DEM水文分析中一種有效消除偽水道的簡易方法

1、文章編號:049420911(20081220053203中圖分類號:P208文獻標識碼:BD EM 水文分析中一種有效消除偽水道的簡易方法董有福1,2,湯國安1,羅明良3(1.南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室,江蘇南京210046;2.南京工業(yè)大學土木工程學院,江蘇南京210009;3.西華師范大學國土資源學院,四川南充637002A S i m ple M ethod to Eli m i n a te Pseudo Channels Effecti velyi n Hydrolog i c Ana lysis Ba sed on D E MDONG You 2fu,T ANG G

2、uo 2an,LUO M ing 2liang摘要:寬廣河谷平坦地形區(qū)的存在,對基于DE M 提取的水系結構產(chǎn)生了嚴重影響,目前國內外已提出很多方法來處理這種平坦地形情況。在對這些方法進行總結回顧的基礎上,提出一種簡易的偽水道消除方法。該方法是在常用的河網(wǎng)提取算法的基礎上,采用緩沖區(qū)分析和柵格疊置分析原理實現(xiàn)河網(wǎng)的二次有效提取。實例研究表明,該方法原理簡單、易于操作實現(xiàn)、效果明顯,使基于DE M 在寬廣河谷區(qū)生成的河網(wǎng)結構趨于合理,河網(wǎng)提取結果更加準確。關鍵詞:偽水道;水文分析;DE M;數(shù)字地形分析收稿日期:2008206210基金項目:國家自然科學基金資助項目(40671148,40571

3、120作者簡介:董有福(19762,男,河南信陽人,博士生,主要從事數(shù)字地形分析和空間數(shù)據(jù)庫方面的研究。一、引言數(shù)字地形分析技術在數(shù)字流域研究中獲得了廣泛應用,大比例尺系列的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)源的建立同時為水文模擬分析提供了較高精度保障。溝谷網(wǎng)絡的提取是相關流域特征參數(shù)的基礎,而各個柵格單元水流方向的確定是自動生成連續(xù)和單寬河網(wǎng)的前提和關鍵。提取溝谷網(wǎng)絡及相關流域特征參數(shù)的算法經(jīng)過20多年的發(fā)展,內容不斷豐富和相對完善。在眾多溝谷網(wǎng)絡提取的算法中,目前使用最普遍的確定排水方向的方法是O Callaghan 和Mark 提出的最大坡降法(D8,即中心柵格的水流向周圍八個柵格單元中高程最低的那個柵格

4、單元。但是,由于受DE M 水平或垂直分辨率的限制、DE M 生成過程中的內插和輸出結果的取整以及高程數(shù)據(jù)誤差的影響,或者真實平坦地形的存在,如寬廣谷地、河漫灘、河流階地和人工梯田等,使得無論使用哪一種方法,平坦地區(qū)的柵格單元水流方向都難以有效確定,結果是容易出現(xiàn)大量的平行河道和河道變形等問題,當匯流閾值較小時尤為明顯。因此,平坦地形的存在嚴重影響著模擬河網(wǎng)的正確提取。國內外學者針對DE M 溝谷提取中的平地問題作了大量研究。Jens ont 等提出首先尋找出與具有流向的網(wǎng)格單元相鄰的那些網(wǎng)格單元,然后確定這些網(wǎng)格單元的流向,重復進行這一步驟直到所有的平地網(wǎng)格單元都確定了流向為止1;Martz

5、 等在DEDNM 中采用微地貌起伏算法實現(xiàn)了在平坦地形區(qū)賦流向,但它產(chǎn)生的是一種平行模式的流向2;Andrea 提出了一種匯聚模式的賦流向方法,使河流在平坦地形區(qū)內通過的距離最短3;Garbrecht 等在T OP AZ 中改進了微地貌起伏算法,實現(xiàn)了匯聚模式的賦流向4。以上這些方法沒有考慮模擬與實測河網(wǎng)之間的精確擬合,因此,自動生成的河網(wǎng)是不可能與實際河網(wǎng)相吻合的。孔凡哲等通過增加輸入地形高程信息避免DE M 中平坦區(qū)域生成,從而使由DE M 生成的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)能夠精確擬合6;謝順平等提出以出流代價法構建河谷平地柵格流向和流序等7。上述這些方法在某種程度上都能夠解決平坦地形流向問題,但是由

