基于DEM的河流沿岸易淹没范围识别方法及系统与流程

基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法及系统
技术领域
1.本发明涉基于地理信息的洪涝灾害预测，具体涉及一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法及系统。


背景技术：

2.河流为人类提供了源源不断的水源，对人类生产生活意义重大，然而，河流一旦发生洪水将给人类带来沉痛的灾难，因此识别河流沿岸容易被淹没范围对于防洪减灾、洪水风险分析、建设选址等都具有重要意义。
3.目前，关于洪水淹没区域的识别主要通过遥感影像进行洪水淹没前后对比来确定淹没范围，评估受灾损失，比如：结合洪灾前后多期光学和雷达卫星，分析阈值法和机器模型迁移法对不同传感器影像的水体识别能力，分析研究区的洪涝灾害情况。还有是从遥感影像目视判断和定量分析2个角度对比分析otsu阈值模型提取影像水体和otsu归一化水体指数模型提取影像水体的精度，然后结合山地阴影掩膜数据，构建洪水淹没范围快速提取模型，进行洪水淹没范围分析。但是这些方法均是针对于洪水淹没区域的灾后分析评估，不能适用于对洪水灾情的事前预估。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法及系统，本发明方法通过对洪水进行事前预估，以便为防洪减灾、洪水风险分析、建设选址提供证据支撑。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，包括：
7.步骤1：收集河流基础数据信息；
8.步骤2：提取河流沿岸易淹没区域；
9.步骤3：通过步骤2沿岸易淹没区域对数字高程模型dem进行裁切；
10.步骤4：根据易淹没区域特征构建易淹没识别计算模型；
11.步骤5：将步骤3裁切后数字高程模型dem数据输入所述易淹没识别计算模型，得到区域内的易淹没特征范围；
12.步骤6：所述易淹没特征范围结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围。
13.进一步地，所述步骤6：所述易淹没特征范围结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围，还包括：
14.根据河流易淹没范围制图。
15.进一步地，所述制图，包括：绘制河流易淹没范围结果图、标注比例尺、标注指北针、标注图例。
16.进一步地，所述河流基础数据信息，包括：数字高程模型dem(digital terrain mode)数据，洪水位海拔值及河流面图层数据。
17.进一步地，所述步骤1:收集河流基础数据信息，
18.还包括：基础数据预处理，
19.1).统一河流面图层数据、dem数据中空间数据的坐标系统；
20.2).将洪水位海拔值表格数据进行空间化处理。
21.进一步地，所述步骤2：提取河流沿岸易淹没区域，包括：
22.设定河流两岸延申2km范围为河流沿岸易淹没区域，对河流面图层数据进行缓冲分析，缓冲半径为2km，缓冲方向仅为河流面外侧，得到缓冲结果图层。
23.进一步地，所述易淹没区域特征，包括：河流平面高差小于2米和地形坡度小于5
°
。
24.进一步地，所述易淹没识别计算模型表达式为：
25.tzs＝zxh/200+{[zghb-zdhb]*[1-pd/area]/npd}/100
[0026]
公式中，tzs为易淹没特征值；zghb为计算区域内最高海拔；zdhb为计算区域内最低海拔；pd为计算区域内的平地面积；area为计算区域总面积；npd为计算区域内的非平地面积。
[0027]
进一步地，所述步骤5：将步骤3裁切后数字高程模型dem数据输入所述易淹没识别计算模型，得到区域内的易淹没特征范围，包括：
[0028]
步骤5.1：将数字高程模型dem数据输入易淹没识别计算模型，得到易淹没特征值；
[0029]
步骤5.2：判断所述易淹没特征值，若易淹没特征值＜0.1,表示容易被淹没；
[0030]
步骤5.2：筛选易淹没特征值＜0.1的范围，即易淹没特征范围。
[0031]
为了实现上述目的，本发明另一个技术方案：
[0032]
一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别系统，包括：
[0033]
数据获取模块，用于获取多个河流基础数据信息；
[0034]
河流沿岸易淹没区域分析模块，用于提取河流沿岸易淹没区域，根据沿岸易淹没区域对数字高程模型dem进行裁切，得到淹没区域的数字高程模型dem；
[0035]
计算模型构建模块，用于根据易淹没区域特征构建易淹没识别计算模型；
