基于OpenCL的累积汇流并行计算

大尺度、高分辨率数字地形数据应用需求的增长,给计算密集型的累积汇流等数字地形分析算法带来了新的挑战。针对CPU/GPU(Graphics Processing Unit)异构计算平台的特点,提出了一种基于OpenCL(Open Computing Language)的多流向累积汇流算法的并行化策略,具有更好的平台独立性和可移植性,简化了CPU/GPU异构平台下的并行应用程序设计。累积汇流并行算法包括时空独立型的流量分配和空间依赖型的累积入流两个过程,均定义为OpenCL内核并交由OpenCL设备并行执行,其中累积入流过程借助流量转移矩阵由递归式转换为迭代式来实现并行计算。与基于流量转移矩阵的并行汇流算法相比,尽管基于单元入度矩阵的并行汇流算法可以降低迭代过程中的计算冗余,但需要采用具有较大延迟的原子操作以及需要更多的迭代次数,在有限的GPU计算资源下,两种算法性能差异不明显。实验结果表明,并行累积汇流算法在NVIDIA GeForce GT 650M GPU上获得了较好的加速比,加速性能随格网尺度增加而有所增加,其中流量分配获得了约50～70倍的加速比,累积入流获得了10～20倍的加速比,展示了利用OpenCL在GPU等并行计算设备上进行大规模数字地形分析的潜在优势。

基于DEM的黄土高原小流域主沟道汇流累积量沿程变化模式

文章以30m的ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model)为数据源,利用ArcGIS水文分析工具提取了黄土高原9个不同水土保持分区典型小流域的沿程沟道网络,绘制了小流域主沟道汇流量的沿程变化曲线,并对其模式及地学意义进行研究。结果表明,沿程变化模式分为线性模式和台阶模式。线性模式小流域的岩土层一般分布较均匀,其线性函数斜率越小,子流域汇流面积或地形起伏越小,反之则越大;其线性函数截距越小,一般分布在年均降雨量越大的区域,反之,则分布在年均降雨量越少的区域。台阶模式小流域一般分布在岩土层不均匀的区域。该研究是对黄土高原小流域地貌定量研究理论和方法的一种探索,对进一步研究黄土高原小流域地貌演化机理等具有参考意义。

基于汇流累积计算的沟壑密度分析方法

沟壑密度是评价地表侵蚀影响,水土流失情况,进行地貌类型分析等的重要指标。文章基于研究区填洼后的DEM,利用地表汇流累积分析原理和栅格重分类方法,通过研究沟道覆盖区栅格数与汇流累积栅格二值化阈值间的关系,选择合适的阈值用于提取地表沟道。然后结合自然地表高程,分析合理的高程和相对高程栅格重分类阈值并进行高程栅格二值化,将二值化结果作为乘积模板并配合栅格细化算法优化沟道提取结果。最终利用1km^2单位面积规则格网对沟道提取结果进行目标栅格数统计计算,得到地表沟壑密度值。结果显示,该方法基于30 m分辨率DEM提取的西安市地表沟壑密度均值为1.29km/km^2。除雁塔区,其余各行政区统计均值与前人研究结果基本吻合。试验结果证明,基于本方法可以高效较精确地计算该市地表沟壑密度,分析结果可以量化研究区沟壑密度特征值以及通过栅格像元灰度变化体现沟壑密度变化趋势。

面向地表汇流特征的城市地表模型构建及应用研究

城市区域的地表覆盖类型复杂,为研究地表覆盖对汇流过程的影响,需要对高精度、高分辨率规则格网结构的数字表面模型(DSM)进行汇流分析。然而,地表汇流特征自动提取方法在城市区域的适用性不足,难以获得准确的流向和汇流累积量等特征信息,主要原因有以下4点:①目前城市高精度、高分辨率DSM获取难度大、成本高。

基于ArcGIS的DEM数据修正及水系自动提取

基于ArcGIS软件可直接对现有DEM数据进行水文分析,获取研究区域的地表径流量,从而分析出该区域的水系状况,但在实际作业过程中,如对目标图更新的任务中,由于现实中获得的DEM数据并非足够精准,导致基于DEM自动提取的水系数据难以与其他现有矢量数据叠加使用,无法充分利用现有的DEM在水系自动提取中发挥的作用。而利用ArcHydro工具修正地形数据,并将修正后的地形与现有的矢量数据叠加应用,可使生成的水系数据更加贴合实际状况。

TOPMODEL中地形指数计算方法的探讨

地形指数ln(α/tanβ)是一些以物理概念为基础的水文模型的重要参数。TOPMODEL是以计算ln(α/tanβ)指数及其分布为基础的。对于栅格DEM,α为上坡区域通过单位等高线长汇集到单元网格内的面积,反映径流在流域中任一点的累积趋势,tanβ为单元网格的坡角,反映重力使径流顺坡移动的趋势。目前普遍使用的计算该地形指数的方法为多流向法。方法中计算α和tanβ用的均是与流出单元网格流向垂直的等高线长。另外计算下坡单元网格累积汇流面积时没有考虑欲计算ln(α/tanβ)值的单元网格的面积。这些是不合理的。计算α值应该用与流入单元网格流向垂直的等高线长,据此提出了改进后的ln(α/tanβ)的计算方法。方法中计算下坡单元累积汇流面积时包括了欲计算ln(α/tanβ)的单元网格的面积。分析了两种方法计算结果间的差值。

