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专利号: 2024115795984
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于时序DEM的流域径流含沙量空间分布计算方法,其特征在于:包括以下步骤:S1、获取研究区域时序观测的多个测量时期的原始DEM和水文数据,水文数据包括平均降雨强度、降雨历时、平均土壤容重、径流时长以及集水口实测径流量;

S2、对原始DEM数据进行填洼处理,得到填洼后的DEM数据;

S3、针对于每个测量时期,将相邻期的原始DEM数据相减,得到DEM数据的地形变化量,进一步乘以平均土壤容重转化得到地形变化质量;

S4、根据填洼后的DEM数据,采用质量守恒原理约束下的多流向算法,计算泥沙流向和对应方向的输沙量,并根据径流时长数据和输沙量数据,得到输沙率数据;

S5、根据集水口实测径流量和预估总流量,计算得到流域内的水流下渗率;

S6、根据水流下渗率,采用多流向算法,计算得到每个像元的径流数据;

S7、根据步骤S4得到的输沙率数据和步骤S6得到的径流数据,计算得到含沙量空间分布数据;

步骤S3中,使用栅格计算,令前一测量时期的原始DEM数据减去后一测量时期的原始DEM数据,计算相邻期原始DEM数据之间的地形变化量;根据所述地形变化量,通过预先获取的DEM分辨率和平均土壤容重,得到地形变化质量,如下式所示:其中, 表示第n个测量时期的第r个DEM像元处的地形变化质量; 表示第n个测量时期的第r个DEM像元处的地形变化量,通过两个测量时期的原始DEM数据相减获取;x表示预先获取的DEM分辨率;表示平均土壤容重,p表示孔隙率;

步骤S4中,采用质量守恒原理约束下的多流向算法进行路径分配,得到中心像元向邻域像元的输沙量,并根据径流时长数据和输沙量数据,得到输沙率数据,如下式所示:其中, 表示第n测量时期中心像元向第k个邻域像元r输送泥沙量的输沙率;k表示与第r个中心像元相邻的邻域像元的序号;tanSknr表示坡度,上标 为控制流向分散或集中的指数,为1时表示多流向,为无穷大时表示单流向;Lknr表示第n测量时期第k号邻域像元的等高线长度加权因子; 表示第n测量时期第r个中心像元处的地形变化质量;Qnr表示邻域像元向第r个中心像元输送的总泥沙量, ;Tknr表示第n测量时期第k个邻域像元向第r个中心像元输送的泥沙量;

步骤S5中,假设各个位置下渗率一致,流域内的水流下渗率表达式如下:

其中,rn表示第n个测量时期的流域内水流下渗率; 表示集水口实测径流量; 表示流域内预估总流量,计算方法如下式所示:其中,R表示降雨平均强度,tR表示降雨历时,Sc表示流域面积;

步骤S6中,每个像元的径流数据计算公式如下:

其中,Qsknr表示第n个测量时期第r个中心像元向第k个与该中心像元相邻的邻域像元输送的径流量;rn表示第n个测量时期的流域内水流下渗率;Qsnr表示邻域像元向第r个中心像元输送的总径流量, ;Tsknr表示第n个测量时期第k个邻域像元向第r个中心像元输送的径流量;Qsr表示第n个测量时期第r个中心像元上降雨产生的流量;

步骤S7中,含沙量空间分布数据计算公式如下:

其中,Cnr表示第n个测量时期第r个中心像元上的含沙量; 表示第n个测量时期中心像元向第k个邻域像元r输送泥沙量的输沙率;Qsknr表示第n个测量时期中心像元向第k个邻域像元r输送的径流量。

2.根据权利要求1所述的基于时序DEM的流域径流含沙量空间分布计算方法,其特征在于:所述步骤S1中,原始DEM数据是M×N的二维数组,一个测量时期的DEM数据包括多个中心像元,一个中心像元对应8个与该中心像元相邻的邻域像元,领域像元如下式所示:其中,第ri行第rj列的元素DEM(ri,rj)表示中心像元处的高程值;使用Bk表示中心像元(ri,rj)的邻域像元(rp,rq),也即K连通区域,K=8。

3.根据权利要求1所述的基于时序DEM的流域径流含沙量空间分布计算方法,其特征在于:所述步骤S2中,识别原始DEM数据中的洼地,若某一像元的高程低于周围8个像元,则被识别为洼地;对于每个洼地,计算每个像元的洼地深度,并通过将洼地点的高程值增加到周围邻域的最高高程值来填充洼地;

每个像素的洼地深度通过将周围邻域的最高值减去该像素的高程值来计算:

 ,

且 不是空洞,

其中,D(ri,rj)表示中心像元(ri,rj)处的洼地深度,DEM(ri,rj)表示原始的中心像元(ri,rj)的高程值,DEM(rp,rq)表示原始的邻域像元(rp,rq)的高程值,Bk表示邻域像元Bk的集合,(M,N)分别表示原始DEM数据的二维数组的数值。

4.根据权利要求3所述的基于时序DEM的流域径流含沙量空间分布计算方法,其特征在于:所述步骤S2中,使用洼地深度的值来提高洼地的高程,如下式所示:其中,Hfilled(ri,rj)表示中心像元(ri,rj)处填充后的高程值,H(ri,rj)表示中心像元(ri,rj)处填充前的原始高程值,D(ri,rj)表示中心像元(ri,rj)处的洼地深度。

5.根据权利要求1所述的基于时序DEM的流域径流含沙量空间分布计算方法,其特征在于:所述步骤S4中,当第n测量时期中与第r个中心像元相邻的第k号邻域像元高于第r个中心像元时,Lknr=0;当第n测量时期中与第r个中心像元相邻的第k号邻域像元低于第r个中心像元且位于水平或垂直方向时, ;当第n测量时期中与第r个中心像元相邻的第k号邻域像元低于第r个中心像元且位于对角线方向时, 。