DEM水文分析中一種有效消除偽水道的簡(jiǎn)易方法

1、文章編號(hào):049420911(20081220053203中圖分類號(hào):P208文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BD EM 水文分析中一種有效消除偽水道的簡(jiǎn)易方法董有福1,2,湯國(guó)安1,羅明良3(1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210046;2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇南京210009;3.西華師范大學(xué)國(guó)土資源學(xué)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(duì)基于DE M 提取的水系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響,目前國(guó)內(nèi)外已提出很多方法來(lái)處理這種平坦地形情況。在對(duì)這些方法進(jìn)行總結(jié)回顧的基礎(chǔ)上,提出一種簡(jiǎn)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(chǔ)上,采用緩沖區(qū)分析和柵格疊置分析原理實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)的二次有效提取。實(shí)例研究表明,該方法原理簡(jiǎn)單、易于操作實(shí)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(jié)構(gòu)趨于合理,河網(wǎng)提取結(jié)果更加準(zhǔn)確。關(guān)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40671148,40571

3、120作者簡(jiǎn)介:董有福(19762,男,河南信陽(yáng)人,博士生,主要從事數(shù)字地形分析和空間數(shù)據(jù)庫(kù)方面的研究。一、引言數(shù)字地形分析技術(shù)在數(shù)字流域研究中獲得了廣泛應(yīng)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(shí)為水文模擬分析提供了較高精度保障。溝谷網(wǎng)絡(luò)的提取是相關(guān)流域特征參數(shù)的基礎(chǔ),而各個(gè)柵格單元水流方向的確定是自動(dòng)生成連續(xù)和單寬河網(wǎng)的前提和關(guān)鍵。提取溝谷網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)流域特征參數(shù)的算法經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,內(nèi)容不斷豐富和相對(duì)完善。在眾多溝谷網(wǎng)絡(luò)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(gè)柵格單元中高程最低的那個(gè)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(guò)程中的內(nèi)插和輸出結(jié)果的取整以及高程數(shù)據(jù)誤差的影響,或者真實(shí)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(wú)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(jié)果是容易出現(xiàn)大量的平行河道和河道變形等問(wèn)題,當(dāng)匯流閾值較小時(shí)尤為明顯。因此,平坦地形的存在嚴(yán)重影響著模擬河網(wǎng)的正確提取。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)DE M 溝谷提取中的平地問(wèn)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(fù)進(jìn)行這一步驟直到所有的平地網(wǎng)格單元都確定了流向?yàn)橹?;Martz

5、 等在DEDNM 中采用微地貌起伏算法實(shí)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(nèi)通過(guò)的距離最短3;Garbrecht 等在T OP AZ 中改進(jìn)了微地貌起伏算法,實(shí)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(shí)測(cè)河網(wǎng)之間的精確擬合,因此,自動(dòng)生成的河網(wǎng)是不可能與實(shí)際河網(wǎng)相吻合的。孔凡哲等通過(guò)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(shí)際河網(wǎng)能夠精確擬合6;謝順平等提出以出流代價(jià)法構(gòu)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(wèn)題,但是由

6、于需要較多的輔助資料,或者算法比較復(fù)雜,使得適用性受到了較大限制,因此在很多場(chǎng)合下仍然采用手工編輯偽水道方式,效率相對(duì)比較低下。本文則在常用河網(wǎng)提取算法的基礎(chǔ)上,采用緩沖區(qū)分析和疊置分析等簡(jiǎn)易方法,通過(guò)二次提取河網(wǎng)法實(shí)現(xiàn)河谷平坦地形區(qū)大量偽水道的消除,從而達(dá)到與實(shí)際自然河網(wǎng)的有效擬合。352008年第12期測(cè)繪通報(bào)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(duì)主干河道一定距離內(nèi)的區(qū)域,在原有高程的基礎(chǔ)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(gè)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(nèi),距離主干河道越遠(yuǎn),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(dá)到與真實(shí)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(guān)聯(lián)的,河谷越寬,緩沖半徑值也就越大,一般來(lái)說(shuō)設(shè)定為最高等級(jí)河谷的最大寬度即可。實(shí)際上緩沖半徑在一定范圍內(nèi)變化對(duì)流域河網(wǎng)提取結(jié)果并

