承载物质与能量输移的河流系统是气象、水文、生态与地貌等相关研究的重要载体,其基本属性、结构特征及其几何参数直接影响流域的水文-生态过程。随着DEM(Digital Elevation Model)数据栅格分辨率的提高,传统河网提取算法逐渐不能满足数十亿栅格的计算效率要求,而现有的河流结构规律的研究也存在河网精确度、河网规模和样本代表性等方面的诸多局限。因此,开展流域河网的提取方法研究,探索河流结构特征与几何规律,具有重要的研究意义。为了解决高分辨率DEM栅格数据规模带来的河网提取效率和准确性问题,本文在现有河网提取算法的基础上,引入节点大小平衡二叉树,建立高效的大规模高精度河网的提取方法,并通过实际案例分析了算法的计算性能,提取河网的可靠性和完整性。为了有效地管理高精度河网数据,本文基于河流分级方法,提出了从低层河网生成高层河网并构建河网金字塔的分层管理方法,以及适用于全球河网的编码体系。本文将上述方法应用于全球范围内的大多数河流,获得了高精度数字河网产品-Hydro30数据集。为了进一步描述复杂河流的结构规律及其局部特征,本文基于建立的河网分层方法,通过提取分层河网的层次拓扑信息,定义河流结构的基本单元并构建单元金字塔,提出了河流结构的层次描述方法。为了研究河流的拓扑与几何结构规律,本文基于获取的Hydro30数据集选取了具有代表性的127条大型河流样本,统计了传统描述方法中的6个结构参数以及层次描述方法中单元金字塔的8个结构参数分布,发现所选127条河流均具有一致的结构特征并且满足一般性的规律。研究表明,河流的结构遵守以长度、面积、坡度和角度等因素为代表的特定拓扑规律和几何规律。本文建立的大规模河网提取算法,海量河网数据分层管理方法、相应的全球范围高精度河网Hydro30数据集,以及揭示的河流拓扑与几何结构一般性规律,为流域水文过程模拟、水资源管理与河道生态修复等研究提供了重要的基础数据支撑,也为进一步探索自然界河流结构的内在本质及其成因研究提供了科学依据。