中出现的问题。

Description

基于ArcGIS水文分析工具网格演算次序编码方法

技术领域

本发明申请为申请日2018年07月25日，申请号为： 2018108299607，名称为“一种基于DEM的网格型水文模型网格演算次序编码方法”的发明专利申请的分案申请。本发明涉及一种水文模型的构建方法，尤其是基于ArcGIS水文分析工具网格演算次序编码方法。

背景技术

自然界中的水文现象错综复杂，不仅包含相互关联又彼此独立的不同过程，更是受到许多外界条件的影响。为了实现对现实世界中复杂水文过程的模拟与研究，在水文学科先驱的不断探索下，水文模型的概念应运而生。可以说水文模型的出现打开了水文学领域研究的一扇新的大门，成为研究和探索一切与水文有关的过程或分析一切水文现象的基础。

总的来说，可以把水文模型分为两大类：分布式模型和集总式模型。集总式水文模型将流域看作一个均一化的整体，不考虑流域模拟中各参数、各水文过程的空间非一致性。分布式模型把水文循环过程在空间尺度上分为若干个计算单元，各个计算单元的参数和变量一般不同，有些甚至不同单元之间的水文模拟方式也不相同。

根据分布式水文模型中各个计算单元的径流过程形成流域出口流量过程的方法，可将水文模型分为耦合型和松散型。耦合型分布式水文模型需要考虑各个计算单元之间的相互作用，通过联立微分方程，并确定边界条件进行求解。而松散型水文模型中各个计算单元之间是相互独立的，在计算过程中可分别计算不同计算单元内的水文过程，各单元之间无相互作用，完成对计算单元的处理后可通过一定的倍比或叠加原则求得最终的流域流量过程。

集总式水文模型由于未考虑水文过程在流域中的变化，忽略了水文要素时空分布的不均性。耦合型分布式水文模型要求具有严格的物理基础，同时参数是分布的，这不仅要求模型中水文过程描述方程能够真实的反应流域中实际发生的水文响应过程，并且具有空间的变异性，对计算机运算和资料的要求比较高。基于网格的水文模型是松散型模型的一种，可以灵活的调整网格的大小，实现流域内下垫面条件的离散化，是一种应用较为广泛的水文模型。

基于DEM的网格型水文模型在每一个网格上分别进行产流计算，再进行网格之间的汇流演算，计算过程中需要严格按照汇流网络之间的拓扑关系结构，区分不同网格的计算顺序，以满足水流往流域出口汇集的路径。通过DEM数据提取数字流域进行汇流计算时，由于流域汇流的非线性特征，流域中各个网格之间的汇流过程具有顺序性，所以在进行产汇流模拟之前的一项重要工作是确定各个网格的汇流演算顺序。各个计算单元演算顺序建立在确定各个网格水流方向的基础上，通过水流方向描述各个网格之间的拓扑关系。在产汇流模拟中，为了使计算机可以识别水流方向所表示的网格之间的拓扑关系，需建各个网格的编码，通过编码的规则，反映各个网格的计算顺序，方便计算机识别和演算。

美国环境***研究所(Environmental Systems Research Institute Inc，简称ESRI)创建于1969年，总部位于加州的 Redlands。公司最初是为企业创建和分析地理信息进行咨询工作的。

20世纪80年代，ESRI致力于发展和应用一套可运行在计算机环境中的，用来创建地理信息***的核心开发工具，这就是今天众人所知的地理信息***(GIS)技术。

1981年ESRI发布了它的第一套商业GIS软件—— ARC/INFO软件。它可以在计算机上显示诸如点﹑线﹑面等地理特征，并通过数据库管理工具将描述这些地理特征的属性数据结合起来。ARC/INFO被公认为是第一个现代商业GIS***。

