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基于DEM的数字流域时空特征及提取研究

俞伟斌  
【摘要】:数字流域特征是对自然界流域特征的数字化表达,是流域水文模型的数据基础,对于模拟流域水文过程、保护与治理流域生态环境具有重要的作用。因此,数字流域特征提取是地理信息系统领域的一个重要问题。 随着测绘技术、计算机技术、遥感技术的不断发展,基于DEM的数字流域特征提取取得了较大的进展。但由于自然界纷繁复杂,目前的研究还不能很好地反映自然界的实际流域情况,体现在:无法反映因河流分叉而形成的具有多重归属的流域情况;无法反映受时相影响而导致河流流向动态变化所形成的具有动态归属的流域情况(流域时相特征);没有深入研究内流流域特征及其提取方法。此外,现有的数字流域特征提取方法效率较低,尤其是在海量数据处理时,效率问题甚至成为了数字流域分析的瓶颈问题。 本文对数字流域分析中的洼地填平、流向分析、汇流分析、虚拟水系提取以及流域划分等问题进行了全面的研究,并重点对以下五个方面进行了深入的研究: (1)针对由河流分叉所造成的具有多重归属属性的流域,本文将这种流域定义为公共流域,并提出了公共流域的提取方法:首先对河流进行拓扑关系构建,然后对河流归属地进行地理编码,并将编码值赋予直接汇入归属地的河流;在此基础上,以被赋予编码的河流为“种子河流”,根据河流之间的拓扑关系,将编码值从下游河流传递至上游河流,确定具有多重归属属性的河流;最后结合从DEM中提取的流向信息,提取公共流域。 (2)针对河流流向动态变化所造成的具有动态归属属性的流域,本文将这种流域定义为动态流域,并提出了动态流域提取方法:将相互连通的流向动态变化的河流集合抽象为“节点”,与流向固定的河流共同构成河流网络拓扑结构;在此基础上,对河流归属地进行地理编码,并将编码值赋予直接汇入归属地的河流;根据拓扑关系,将编码值从下游河流传递至上游河流,确定具有动态归属属性的河流;最后结合从DEM中提取的流向信息,提取动态流域。 (3)针对因地表径流无法流入海洋而形成的内流流域,本文根据影响内流流域的主要因素,将内流流域分为:地形型内流流域(在DEM中以洼地的形式存在)和气候型内流流域(在DEM中不以某种特殊的形式存在,但通常包含内流河),并提出了内流流域提取方法:首先利用实测内流河对DEM进行地形约束,降低内流河所在栅格点高程,增大内流河与周围区域的高程差,使内流河所在区域形成洼地,统一气候型内流流域与地形型内流流域在DEM中的表现形式(洼地);然后对地形约束后的DEM进行洼地填平,并识别内流流域所在平地,识别规则为:平地中包含内流河或平地中所包含的洼地面积超过设定闽值;进而将内流流域所在平地的高程恢复至洼地填平前(将平地退化为洼地),并以洼地为内流流域种子区域,结合从DEM中提取的流向信息,提取内流流域。 (4)针对数字流域特征提取中洼地与平地处理效率较低的问题,提出了快速洼地与平地处理方法:该方法在洼地填平的同时,记录水流从洼地(平地)内部以最短路径流至出口的流向,在平地增高处理中,利用该流向以水流追踪的方式快速确定平地内部栅格点与出口的距离;并且,采用距离转换计算平地内部栅格点与边界的距离;从而大幅减少了随机搜索与迭代处理,提高了处理效率。 (5)针对数字流域特征提取中汇流分析效率较低的问题,提出了快速汇流分析方法:该方法首先搜索得到流域出水口,然后以出水口为种子点,以流向的反向为搜索方向,向流域内部进行搜索,构建流域“汇流树”(汇流树的叶节点为水流源头,根节点为出水口);最后通过对汇流树进行反向遍历计算汇流累积量。该方法对目标区域内的流域进行分而治之,缩小了每一个流域汇流分析的搜索范围,高效利用了内存,并且,通过汇流树有效避免了汇流累积量计算中对数据的随机搜索,从而提高了汇流分析的效率。 本文的主要创新点包括: (1)首次提出了公共流域及其提取方法。 (2)首次提出了动态流域及其提取方法。 (3)首次对基于DEM的内流流域提取方法展开深入研究。 (4)提出了快速洼地与平地处理方法、快速汇流分析方法,提高了数字流域特征提取的效率。 实验结果表明,本文所提出的方法能够有效提取公共流域、动态流域、内流流域及树状流域特征,并且提高了数字流域特征提取的效率。


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