[发明专利]面向海量DEM数据的高精度河道洪水淹没区生成方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利信息技术领域，具体是一种面向海量DEM数据的高精度河道洪水淹没区生成方法。

背景技术

我国是一个洪水灾害发生十分频繁的国家，每年因洪水导致的损失难以估计。产生洪水灾害有多种原因，平坦区域大面积降雨或河道上游来水下泄都可以导致洪水发生，其中以河道洪水淹没最为常见，这类淹没分析通常称为有源淹没分析。河道洪水淹没分析要解决的一个核心问题是要确定出错综复杂的连通区，尤其是河网水系发育繁茂的流域，这通常也是洪水发生频率较高的地区。

随着空间信息技术的发展，基于数字化地形的洪水淹没预警与灾害评估已成趋势。数字化的洪水淹没分析是以数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)为基础，通过判断DEM中某网格高程值高于或低于设定的水位来确定当前网格是否被淹。若要精确地计算出流域内洪水淹没区，必须针对高分辨率DEM进行分析。

实现DEM数据洪水淹没区生成的一种有效方法是直接扫描整个地形区域，设置或预处理获取与淹没有关的连通域，进而形成淹没区，但该方法操作繁琐，难以实现淹没范围自动提取，对于拓扑结构复杂的河流地形，人工处理工作量较大。另一种方法来源于图像处理中的种子填充法，通过给定的淹没源种子点按照四邻域或八领域进行扩散，较好的模拟了实际的地表径流淹没过程，可以自动提取相关的淹没连通区，较为成熟可靠，这也是目前使用的主流方法。

DEM是以栅格形式存储的地形数据，其数据量与所存储的栅格场网格行列数相关，网格行列数越大则所要存储的数据量越大。当所存储的地形范围越大，或者其地形范围内数据精度越高，则DEM数据越大。以三峡库区淹没处理的规划方案为例，涉及面积约7.9万平方公里，假如以1米分辨率地形进行计算，则DEM数据大小为79GB，这在当前主流个人计算机内存配置条件下难以一次性载人内存。

当前大多数的洪水淹没分析方法都是基于种子点填充方法或其变形，该类方法的主要缺点是：

(1)必须将地形数据一次性载入内存，这将消耗大量内存资源

由于无法预先自动判断洪水淹没范围，传统的基于种子点填充算法的淹没分析必须将DEM地形数据全部载入内存，而以栅格形式存储的地形数据极耗内存资源，以目前个人计算机内存配置条件，难以一次全部读入，严重限制了种子点填充淹没分析方法的实用性；

(2)难以处理海量DEM数据

由于受内存限制较明显，淹没源种子点填充的淹没分析方法难以处理海量DEM数据，因此无法处理大范围的淹没分析，或者无法处理高精度的地形数据，降低了淹没分析方法的适用范围；

(3)即使对DEM数据进行分块处理，也需要多次重复读写数据块，效率低下

受问题1和问题2的约束，一些改进的淹没源种子点填充方法是对海量DEM数据进行分块处理，即将海量DEM数据分块读取，在块内完成淹没源种子点扩散算法，将淹没源种子点扩散结果写入淹没分析结果文件，最后对块间各自淹没区进行连通性判断，其主要缺点为：必须逐块遍历或额外建立块索引表，由于无法知道淹没区范围大小，每个数据块都会遍历到；必须进行繁琐的块间淹没区连通性判断；由于淹没分析结果数据没有保存在内存，多次重复文件读写难以避免，导致计算效率较低。因此，在进行海量DEM数据下的河道淹没分析时该方法仍然不是一个较优的选择。

内陆河道洪水淹没分析必须同时满足高效、大范围、高精度和自动化，而当前的各种淹没分析方法是难以达到这一要求的。考虑到处理海量DEM数据的关键是既要避免大量耗时的文件读写操作，又要能在内存中有效的处理大数据量DEM，因此，本发明提供一种面向海量DEM数据的高精度河道洪水淹没区生成方法，以满足水利行业科研和产业的需求。

发明内容

本发明提供一种面向海量DEM数据的高精度河道洪水淹没区生成方法，可以解决上述技术问题，满足内陆河道洪水淹没分析的高效、大范围、高精度和自动化的要求。

一种面向海量DEM数据的高精度河道洪水淹没区生成方法，包括如下步骤：

第一步、设定淹没源种子点、淹没水位和DEM条带划分行数，计算DEM条带总数和每个条带在DEM中的具体位置，构建一个空的栅格场结构；

第二步、读取淹没源种子点所在条带的DEM数据，对条带中可能被淹没的网格进行压缩存储进栅格场；查找淹没源种子点所在的压缩单元，进行淹没区边界追踪，同时对追踪过的压缩单元进行标记；

第三步、依条带向上和向下扩展，完成新条带压缩存储和边界追踪；