利用DEM提取流域水系时洼地与平地的处理方法_谢顺平VIP免费

利用DEM提取流域水系时洼地与平地的处理方法谢顺平,都金康,王腊春(南京大学城市与资源学系,江苏南京210093)摘要:在利用数字高程模型(DEM)模拟坡面流提取流域水系特征过程中,对洼地和平地的处理是首先需要解决的关键问题。针对现有方法对复杂地形DEM中平地、洼地及其复合情形处理效率和效果的不佳,提出了洼地的分类与归并、有效填洼、平地的分类、基于出流代价的河谷平地排水流向构建等新的处理方法,并在开发的软件系统中得到实现。实验结果表明:采用该方法可对复杂洼地进行有效处理,构建的河谷平地水流流向在顾及周边地形的同时向可能形成的河道收敛,避免了平行河道、伪河道等奇异河道的产生,由此提取的流域水系与实际自然水系基本一致。关键词:数字高程模型;洼地;平地;出流代价;流域水系中图分类号:P333文献标识码:A文章编号:1001-6791(2005)04-0535-06收稿日期:2004-04-06;修订日期:2004-07-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(40171015)作者简介:谢顺平(1957-),男,江苏南京人,南京大学高级工程师,硕士,主要从事地理信息系统、GIS应用于分布式水文过程模拟等研究。E-mail:urgis@nju1edu1cn在基于规则格网数字高程模型(DEM)并模拟坡面流提取流域水系的过程中,对DEM中含有的大量平地和洼地及其嵌套、连通等复杂情形的处理一直是较难解决的问题,其原因主要是由于水流在洼地区域的不连续性和在平地区域的不确定和随意性造成的,平地和洼地水流的处理已成为直接影响流域水系特征自动提取的质量和效率的关键技术。自Callaghan和Mark[1]利用规则格网DEM及河道供水面积阈值的方法提取水系特征开始,一些学者在此基础上相继做了大量的研究和改进,其中对DEM中低洼和绝对平地排水流向的处理方法成为研究的焦点之一。Jensont和Dominique[2]、Martz和deJong[3]用垫高填平的方法,将洼地内所有栅格单元垫高至洼地周围最低邻接栅格单元的高程,并提出从平地的入口到出口的最短路径为出流方向。Martz和Carbrecht[4]将洼地分为凹陷型洼地和阻挡型洼地两种类型,并分别用填洼至洼地周围最低栅格单元的高程和降低阻挡物高程疏通水道两种处理方法,对原始或处理产生的平地,则通过高程增量迭加、构造微坡面的方法来确定水流方向。Tribe[5]提出了对识别出的洼地根据其深度、区位和一定的阈值区分出天然洼地和伪洼地,并进行不同的处理。近年来国内一些学者[7~11]在实现Callaghan和Mark及其改进方法时给出了具体的处理算法,其中孔凡哲等[11]提出增加地形信息的方法来重建DEM以避免平坦区域和闭合洼地的产生,其它方法则对已有DEM中的洼地和平地进行处理,但提取水系的效果和效率还不尽人意,如对地形复杂性的适应性较低,难以避免平行河道、伪河道和奇异河道的产生,有待进一步的研究和改进。笔者以Callaghan和Mark的基本方法为基础,针对复杂地形DEM中各种形态洼地和平地进行了分析、分类和归纳,提出并采用了有效填洼、平地分类、河谷阶梯平地出流代价法确定水流流向等一系列新的处理方法,可有效合理构建DEM中洼地和平地栅格的水流方向,使重要的河谷平地栅格水流流向既反映排水的难易性又反映汇流的收敛性,由此提取的流域水系可避免平行河道等奇异河道的产生,达到与实际自然水系基本相吻合的效果。第16卷第4期2005年7月水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEVol116,No14Jul.,20051DEM中洼地的处理111栅格的分类与流域DEM相对应的是离散化的栅格阵列,每个栅格的中心对应DEM的一个网格点。栅格分类的目的是区分未经洼地处理的栅格中哪些是流域出口断面的汇水栅格,哪些是洼地的汇水栅格,以便为确定洼地的类型、位置、处理顺序和有效性提供依据。设置高程与汇流排序索引表,用于记录流域中所有栅格高程降序及汇流先后次序的排序结果。对坡地栅格而言其汇流次序与它们的高程降序排序一致,而平地栅格的汇流次序只有在平地水流流向构建完成后才能确定。首先,采用希尔排序法对流域内所有栅格高程进行降序排序,排序结果以索引形式记录在索引表中。使用D8法计算流域内所有栅格的最陡出流方向、出流坡度、各向汇入标记等信息。经过初步处理后,除平地区域和洼地底部栅格以外的所有坡面栅格都获得了汇流参数和汇入标记。利用高程与汇...