基于DEM的格尔木河流域水系分维分析

分形理论为流域的复杂地貌形态及其发育过程等方面提供了定量依据,为进一步深化流域水系的分形研究,以ASTER-GDEM数据为基础资料,运用GIS水文分析工具提取了格尔木河流域在不同汇流累积量阈值下的水系河网;并用盒维数法计算了相应的水系分维数,以此来描述流域的地貌形态特征;并进一步预测流域地貌的发育演化趋势。研究结果表明:在一定无标区间范围内,汇流累积量阈值和分维数拟合较好;计算得到格尔木河流域的水系分维值处于1.6～1.8之间,据此可以判断出该流域处于地貌侵蚀发育壮年期,并向壮年晚期发展,流域地势起伏大,地面切割得支离破碎、崎岖不平,河流以侧蚀为主,下切作用相对较弱,与流域高程面积积分值计算所得结论一致。

基于DEM的乌梁素海东部流域河网信息提取

以乌梁素海东部流域为研究区,基于免费获取的3″的Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)数字高程模型(DEM),利用HEC-GeoHMS模块,确定流域不同汇流累积量阈值的河网密度,通过二者关系曲线,得出东部流域最适汇流累积量阈值为15 km2。实现流域水系提取和子流域划分,继而将其与东部流域1∶250 000数字地形图进行叠加。结果表明:采用DEM提取的水系和子流域与数字地形图匹配良好,即3弧秒的DEM可有效应用于乌梁素海东部流域河网信息的提取。

依据汇流累积量分析的河网分级算法

针对目前河网分级算法不能有效确定主次关系的问题,该文在数字高程模型(DEM)分析的基础上,提出一种基于汇流累积量的河网分级算法。首先,对矢量化的河网添加汇流累积量属性,并在其基础上构建树状结构的河网拓扑关系;然后从流域的出水口开始,逆流而上利用河网主干提取算法对河网逐层遍历提取主干;最后根据每一层级的主干提取结果对河网分级。实验结果表明,本文提出的河网分级算法能够较好地确定河网的主干,反映河网中河段的层次关系,且与分级后的山脊线网络衔接良好。

基于多元回归的栅格水系阈值计算模型

针对栅格水系提取中汇流累积量阈值对水系密度和质量的影响,以湖北省为研究样区,探索不同水流分配策略下,地形、降水量和植被因素与最佳水系阈值间的相关性,采用多元线性回归方法建立水系阈值计算模型。结果表明,最佳水系阈值与区域坡度、多年降水量以及植被覆盖率存在明显的正相关性,地势越陡峭、降水越充沛、植被越丰富,汇流累积量阈值越大。基于多元线性回归的栅格水系阈值提取模型能够有效融合不同区域的多源影响因素,得到合理的汇流累积量阈值。在不同水流分配策略下,方程的置信水平均大于0.95,模拟的数字水系与实际水系具有较高的相似度,能够为农林规划和灾害预测等行业提供合理的水文信息。将该方法用于其他流域,同样可以取得较好的提取效果。

DEM网格尺寸与沟谷提取精度研究

基于DEM的沟谷提取涉及到DEM网格尺寸和汇流累积阈值这两个重要因素的选择问题。以北京市八达岭小流域1∶1万地形图为数据基础,运用Region Manager 5.0软件、MATLAB 6.0软件和Excel统计功能模块,完成该小流域的沟谷提取工作和数据处理工作。分析得出:随着DEM网格尺寸和汇流累积阈值的增加,所提取的沟壑密度呈现幂函数趋势减小;比较这两个因素,DEM网格尺寸对沟谷提取的精度影响更大。试验发现,以汇流累积矩阵平均值作为依据选择汇流累积阈值较合适。

基于DEM的清水川流域面积高程积分研究

面积高程积分通过统计流域地表的高程组合信息来反映地貌流域被侵蚀的程度,是反映流域发育阶段的一种地学模型,也是揭示流域地貌形态与发育特征的重要指标。以清水川流域的DEM数据为基本数据源,运用Arc GIS 9.3的水文分析研究了不同汇流累积量下所获取的集水区数目及面积高程积分值变化,以及面积高程积分值随河网等级变化的情况,以研究清水川流域的地貌发育阶段。研究表明,清水川流域的地貌地形主要属于均衡的壮年期和未均衡的幼年期地形,汇流累积量对面积高程积分值的影响不大。

ArcHydrology下四川雅安市流域信息提取研究

随着水系流域提取精度要求的重视和提高,水文分析常被用于流域水土流失分析等。本文基于ArcGIS9.3软件的水文分析模块ArcHydrology,对地质灾害频发四川省雅安市的ASTER GDEM进行提取河网、流域边界提取等水文特征信息,结果与国家基础地理信息中心提供的水系流域较吻合,且更详细,为灾后水利工程重建提供了数据和决策依据。

