基于高精度DEM数据的特征曲线快速提取方法及系统与流程

本技术涉及水利工程领域，具体涉及基于高精度dem数据的特征曲线快速提取方法及系统。

背景技术：

1、水库、湖泊、蓄滞洪区是流域防洪工程体系的重要组成部分，是水网重要节点，是保障水安全的重要基础设施；同时，水库、湖泊等蓄水工程是调控水资源时空分布、优化水资源配置、改善生态环境、促进经济社会发展不可替代的重要基础设施。一些水库库区、湖泊湖区、蓄滞洪区存在管理与保护边界模糊、监管不严、非法侵占等问题，加之泥沙淤积，造成不同程度容积损失，影响这些水利工程的滞洪、蓄水等功能实现。针对水库、湖泊、蓄滞洪区等水利工程进行容积管理是有效发挥防洪、供水、生态等功能的重要保障。其中，开展容量计算和水位-容积曲线复核，准确掌握库容、湖容和蓄滞容积等情况是加强水库、湖泊、蓄滞洪区等管理的有效手段。

2、数字高程模型（digital elevation model，简称dem)是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(digital terrain model，简称dtm)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。

3、水位-容积和水位-面积等特征曲线计算一般采用地理信息系统面体积工具对高精度dem数据进行计算处理，该方法准确度较高，但是应用该方法要求具有一定的地理信息系统基础，同时要求安装相应软件。也有水利工作者基于网格遍历法开发小程序进行特征曲线提取，但是该方法计算量较大，尤其对于高精度dem数据和高密度曲线的提取，运行等待时间较长。因此，针对高精度dem数据和高密度提取需求，开发使用方便、运行速度快、无环境依赖的提取软件是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提供的基于高精度dem数据的特征曲线快速提取方法及系统，可以解决利用现有方法进行特征曲线提取，尤其是针对高精度dem数据、高密度曲线的提取时，由于计算量较大导致运行等待时间较长等问题。

2、第一方面，本技术提供的基于高精度dem数据的特征曲线快速提取方法，包括以下步骤：

3、基于水利工程高精度dem数据，采用切片法划分水利工程高精度dem数据为一系列特征参数的计算单元；

4、采用自动剥离式单元特征参数计算方法从下至上逐个对各计算单元进行特征参数计算，并自动剥离已经计算特征参数的计算单元内网格，继续执行对下一计算单元的特征参数计算，直至完成对所有计算单元的特征参数计算；

5、根据获取的一系列计算单元以及自动剥离式单元特征参数计算方法，构建特征曲线快速提取模型；

6、输入高精度dem数据至构建的特征曲线快速提取模型，提取水利工程特征曲线。

7、结合第一方面，在一种实施方式中，所述基于水利工程高精度dem数据，采用切片法划分水利工程高精度dem数据为一系列特征参数的计算单元，包括以下步骤：

8、根据高精度dem数据范围，确定特征曲线提取的最低水位和最高水位，并确定特征曲线提取的水位间距；

9、根据水位间距，对最低水位和最高水位之间的水利工程高精度dem数据进行等距切片，获取切片结果；

10、根据切片结果，形成从最低水位到最高水位的一系列计算单元。

11、结合第一方面，在一种实施方式中，所述采用自动剥离式单元特征参数计算方法从下至上逐个对各计算单元进行特征参数计算，具体包括以下步骤：

12、将计算单元的水体容积这一特征参数的计算所涉及的区域划分为3个计算区域；

13、根据划分的3个计算区域，计算获取该计算单元的水体容积；

14、基于对应水位区间内的水利工程高精度dem数据的网格面积以及满足水利工程dem计算单元的水位区间的所有网格集合中的网格数量，计算获取该计算单元的水面面积。

15、结合第一方面，在一种实施方式中，所述将计算单元的水体容积这一特征参数的计算所涉及的区域划分为3个计算区域，具体包括以下步骤：

16、将任意计算单元对应水体容积这一特征参数的计算涉及的区域划分为第一计算区域、第二计算区域和第三计算区域，所述第一计算区域为该计算单元以下区域，所述第二计算区域为该计算单元内圆柱体区域，所述第三计算区域为该计算单元内非规则区域。