[0036]
洪水位海拔范围选取模块，用于根据预选洪水位海拔值获得预选洪水位海拔值范围；
[0037]
河流易淹没范围计算模块，用于将淹没区域的数字高程模型dem数据代入所述易淹没识别计算模型，得到区域内的易淹没特征范围；并结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围。
[0038]
本发明的有益效果是：
[0039]
本发明具有以下优点：
[0040]
一是数据容易获取，计算方法简便，精度高、效率高，实现低成本的仿真模拟。
[0041]
二是可以进行事前的易淹没范围预估，目前已有的方法中主要是针对灾后的淹没范围识别，而本法是针对灾区的易淹没范围预估，为后续防洪减灾、洪水风险分析、建设选址提供有效的证据支撑。
[0042]
三是研发的易淹没识别计算模型适用范围广，在山地、丘陵、平原等地貌类型均可使用。
附图说明
[0043]
图1为本发明方法的流程示意图；
[0044]
图2为本发明系统的原理框图。
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0046]
参见图1所示，一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，包括：
[0047]
步骤1：收集河流基础数据信息；
[0048]
所述河流基础数据信息，包括：数字高程模型dem(digital terrain mode)数据，洪水位海拔值及河流面图层数据。数字高程模型dem(栅格格式)的空间分辨率10m，来源于测绘地理信息数据库。
[0049]
洪水位海拔值(xls格式)来源于水文站点资料，本发明洪水位海拔值采用5年一遇洪水位海拔值。
[0050]
河流面图层数据(gdb格式)来源于国土调查成果数据库。
[0051]
收集河流基础数据信息后，还包括：基础数据预处理，
[0052]
1).统一河流面图层数据、dem数据中空间数据的坐标系统；
[0053]
将河流面图层数据、dem数据所有的空间数据的坐标系统进行统一，统一为2000国家大地坐标系、1985国家高程基准，具体操作是利用arcgi s10.3中的project投影工具，对河流面图层数据、dem数据进行空间投影变换。
[0054]
2).将洪水位海拔值表格数据进行空间化处理；
[0055]
将5年一遇洪水位海拔值表格数据进行空间化处理，具体操作是利用arcgi s10.3中的“显示xy数据”工具，对5年一遇洪水位海拔值表格数据进行空间化，得到矢量点图层数据，命名为“hsw5”。
[0056]
步骤2：提取河流沿岸易淹没区域；
[0057]
包括：设定河流两岸延申2km范围为河流沿岸易淹没区域，对河流面图层数据进行缓冲分析，缓冲半径为2km，缓冲方向仅为河流面外侧，得到缓冲结果图层。
[0058]
设定河流沿岸易淹没范围，对河流两岸延申2km范围内的区域内进行识别。为了提取出河流两岸延申2km范围内的区域，我们利用arcgis10.3软件中的buffer工具，对河流面图层数据进行缓冲分析，缓冲半径为2km，缓冲方向仅为河流面外侧。通过缓冲分析得到缓冲结果图层，命名为“hl_buffer”。
[0059]
步骤3：通过步骤2沿岸易淹没区域对数字高程模型dem(d igita lterrai n mode)进行裁切。包括：
[0060]
利用i ntersect工具，将步骤2得到的河流沿岸易淹没区域与数字高程模型dem数据进行叠加分析，对数字高程模型dem数据进行裁切，只保留河流沿岸易淹没区域范围内的数字高程模型dem数据。
[0061]
因为步骤1中获得的dem数据是全域数据，而易淹没区域只需要是河流两岸延申2km范围，所以将步骤2计算出来的河流沿岸易淹没区域结果对dem数据进行了裁切，只保留河流两岸延申2km范围内的dem数据。具体的操作步骤是利用intersect工具，将“hl_
buffer”图层与dem数据进行叠加分析，得到“hl_buffer”图层范围内的dem数据。计算结果输出的新图层命名为“hl_bufferdem”。
[0062]
步骤4：根据易淹没区域特征构建易淹没识别计算模型；
[0063]
淹没识别计算模型主要考虑了易淹没区域的特征，所述易淹没区域特征，包括：河流平面高差小于2米和地形坡度小于5
°
，地形相对平坦。
[0064]
根据以上两个特征建立易淹没识别计算模型，所述易淹没识别计算模型表达式为：
[0065]
tzs＝zxh/200+{[zghb-zdhb]*[1-pd/area]/npd}/100
[0066]
公式中，tzs为易淹没特征值；zghb为计算区域内最高海拔；
[0067]