2006年，发布ArcGIS 9.2，它提供了一个以GIS服务为核心的强大平台，构建于IT标准框架，可以帮助用户更容易的创建、操作和共享地理信息。

2008年，发布ArcGIS 9.3，进一步提高了空间信息的管理能力，为掌控地理空间资源提供了更多新的服务和应用，是一个顺应Web 2.0时代的企业级GIS解决方案。

2009年，发布ArcGIS 9.3.1，实现了地图服务的优化，能够创建高性能的动态地图。同时，可以方便地共享和搜索地理信息，如地图、数据层以及各种服务。

2010年，发布ArcGIS 10，一举实现协同GIS、三维GIS、一体化GIS、时空GIS和云GIS五大飞跃。

ArcGIS水文分析工具由最初的1.0升级到现在10.2，将来随着技术进步，ArcGIS水文分析工具版本将持续升级。

发明内容

本发明设计了一种基于DEM的网格型水文模型网格演算次序编码方法，其解决的问题是编码过程中无法区分河道网格和非河道网格，且网格之间的水力联系仅发生在相邻层之间，在计算过程不能通过编码规则按照拓扑关系查找计算过程中出现的问题。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种基于DEM的网格型水文模型网格演算次序编码方法，包括以下步骤：步骤1、确定网格尺寸；步骤2、得到网格水流方向；步骤3、进行河道网格和子流域划分；步骤4、对每个网格进行编码。

进一步，步骤4：为每个网格生成一个5位数数组，用于存放网格的编码，编码形式为(ID1，ID2，ID3，ID4，ID5)，初始值为(0,0,0,0,0)；ID1为子流域编码；ID2为汇流层编码；ID3为层内顺序编码；ID4为流入网格编码；ID5为河道编码。

进一步，所述步骤4中包括步骤41：从步骤3所得到的子流域划分中读取子流域编码，将子流域编码赋值给ID1。

进一步，所述步骤4中包括步骤42：找寻每一个子流域最下游的出口网格，将该网格ID2赋值为1。

进一步，所述步骤4中包括步骤43：针对每一个子流域，从最下游子流域出口网格开始搜索，顺时针方向搜索出口网格周围的8个网格中ID1编码和该网格ID1编码相同的网格，若某一网格的水流方向流入该网格，则将此网格的ID2赋值2，ID3从 1开始赋值，逐个增加，ID4赋值1，完成对河道出口网格周围所有符合条件网格的编码。

进一步，所述步骤4中包括步骤44：针对不同的子流域，搜索ID2为B(B≥2)的所有网格，按照ID3的顺序依次进行编码，假设某一网格为(A,B,C,D,E)，顺时针方向搜索(A,B,C,D,E) 网格周围的8个网格中ID1编码和该网格ID1编码相同的网格，若某一网格的水流方向流入该网格，则将此网格的ID2赋值B+1， ID3从1开始赋值，逐个增加，ID4赋值D，直到将所有符合要求的网格都编码完成。

进一步，所述步骤4中包括步骤45：导入河道网格信息，按照从河源往河口处逐渐增大的顺序依次累加，对ID5进行编码。

进一步，所述步骤1根据研究区域的范围和研究需要确定所建立网格型水文模型的网格大小，一次建模过程中各网格的大小应保持一致；或/和，所述网格大小为1km×1km、3km×3km 或9km×9km。

进一步，所述步骤2中借助水文分析工具，通过单流向法得到各个网格的水流方向。

进一步，所述步骤3根据步骤2所得到的各个网格水的流向信息，借助水文分析工具，设定汇水面积阈值，得到研究区域的河道数字信息，并借助水文分析工具，对研究区进行子流域划分。

进一步，所述步骤2和所述步骤3中的所述水文分析工具为 ArcGIS 10.2中的水文分析工具。

该基于DEM的网格型水文模型网格演算次序编码方法具有以下有益效果：

(1)本发明编码方法将流域各个子流域赋以不同的标识值，方便并行计算；

(2)本发明基于网格的水文模型在计算过程中往往需要区分河道单元和非河道单元，该编码方法可以有效的区分河道单元和非河道单元，方便在汇流计算时针对不同类型的网格使用不同的汇流方法。