6、于需要較多的輔助資料,或者算法比較復雜,使得適用性受到了較大限制,因此在很多場合下仍然采用手工編輯偽水道方式,效率相對比較低下。本文則在常用河網(wǎng)提取算法的基礎上,采用緩沖區(qū)分析和疊置分析等簡易方法,通過二次提取河網(wǎng)法實現(xiàn)河谷平坦地形區(qū)大量偽水道的消除,從而達到與實際自然河網(wǎng)的有效擬合。352008年第12期測繪通報二、原理與方法1.基本原理正是由于平坦地形區(qū)柵格單元的水流方向難以確定,才使得較寬河谷大量偽水道的出現(xiàn)。因此,該方法的基本思想是,對主干河道一定距離內的區(qū)域,在原有高程的基礎上有規(guī)律地逐步降低其高程值,人為使得平坦地形區(qū)柵格單元產(chǎn)生向主干河道的水流方向,從而有效避免平行河道的出現(xiàn)。該

7、區(qū)域柵格單元降低的高程值可以用式(1表示。h =(1-d /d 0h 0(1式中,h 表示每個柵格單元降低的高程值;h 0表示主干河道中心降低的高程值;d 表示柵格單元到主干河道的緩沖距離;d 0表示緩沖半徑距離。從式(1和圖1可以看出,在主干河道緩沖半徑范圍內,距離主干河道越遠,柵格單元高程降低得越少,從而保證平坦地形區(qū)水流向主干河道,達到與真實河網(wǎng)的逼近與擬合 。圖1河谷區(qū)柵格單元高程降低示意圖這里有兩個關鍵問題。一是緩沖半徑的確定。這里緩沖半徑和河谷寬度是緊密關聯(lián)的,河谷越寬,緩沖半徑值也就越大,一般來說設定為最高等級河谷的最大寬度即可。實際上緩沖半徑在一定范圍內變化對流域河網(wǎng)提取結果并

8、沒有顯著影響,因為對稍低等級的河道而言,并不會使得緩沖區(qū)域內柵格單元的水流方向產(chǎn)生決定性變化。二是主干河道中心降低的高程值的確定。這個降低的最大高程值需要根據(jù)實際情況去設定。值太小不會對平坦區(qū)柵格單元水流方向產(chǎn)生理想變化,值過大可能會對較窄河谷區(qū)附近徑流方向產(chǎn)生影響。2.實現(xiàn)過程該方法的詳細實現(xiàn)過程如圖2所示 。圖2二次生成河網(wǎng)實現(xiàn)過程1.首次提取河網(wǎng)。河網(wǎng)的初次提取可以通過常用的水文分析方法和步驟,一般通過洼地填充、計算柵格單元水流方向和匯流累計值實現(xiàn)河網(wǎng)的提取,同時計算河網(wǎng)的等級便于下一步確定主干河道。河網(wǎng)等級的確定通常采用Strahler 分級方案。2.對主干河道作緩沖區(qū)分析。主干河道的

9、確定可以根據(jù)流域地形復雜程度和河網(wǎng)等級結構總數(shù)來確定,一般可以采用流域中最高級別的兩個河道。如果河網(wǎng)等級數(shù)目較多,寬谷對應的河道級別較低,主干河道的級別數(shù)目可以為三個左右。然后對主干河道作緩沖區(qū)分析,常用GI S 軟件都提供相應的功能操作。3.緩沖區(qū)域內對應柵格單元降低高程值的計算。即根據(jù)上述基本原理對平坦地形區(qū)柵格單元降低高程值進行求算,新生成一個柵格圖層,柵格值代表對應降低的高程值,主干河道緩沖區(qū)域范圍外柵格值全為0。4.疊置分析生成新的DE M 。通過原始DE M 層與上述生成的緩沖區(qū)高程值降低柵格層疊加分析,得到進行二次河網(wǎng)提取的DE M 數(shù)據(jù)源。5.以疊置分析生成的DE M 為數(shù)據(jù)基