zdhb为计算区域内最低海拔；pd为计算区域内的平地面积；area
[0068]
为计算区域总面积；npd为计算区域内的非平地面积。
[0069]
步骤5：将步骤3裁切后数字高程模型dem数据输入所述易淹没识别计算模型，得到区域内的易淹没特征范围。包括：
[0070]
步骤5.1：将数字高程模型dem数据输入易淹没识别计算模型，得到易淹没特征值；即采用易淹没识别计算模型对步骤3裁切的dem数据的结果数据进行计算。具体步骤
[0071]
利用易淹没识别计算模型，对“hl_bufferdem”图层进行计算，得到计算区域内的易淹没特征值。计算结果为栅格数据，空间分辨率为10m。计算结果输出的新图层命名为“tzs”。
[0072]
步骤5.2：判断所述易淹没特征值，若易淹没特征值＜0.1,表示容易被淹没；
[0073]
步骤5.3：筛选易淹没特征值＜0.1的范围，即易淹没特征范围。
[0074]
当“tzs”图层中数值＜0.1,则表示容易被淹没，选择出“tzs”图层中数值＜0.1的范围。具体的操作是：在arcgis10.3软件中，利用resample工具，筛选出“tzs”图层中数值＜0.1的范围。
[0075]
以上筛选出来的范围是栅格格式，为了后面的操作，将其转成矢量格式。具体的操作是利用“raster to polygon”工具，将其转成矢量图层数据，命名为“tzs_ss”。
[0076]
步骤6：所述易淹没特征范围结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围。
[0077]
河流沿岸易淹没范围除了上述两个易淹没区域特征，即河流平面高差小于2米和地形坡度小于5
°
，还需要同时满足海拔小于洪水位海拔值的条件，即满足预选洪水位海拔值范围。
[0078]
所述预选洪水位海拔值范围，包括：
[0079]
首先根据所述步骤1收集多个河流基础数据信息中洪水位海拔值，选取5年一遇洪水位海拔值；
[0080]
然后通过插值运算公式得到海拔小于5年一遇洪水位海拔值的范围。
[0081]
具体操作：
[0082]
先计算海拔小于5年一遇洪水位海拔值的范围
[0083]
利用kriging工具，对“hsw5”点图层进行插值运算，输出结果为“hsw10_raster”(栅格格式)。然后，在raster calculator工具中，按照公式“hsw10_raster”图层减“hl_bufferdem”图层,计算出海拔小于5年一遇洪水位海拔值的范围，并将其转成矢量图层数据，命名为“hbdfw”。
[0084]
筛选易淹没区域识别结果矢量图层
[0085]
利用“intersect”工具，对“tzs_ss”图层和“hbdfw”图层进行叠加分析，得到两个图层的公共部分，即河流易淹没范围，输出结果图层命名为“yymfw”。
[0086]
所述易淹没特征范围结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围，还包括：
[0087]
根据河流易淹没范围制图，所述制图，包括：绘制河流易淹没范围结果图、标注比例尺、标注指北针、标注图例。
[0088]
具体步骤：利用“yymfw”图层,进行河流易淹没范围结果制图。配好比例尺、指北针、图例等。利用export map工具，设置图像分辨率为300dpj，输出“河流易淹没范围结果图”。
[0089]
如图2所示，一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别系统，包括：
[0090]
数据获取模块1，用于获取河流基础数据信息，所述河流基础数据信息，包括：数字高程模型dem(digital terrain mode)数据，洪水位海拔值及河流面图层数据。
[0091]
可能地：该数据获取模块还可以用于对河流基础数据信息进行预处理，包括：
[0092]
1).统一河流面图层数据、dem数据中空间数据的坐标系统；
[0093]
将河流面图层数据、dem数据所有的空间数据的坐标系统进行统一，统一为2000国家大地坐标系、1985国家高程基准，具体操作是利用arcgis10.3中的project投影工具，对河流面图层数据、dem数据进行空间投影变换。
[0094]
2).将洪水位海拔值表格数据进行空间化处理；
[0095]
将5年一遇洪水位海拔值表格数据进行空间化处理，具体操作是利用arcgis10.3中的“显示xy数据”工具，对5年一遇洪水位海拔值表格数据进行空间化，得到矢量点图层数据，命名为“hsw5”。
[0096]
河流沿岸易淹没区域分析模块2，用于提取河流沿岸易淹没区域，设定河流两岸延申2km范围为河流沿岸易淹没区域，对河流面图层数据进行缓冲分析，缓冲半径为2km，缓冲方向仅为河流面外侧，得到缓冲结果图层。