(3)本发明汇流仅发生在相邻层之间，在计算过程中若某一网格出现异常值，可以通过编码规则按照拓扑关系查找原因。

附图说明

图1是本发明基于DEM的网格型水文模型网格演算次序编码方法的流程图。

图2是本发明完成编码后的示意图。

具体实施方式

下面结合图1和图2，对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例是一种基于DEM的网格型水文模型网格演算次序编码方法，流程如图1所示。本实施例所述方法的步骤如下：

步骤1：根据研究区域的范围和研究需要确定所建立网格型水文模型的网格大小，例如1km×1km、3km×3km或9km×9km，一次建模过程中各网格的大小应保持一致。

步骤2：借助ArcGIS10.2中的水文分析工具，通过单流向法得到各个网格的水流方向。

步骤3：根据步骤2所得到的各个网格的流向信息，借助 ArcGIS10.2中的水文分析工具，设定汇水面积阈值，得到研究区域的河道数字信息，并借助ArcGIS 10.2中的水文分析工具，对研究区进行子流域划分。

步骤4：为每个网格生成一个5位数数组，用于存放网格的编码，编码形式为(ID1，ID2，ID3，ID4，ID5)，初始值为 (0,0,0,0,0)。

步骤41：从步骤3所得到的子流域划分中读取子流域编码，将子流域编码赋值给ID1。

步骤42：找寻每一个子流域最下游的出口网格，读取子流域出口网格信息，将该网格ID2赋值为1。

步骤43：针对每一个子流域，从最下游子流域出口网格开始搜索，顺时针方向搜索出口网格周围的8个网格中ID1编码和该网格ID1编码相同的网格，若某一网格的水流方向流入该网格，则将此网格的ID2赋值2，ID3从1开始赋值，逐个增加，ID4 赋值1，完成对河道出口网格周围所有符合条件网格的编码。

步骤44：针对不同的子流域，搜索ID2为B(B≥2)的所有网格，按照ID3的顺序依次进行编码，假设某一网格为 (A,B,C,D,E)，顺时针方向搜索(A,B,C,D,E)网格周围的8 个网格中ID1编码和该网格ID1编码相同的网格，若某一网格的水流方向流入该网格，则将此网格的ID2赋值B+1，ID3从1开始赋值，逐个增加，ID4赋值D，直到将所有符合要求的网格都编码完成。

步骤45：导入河道网格信息，按照从河源往河口处逐渐增大的顺序依次累加，对ID5进行编码。

如图2所示，通过一组五位数的数组对各个网格进行编码，编码结构为(ID1，ID2，ID3，ID4，ID5),其中：

ID1：子流域编码；不同的子流域有不同的编码值，标识不同网格所处于的子流域位置；

ID2：汇流层编码；该网格在某一子流域中的层数，如该子流域出口网格的层数为1，流入出口网格的网格层数为2，以此类推；

ID3：层内顺序编码；位于相同层中的网格序号，在某一子流域中，随着层号的增加，位于相同层中的网格数也随着增加，为了区分位于同一层中的网格，给这些网格进行编号，方便锁定相同层中的网格；

ID4：流入网格编码；流入下游层中特定网格的编号。由于只有相邻层之间才会发生水力联系，为定位汇流层数值较大层中某一网格的汇流目标，通过流入网格编码搜寻该网格汇入下游层中的某个网格；