17、结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据划分的3个计算区域，计算获取该计算单元的水体容积，如下式所示：

18、

19、式中，为第k个计算单元的水体容积，为第一计算区域的水体容积，为第二计算区域的水体容积，为第三计算区域的水体容积；

20、其中，所述第一计算区域为上一个计算单元对应的结果区域，仅在第一个计算单元时需要计算，水体容积的具体计算公式如下所示：

21、

22、式中，表示第一个计算单元的水位所对应容积，，表示网格高程小于第一个计算单元的水位z1的网格集合，表示集合中网格数目，表示对应水位区间内的水利工程高精度dem数据的网格面积；

23、所述第二计算区域的水体容积的计算公式如下式所示：

24、

25、式中，为网格高程介于第个计算单元的上边界水位和第个计算单元的下边界水位之间的容积，，表示网格高程小于zk-1的所有网格集合，表示网格高程小于zk-1的所有网格集合内的网格个数，表示对应水位区间内的水利工程高精度dem数据的网格面积；

26、所述第三计算区域的水体容积的计算公式如下式所示：

27、

28、式中，为第三计算区域的水体容积,,表示第k个计算单元的水位区间内的所有网格集合，表示对应水位区间内的水利工程高精度dem数据的网格面积。

29、结合第一方面，在一种实施方式中，所述根据获取的一系列计算单元以及自动剥离式单元特征参数计算方法，构建特征曲线快速提取模型步骤中，采用python语言进行模型开发，并进行程序打包与模型封装，形成所述特征曲线快速提取模型。

30、结合第一方面，在一种实施方式中，所述输入高精度dem数据至构建的特征曲线快速提取模型，提取特征曲线步骤之后，还包括以下步骤：

31、根据最低水位、最高水位以及水位间距，输入高精度dem数据至特征曲线快速提取模型，获取模型输出结果；

32、比对特征曲线快速提取模型提取的特征曲线和arcgis工具提取的特征曲线，获取特征曲线快速提取模型的模型性能验证结果。

33、结合第一方面，在一种实施方式中，所述比对特征曲线快速提取模型提取的特征曲线和arcgis工具提取的特征曲线，获取特征曲线快速提取模型的模型性能验证结果之后，还包括以下步骤：

34、设置不同水位间距，获取不同水位间距条件下的特征曲线快速提取模型的模型输出结果以及网格遍历法提取的特征曲线；

35、根据不同水位间距条件下的特征曲线快速提取模型的模型输出结果以及网格遍历法提取的特征曲线，获取特征曲线快速提取模型的计算性能。

36、第二方面，本技术提供的基于高精度dem数据的特征曲线快速提取系统，包括：

37、计算单元划分模块，用于基于水利工程高精度dem数据，采用切片法划分水利工程高精度dem数据为一系列特征参数的计算单元；

38、特征参数计算模块，与所述特征参数计算模块通信连接，用于采用自动剥离式单元特征参数计算方法从下至上逐个对各计算单元进行特征参数计算，并自动剥离已经计算特征参数的计算单元内网格，继续执行对下一计算单元的特征参数计算，直至完成对所有计算单元的特征参数计算；

39、模型构建模块，与所述计算单元划分模块和所述特征参数计算模块通信连接，用于根据获取的一系列计算单元以及自动剥离式单元特征参数计算方法，构建特征曲线快速提取模型；

40、特征曲线提取模块，与所述计算单元划分模块和所述模型构建模块通信连接，用于输入高精度dem数据至构建的特征曲线快速提取模型，提取水利工程特征曲线。

41、本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

42、本技术所提供的一种基于高精度dem数据的特征曲线快速提取方法，采用切片法划分计算单元，将特征特征参数计算过程微分化，用于提高计算速度；

43、在特征参数计算过程中采用数据自动分离方法剥离已计算单元内涉及网格数据，有效减少存储与处理数据量；

44、针对上述所述方法构建模型，使得水利工程特征曲线的提取更高效、更方便、无环境依赖，为防洪、水量调度、水资源配置、水旱灾害风险预警、水利工程管理等水利相关业务提供技术支撑与实用工具。