[0097]
具体操作：设定河流沿岸易淹没范围，对河流两岸延申2km范围内的区域内进行识别。为了提取出河流两岸延申2km范围内的区域，我们利用arcgi s10.3软件中的buffer工具，对河流面图层数据进行缓冲分析，缓冲半径为2km，缓冲方向仅为河流面外侧。通过缓冲分析得到缓冲结果图层，命名为“hl_buffer”。
[0098]
根据沿岸易淹没区域对数字高程模型dem进行裁切，得到淹没区域的数字高程模型dem，将河流沿岸易淹没区域结果对dem数据进行了裁切，只保留河流两岸延申2km范围内的dem数据。
[0099]
具体操作：
[0100]
因为获得的dem数据是全域数据，而易淹没区域只需要是河流两岸延申2km范围，所以采用河流沿岸易淹没区域对dem数据进行了裁切，只保留河流两岸延申2km范围内的dem数据。具体的操作步骤是利用i ntersect工具，将“hl_buffer”图层与dem数据进行叠加分析，得到“hl_buffer”图层范围内的dem数据。计算结果输出的新图层命名为“hl_bufferdem”。
[0101]
计算模型构建模块3，用于根据易淹没区域特征构建易淹没识别计算模型；淹没识
别计算模型主要考虑了易淹没区域的特征，所述易淹没区域特征，包括：河流平面高差小于2米和地形坡度小于5
°
相对平坦。
[0102]
根据以上两个特征建立易淹没识别计算模型，所述易淹没识别计算模型表达式为：
[0103]
tzs＝zxh/200+{[zghb-zdhb]*[1-pd/area]/npd}/100
[0104]
公式中，tzs为易淹没特征值；zghb为计算区域内最高海拔；
[0105]
zdhb为计算区域内最低海拔；pd为计算区域内的平地面积；area
[0106]
为计算区域总面积；npd为计算区域内的非平地面积。
[0107]
洪水位海拔范围选取模块4，用于根据预选洪水位海拔值获得预选洪水位海拔值范围；
[0108]
首先根据收集多个河流基础数据信息中洪水位海拔值，选取5年一遇洪水位海拔值；然后通过插值运算公式得到海拔小于5年一遇洪水位海拔值的范围。
[0109]
具体操作：
[0110]
先计算海拔小于5年一遇洪水位海拔值的范围
[0111]
利用kriging工具，对“hsw5”点图层进行插值运算，输出结果为“hsw10_raster”(栅格格式)。然后，在raster calculator工具中，按照公式“hsw5_raster
”‑“
hl_bufferdem”,计算出海拔小于5年一遇洪水位海拔值的范围，并将其转成矢量图层数据，命名为“hbdfw”。
[0112]
河流易淹没范围计算模块5，用于将淹没区域的数字高程模型dem数据代入所述易淹没识别计算模型，得到易淹没特征值。
[0113]
具体操作：
[0114]
利用易淹没识别计算模型，对“hl_bufferdem”图层进行计算，得到计算区域内的易淹没特征值。计算结果为栅格数据，空间分辨率为10m。计算结果输出的新图层命名为“tzs”。判断所述易淹没特征值，若易淹没特征值＜0.1,表示容易被淹没，筛选易淹没特征值＜0.1的范围，即易淹没特征范围，得到区域内的易淹没特征范围。
[0115]
结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围，河流沿岸易淹没范围除了上述两个易淹没区域特征，河流平面高差小于2米和地形坡度小于5
°
，还需要同时满足海拔小于洪水位海拔值的条件；计算筛选出同时满足易淹没特征范围和预选洪水位海拔值范围的区域，即河流易淹没范围。具体操作：
[0116]
利用“i ntersect”工具，对“tzs_ss”图层和“hbdfw”图层进行叠加分析，得到两个图层的公共部分，即河流易淹没范围，输出结果图层命名为“yymfw”。
[0117]
可能地：还包括计算结果制图输出模块6，用于根据河流易淹没范围制图。所述制图，包括：绘制河流易淹没范围结果图、标注比例尺、标注指北针、标注图例。设置图像分辨率为300dpj，输出“河流易淹没范围结果图。
[0118]