喀斯特分布区小比例尺地表水系提取及阈值分析——以黔中水利枢纽工程区为例

针对喀斯特峰丛洼地集中连片分布区小比例尺水系提取及该尺度下阈值的合理确定,以精准、快速和经济提取大范围区域主干河网水系为目标,选取黔中水利枢纽工程区为研究对象,基于改进的30 m ASTER-GDEM数字高程数据,利用ArcGIS10. 2的Hydrology水文地理分析技术,探讨了无大比例尺水系图参照条件下喀斯特分布区地表水系提取及其合理汇流阈值的确定。结果表明:汇流累积量阈值的大小是决定河网密度的关键因子,阈值由小到大变化过程中河网密度的变化呈现出先快速降低后渐缓变化的趋势,即河流的数量随汇流累积量阈值门槛的升高而减少。通过分析汇流累积量与河网密度、河流总条数、河道总长之间的关系及其斜率变化,发现汇流累积阈值10 000是一个变点,阈值10 000以下河网密度、河流总条数、河道总长变化剧烈,10 000以上则变化趋缓。取汇流阈值10 000提取的水系叠加在Google Earth高分辨率遥感影像上与研究区互相独立的横江流域进行验证,结果发现该阈值下的水系基本与现状河流吻合。

顾及局部特征的分区多阈值水系提取方法

确定集水面积阈值是提取流域水系的关键,已有集水面积阈值确定方法存在单一阈值提取水系不准确、多阈值数据获取困难等问题。该文基于黄土高原韭园沟流域DEM数据,提出基于水系局部特征的多阈值约束的集水面积阈值确定方法,并将该方法提取的水系和单一t值确定法与河网密度法提取的水系进行精度评价。研究结果显示:多阈值约束法提取水系的平均分支比和平均长度比分别为4.94和9.90,与真实水系(4.36和9.60)的差异最小,而其他两种方法差异均较大,表明多阈值约束法提取的水系能够更为真实地表达水系特征,且所需数据少,为DEM水系提取最优集水面积阈值提供了新思路。

从规则格网DEM中提取沟谷网络的方法研究

对TauDEM软件提取沟谷网络的方法进行了研究。以某地区1∶1万地形图为基础数据生成适宜分辨率的规则格网DEM数据;运用TauDEM 5.0软件对DEM数据进行洼地填充、水流方向计算、汇流累积量计算;通过沟谷高差统计分析确定汇流累积量的临界值,提取出该地区最佳沟谷网络,并与ArcGIS水文分析模块提取的沟谷网络进行了比较。研究表明,该方法提取的沟谷网络比较精细,伪沟谷较少,提取效率也明显较高,同时减少了反复实验获取合理阈值受主观因素的影响。

在ArcGIS软件下利用DEM数据提取流域水系网

本文以黑河流域及其水系为实例对象,利用90m分辨率的SRTM3(DEM)原始数据数据,借助ArcGIS软件中的Hydrology水文分析模块,对黑河流域进行水系网提取并进行相关的分析,验证了SRTM3数据在水文分析中的应用。

基于数字水深模型的水深浅点快速提取

针对目前手工作业选取水深浅点效率低、易发生遗漏等不足,本文以数字水深模型为基础对其进行地貌翻转,将水深浅点转化为洼点,利用水文流域模拟原理计算出相应区域的汇流累积量,结合邻域窗口最大值扫描获得汇水量极大值点,从而实现了水深浅点的快速、自动提取。汇流累积量夸大了局部地形变化,可更有效地提取潜在水深浅点,确保舰船安全。

云南龙川江流域地貌形态特征研究

以云南省龙川江流域为例,研究了流域内局部与整体的地貌形态特征,并预测了径流发育发展趋势。以ASTER-GDEM数据为基础,ArcGIS水文分析模块为平台,自动提取不同汇流累积量下的水系河网,研究区先划分为若干区块,结合分形理论,运用数盒子法计算水系分形维数划分流域侵蚀阶段。研究发现,在一定无标度区间内,研究区内具有自相似性,分形维数与汇流累积量拟合较好;通过分维数与汇流累积量关系式二阶导数求拐点的方法确定流域的适宜阈值为16667,对应的流域整体水系分维数为1.0203,推断出流域处于地貌侵蚀幼年阶段,并向幼年晚期发展,此时流域内地面起伏较大、将越来越支离破碎;通过计算各区块维数生成的等值线图,预测径流主要以NE-SW向发育,同时呈NW-SE向次级发育。

基于SRTM DEM的河棚河流域水系提取研究

基于SRTM DEM数据,以河棚河流域为例,利用Arc GIS 10.0中的水文分析模块进行水系的提取试验,分析不同的汇流累积阈值对河网密度、流域面积、河网分级等流域特征参数的影响。结果表明,随着汇流累积阈值的增大,河网密度以及河网总长度都在逐渐减小,并且汇流累积阈值与河网密度之间存在显著的幂函数关系。最后,利用1∶250 000水系图进行对比发现,当汇流累积阈值为200时,利用SRTM DEM提取的河网与实际水系吻合较好。