8、沒有顯著影響,因?yàn)閷?duì)稍低等級(jí)的河道而言,并不會(huì)使得緩沖區(qū)域內(nèi)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(gè)降低的最大高程值需要根據(jù)實(shí)際情況去設(shè)定。值太小不會(huì)對(duì)平坦區(qū)柵格單元水流方向產(chǎn)生理想變化,值過(guò)大可能會(huì)對(duì)較窄河谷區(qū)附近徑流方向產(chǎn)生影響。2.實(shí)現(xiàn)過(guò)程該方法的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示 。圖2二次生成河網(wǎng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程1.首次提取河網(wǎng)。河網(wǎng)的初次提取可以通過(guò)常用的水文分析方法和步驟,一般通過(guò)洼地填充、計(jì)算柵格單元水流方向和匯流累計(jì)值實(shí)現(xiàn)河網(wǎng)的提取,同時(shí)計(jì)算河網(wǎng)的等級(jí)便于下一步確定主干河道。河網(wǎng)等級(jí)的確定通常采用Strahler 分級(jí)方案。2.對(duì)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(fù)雜程度和河網(wǎng)等級(jí)結(jié)構(gòu)總數(shù)來(lái)確定,一般可以采用流域中最高級(jí)別的兩個(gè)河道。如果河網(wǎng)等級(jí)數(shù)目較多,寬谷對(duì)應(yīng)的河道級(jí)別較低,主干河道的級(jí)別數(shù)目可以為三個(gè)左右。然后對(duì)主干河道作緩沖區(qū)分析,常用GI S 軟件都提供相應(yīng)的功能操作。3.緩沖區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)柵格單元降低高程值的計(jì)算。即根據(jù)上述基本原理對(duì)平坦地形區(qū)柵格單元降低高程值進(jìn)行求算,新生成一個(gè)柵格圖層,柵格值代表對(duì)應(yīng)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(guò)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(jìn)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(chǔ),重復(fù)第一步提取河網(wǎng)的步驟,就可以得到結(jié)構(gòu)合理的河谷區(qū)水系結(jié)果。三、實(shí)例應(yīng)用本文以陜北綏德縣的一個(gè)小流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(wàn)DE M 數(shù)據(jù)源。圖3是45測(cè)繪通報(bào)2008年第12期裁取的實(shí)驗(yàn)樣區(qū)部分區(qū)域第一次提取河網(wǎng)的結(jié)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(jié)果與實(shí)際水系結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不符。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用上述方法實(shí)現(xiàn)偽溝谷的有效消除。在實(shí)驗(yàn)中,根據(jù)小流域綜合地形情況確定最高等級(jí)的兩個(gè)河道作為主干河道(圖中白線部分。設(shè)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(jié)果如圖4 所示。從圖3和圖4的對(duì)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(wèn)題,使平坦地形區(qū)的水流與實(shí)際情況趨于吻合。表1是實(shí)驗(yàn)樣區(qū)完整小流域前后兩次河網(wǎng)提取相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(zhǎng)度和溝壑密度都較第一次提取的結(jié)果有一定幅度的降低。表1實(shí)驗(yàn)樣區(qū)前后兩次河網(wǎng)提取結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)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(zhǎng)度/k m 128.65125.283.37溝壑密度/k m /k m 210.4710.200.27四、結(jié)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(jié)果是容易出現(xiàn)大量平行水道等奇異結(jié)構(gòu)水系,

12、進(jìn)而對(duì)流域河網(wǎng)數(shù)量、長(zhǎng)度和溝壑密度提取結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)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(jié)構(gòu)趨于合理化。通過(guò)多個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)結(jié)果表明,該方法原理簡(jiǎn)單,易于操作實(shí)現(xiàn),效果明顯,具有較高的實(shí)用價(jià)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(yù)先直接設(shè)定。它們的取值與實(shí)驗(yàn)流域的河谷寬度、結(jié)構(gòu)以及地形復(fù)雜程度有關(guān),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(guò)多次實(shí)驗(yàn)獲取合適的參數(shù)值,進(jìn)而到達(dá)最理想的偽水道消除效果,同時(shí)避免對(duì)稍低等級(jí)河谷的水系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)果

13、作為依據(jù)的,因此這種方法對(duì)大范圍的平坦地形區(qū)如黃土塬和平原區(qū)不會(huì)有很好的使用效果。對(duì)這些特殊地貌類型區(qū),區(qū)域水系結(jié)構(gòu)完全紊亂,現(xiàn)有的DE M 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和水系提取算法暫時(shí)還不能理想地解決這種問(wèn)題。參考文獻(xiàn):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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