流域水系自动提取的方法和应用VIP专享VIP免费

第15卷第3期湖泊科学Vol.15,No.32003年9月JournalofLakeSciencesSep.,2003流域水系自动提取的方法和应用*李昌峰1,2冯学智3赵锐1(1中国科学院南京地理与湖泊研究所南京2100082中国科学院研究生院北京1000393南京大学城市与资源学系南京210093)提要讨论由栅格数字高程模型(DEM)自动提取流域水系的原理和方法并以西苕溪中上游流域为研究区进行了河网生成实验.研究表明在山地丘陵区和平均地形坡度不小于3的区域所生成河网具有很高的可靠性.为了解决在平均地形坡度小于3的平坦区域河网生成中产生的虚拟河网与自然水系偏差较大的问题提出了利用主干河道和平原水系数字化作为约束条件的生成河网的方法取得了与实际情况比较接近的结果从而使水文要素的模拟更具有实际意义.关键词水系DEM自动提取集水区面积阈值流域分类号P334+.911基于DEM的流域水文建模研究从20世纪80年代后期以来数字技术就促使一切科学技术发生着一场深刻的变革水文科学也正在经历着这样一场前所未有的洗礼水文科学与计算机及信息科学的交叉就形成了当前研究比较活跃的数字水文学1.随着描述流域下垫面空间分布信息技术的日益完善流域地形分水线河网子流域的表达和集水面积的计算都能用数字技术来实现流域水文模拟的研究方法也开始产生了根本性的变化分布式物理模型被广泛研究.当前基于数字流域模型的产汇流理论的应用构成了数字降水径流模型模型的基本地形参数可以自动计算而且还可以方便的使用具有空间分布特征的遥感信息大大提高了水文模拟的效率丰富了模型的信息能够充分反映下垫面的空间分布不均匀对水文循环的影响2.在流域水文模型的构建中利用数字高程模型(DigitalElevationModel)(DEM)进行流域水文模拟并提取水文要素信息得到了众多学者的关注.DEM是描述地面高程值空间分布的一组有序数组能够反映一定分辨率的局部地形特征是目前用于流域地形分析的主要数据因此也就能根据地形的局部特征借助一定的算法进行一定地理空间范围内的水文模拟.DEM通常有格网(GRID)不规则三角网(TINs)和矢量(数字划线)(DLGs)3种形式3其中栅格DEM比较普遍计算处理方法简单有效且和遥感数据在结构上容易匹配在流域水文模拟中得到普遍应用2.当前许多学者*中国科学院知识创新工程重大项目KZCX1-SW-12-1-2领域前沿项目CXNIGLAS-A02-11联合资助.2002-12-15收稿2003-05-19收修改稿.李昌峰男1972年生博士研究生.E-mail:chfli@163.com206湖泊科学15卷都致力于从栅格DEM中提取流域河网和分水线这两大地貌特征因为这两大特征是流域水文建模的主要参数是实现流域空间离散化的有效途径.在DEM的基础上有多种比较成熟的提取流域水文要素信息的方法4所提取流域的数字特征包括确定单元格网的流向汇流路径河网间的拓扑结构等过程从而为水文模型提供下垫面数据的输入.基于格网的地形分析技术在流域水文建模中的应用一般采用了O’Callaghan和Mark的坡面径流模拟方法5Jense6,Garbrecht7等在此基础由做了进一步的改进这种算法通常被称为D8算法后又有许多学者提出了多种确定水流流向的算法8如Rho8,FRho8,TAPES-C算法等.不同的算法会产生不同的结果D8是比较传统的算法得到了较为广泛的应用.基于DEM生成数字流域有多种成熟的软件可用通过这些软件可以方便的实现上述的一系列算法并可形成数字水文的地形基础.常用的软件有ESRI提供的Grid模块可以在Arc/info,Arcview中直接调用美国陆军工程公司研制的GRASSGeographicResourcesAnalysisSupportSystem系统9RSI提供的RiverTools目前发展到2.4版本它的一个特点是可以处理很大的DEM数据GarbrechtJ.,MartzL.W.的TOPAZ10(TOpographicPArameteriZation)工具美国BrighamYoung大学环境模型研究实验室开发的WMS11(WatershedModelingSystem)软件以及ArcView+SpatialAnalyst12等软件.这些软件都可以进行空间任何地点的水流流向分析计算上游集水区面积生成流域河网进行流域分割及其它水文建模分析.不同的软件包含着不同的算法生成的数字流域具有一定的差别.RivertoolsArcView+SpatialAnalyst在可视化分析上要明显的优于其它软件但对大块平坦区的处理不尽人意.TOPAZ算法完善但程序必须在DOS下运行运行结果必须导入到GIS系统里进行可...