10、礎,重復第一步提取河網(wǎng)的步驟,就可以得到結構合理的河谷區(qū)水系結果。三、實例應用本文以陜北綏德縣的一個小流域為實驗樣區(qū),小流域總面積為12.2875k m 2,高差約為200m,采用5m 水平柵格分辨率的11萬DE M 數(shù)據(jù)源。圖3是45測繪通報2008年第12期裁取的實驗樣區(qū)部分區(qū)域第一次提取河網(wǎng)的結果。從圖中可以看出,在寬平的河谷區(qū),出現(xiàn)了大量平行河道,使得河網(wǎng)提取結果與實際水系結構嚴重不符。在此基礎上,應用上述方法實現(xiàn)偽溝谷的有效消除。在實驗中,根據(jù)小流域綜合地形情況確定最高等級的兩個河道作為主干河道(圖中白線部分。設定的緩沖半徑為50m,主干河道降低的最大高程值為30m 。第二次提取河網(wǎng)

11、的結果如圖4 所示。從圖3和圖4的對比看出,這種方法能夠有效消除河谷區(qū)平行水道等奇異河道問題,使平坦地形區(qū)的水流與實際情況趨于吻合。表1是實驗樣區(qū)完整小流域前后兩次河網(wǎng)提取相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果。在相同閾值的條件下,第二次提取的水道數(shù)目、溝谷總長度和溝壑密度都較第一次提取的結果有一定幅度的降低。表1實驗樣區(qū)前后兩次河網(wǎng)提取結果數(shù)據(jù)對比第一次提取第二次提取減少量水道數(shù)目/條2011198922溝谷總長度/k m 128.65125.283.37溝壑密度/k m /k m 210.4710.200.27四、結論與討論1.寬廣河谷平坦地形區(qū)柵格水流方向難以確定,結果是容易出現(xiàn)大量平行水道等奇異結構水系,

12、進而對流域河網(wǎng)數(shù)量、長度和溝壑密度提取結果產(chǎn)生相應影響。本文提出了一種基于緩沖區(qū)分析和疊置分析的二次提取法消除寬谷區(qū)偽水道,使平坦地形區(qū)的水網(wǎng)結構趨于合理化。通過多個實驗區(qū)結果表明,該方法原理簡單,易于操作實現(xiàn),效果明顯,具有較高的實用價值。2.該方法的主要不足是最佳主干河道緩沖半徑和降低高程值難以預先直接設定。它們的取值與實驗流域的河谷寬度、結構以及地形復雜程度有關,并且往往是根據(jù)流域中最寬的河谷情況去確定的。因此,可以通過多次實驗獲取合適的參數(shù)值,進而到達最理想的偽水道消除效果,同時避免對稍低等級河谷的水系網(wǎng)絡結構造成不必要的影響。另外,這種二次提取法主干河道的確定是以第一次河網(wǎng)提取的結果

13、作為依據(jù)的,因此這種方法對大范圍的平坦地形區(qū)如黃土塬和平原區(qū)不會有很好的使用效果。對這些特殊地貌類型區(qū),區(qū)域水系結構完全紊亂,現(xiàn)有的DE M 數(shù)據(jù)結構和水系提取算法暫時還不能理想地解決這種問題。參考文獻:1JE NS ONT K,DOM I N I Q UE J O.Extracting TopographicStructure fr om D igital Elevati on Data f or Geographical I n 2for mati on Syste m Analysis J .Phot ogra metric Enginee 2ring and Re mote Sensi

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