ID5：河道编码；非河道网格该编码为0，河道网格编码从河源往河口处逐渐增大。

编码规则首先确定所在同一子流域的所有网格，为网格ID1 统一赋值，图2中网格均位于子流域1中，故编码ID1均为1；根据各网格的流向和流向网络将该子流域分层，层号即为ID2 的编码号，流域出口网格为该流域的第1层网格，故ID2编码为 1，流入流域出口的网格为第2层网格，ID2编码为2，图中子流域共有5层，ID2的最大编码值为5；ID3编码为层内顺序编码，以第3层为例，改成共有3个网格，ID3的编码依次为1,2,3； ID4编码决定了网格水流流入的网格，由于该编码规则下只有相应的层之间会发生水力联系，且水流仅会从层数大的网格流入层数小的网格，所以仅需要在网格编码中明确某一网格流入的网格编码，其层数信息实为已知。以第4层，层内编码2的网格为例，该网格仅会流入第3层网格中的某一个网格，由汇流网络可知该网格流入编码为(1,3,2,1,3)的网格，故对该网格的ID4编码2，即将该网格指向第3层网格中顺序为2的网格，赋予其水流方向的含义；ID5为河道编码，图中深色方框表示河道网格，可知该汇流网络中共有5个河道网格，河道网格的ID5编码依次为 5,4,3,2,1。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.基于ArcGIS水文分析工具网格演算次序编码方法，包括以下步骤：步骤1、确定网格尺寸；步骤2、借助ArcGIS水文分析工具通过单流向法得到各个网格的水流方向；步骤3、进行河道网格和子流域划分；步骤4、对每个网格进行编码；

步骤4：为每个网格生成一个5位数数组，用于存放网格的编码，编码形式为(ID1，ID2，ID3，ID4，ID5)，初始值为(0,0,0,0,0)；ID1为子流域编码；ID2为汇流层编码；ID3为层内顺序编码；ID4为流入网格编码；ID5为河道编码；

所述步骤4中包括步骤41：从步骤3所得到的子流域划分中读取子流域编码，将子流域编码赋值给ID1；

所述步骤4中包括步骤42：找寻每一个子流域最下游的出口网格，将该出口网格ID2赋值为1；

所述步骤4中包括步骤43：针对每一个子流域，从最下游子流域出口网格开始搜索，顺时针方向搜索出口网格周围的8个网格中ID1编码和该出口网格ID1编码相同的网格，若某一网格的水流方向流入该ID1与出口网格编码相同的网格，则将该ID1与出口网格编码相同的网格的ID2赋值2，ID3从1开始赋值，逐个增加，ID4赋值1，完成对河道出口网格周围所有符合条件网格的编码；

所述步骤4中包括步骤44：针对不同的子流域，搜索ID2为≥2的所有网格，按照ID3的顺序依次进行编码，假设某一网格为(A,B,C,D,E)，顺时针方向搜索(A,B,C,D,E)网格周围的8个网格中ID1编码和该(A,B,C,D,E)网格ID1编码相同的网格，若某一网格的水流方向流入该搜索到的ID1编码相同的网格，则将该搜索到的ID1编码相同的网格的ID2赋值B+1，ID3从1开始赋值，逐个增加，ID4赋值D，直到将所有符合要求的网格都编码完成；

所述步骤4中包括步骤45：导入河道网格信息，按照从河源往河口处逐渐增大的顺序依次累加，对ID5进行编码。

2.根据权利要求1所述的基于ArcGIS水文分析工具网格演算次序编码方法，其特征在于：所述步骤1根据研究区域的范围和研究需要确定所建立网格型水文模型的网格大小，一次建模过程中各网格的大小应保持一致；或/和，所述网格大小为1km×1km、3km×3km或9km×9km。

3.根据权利要求1所述的基于ArcGIS水文分析工具网格演算次序编码方法，其特征在于：所述步骤3根据步骤2所得到的各个网格水的流向信息，借助水文分析工具，设定汇水面积阈值，得到研究区域的河道数字信息，并借助水文分析工具，对研究区进行子流域划分。

4.根据权利要求3所述的基于ArcGIS水文分析工具网格演算次序编码方法，其特征在于：所述水文分析工具为ArcGIS10.2中的水文分析工具。

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