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于，包括：步骤1：收集河流基础数据信息；步骤2：提取河流沿岸易淹没区域；步骤3：通过步骤2沿岸易淹没区域对数字高程模型dem进行裁切；步骤4：根据易淹没区域特征构建易淹没识别计算模型；步骤5：将步骤3裁切后数字高程模型dem数据输入所述易淹没识别计算模型，得到区域内的易淹没特征范围；步骤6：所述易淹没特征范围结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围。2.根据权利要求1所述一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于：所述步骤6：所述易淹没特征范围结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围，还包括：根据河流易淹没范围制图。3.根据权利要求2所述一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于：所述制图，包括：绘制河流易淹没范围结果图、标注比例尺、标注指北针、标注图例。4.根据权利要求1或2所述一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于：所述河流基础数据信息，包括：数字高程模型dem数据，洪水位海拔值及河流面图层数据。5.根据权利要求4所述一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于：所述步骤1:收集河流基础数据信息，还包括：基础数据预处理，1).统一河流面图层数据、dem数据中空间数据的坐标系统；2).将洪水位海拔值表格数据进行空间化处理。6.根据权利要求1或2所述一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于：所述步骤2：提取河流沿岸易淹没区域，包括：设定河流两岸延申2km范围为河流沿岸易淹没区域，对河流面图层数据进行缓冲分析，缓冲半径为2km，缓冲方向仅为河流面外侧，得到缓冲结果图层。7.根据权利要求1所述一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于：所述易淹没区域特征，包括：河流平面高差小于2米和地形坡度小于5
°
。8.根据权利要求1所述一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于：所述易淹没识别计算模型表达式为：tzs＝zxh/200+{[zghb-zdhb]*[1-pd/area]/npd}/100公式中，tzs为易淹没特征值；zghb为计算区域内最高海拔；zdhb为计算区域内最低海拔；pd为计算区域内的平地面积；area为计算区域总面积；npd为计算区域内的非平地面积。9.根据权利要求1所述一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别方法，其特征在于：所述步骤5：将步骤3裁切后数字高程模型dem数据输入所述易淹没识别计算模型，得到区域内的易淹没特征范围，包括：步骤5.1：将数字高程模型dem数据输入易淹没识别计算模型，得到易淹没特征值；步骤5.2：判断所述易淹没特征值，若易淹没特征值＜0.1,表示容易被淹没；步骤5.3：筛选易淹没特征值＜0.1的范围，即易淹没特征范围。10.一种基于dem的河流沿岸易淹没范围识别系统，其特征在于：包括：
数据获取模块，用于获取多个河流基础数据信息；河流沿岸易淹没区域分析模块，用于提取河流沿岸易淹没区域，根据沿岸易淹没区域对数字高程模型dem进行裁切，得到淹没区域的数字高程模型dem；计算模型构建模块，用于根据易淹没区域特征构建易淹没识别计算模型；洪水位海拔范围选取模块，用于根据预选洪水位海拔值获得预选洪水位海拔值范围；河流易淹没范围计算模块，用于将淹没区域的数字高程模型dem数据代入所述易淹没识别计算模型，得到区域内的易淹没特征范围；并结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围。

技术总结
本发明公开了一种基于DEM的河流沿岸易淹没范围识别方法及系统，包括：步骤1：收集河流基础数据信息；步骤2：提取河流沿岸易淹没区域；步骤3：通过步骤2沿岸易淹没区域对数字高程模型DEM进行裁切；步骤4：根据易淹没区域特征构建易淹没识别计算模型；步骤5：将步骤3裁切后数字高程模型DEM数据输入所述易淹没识别计算模型，得到区域内的易淹没特征范围；步骤6：所述易淹没特征范围结合预选洪水位海拔值范围筛选出河流易淹没范围。本发明通过对洪水进行事前预估，以便为防洪减灾、洪水风险分析、建设选址提供证据支撑。建设选址提供证据支撑。建设选址提供证据支撑。


技术研发人员：叶胜 张孝成 梁星 陈甲全 高翔 刘康甯 陈林 瞿孟 苏欣 刘颖 韩维喆 卢建洪 吕帅 陈阳 秦瑛歆
受保护的技术使用者：重庆市地理信息和遥感应用中心（重庆市测绘产品质量检验测试中心）
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/20