（自然地理学专业论文）基于栅格dem的河网自动提取研究.pdf

摘黑 河网结构模拟是分布式水文模型参数化的重要内容，也是传统地貌学基于数 字高程模型进行定量化研究的重要方向，同时由于地形控制着近地表物质和能量 的空间分筛与重新分配，它极大地影响到与之相关的生态、水文及大气等过程。 因此，河网系统研究具有重要的理论和实践意义。本研究以柴达木山区一子流域 为例，采用1 ：1 0 00 0 0 造形图为基础资料，详细分析了自动提取河网的三个重 要方面：1 特定比例尺地形图转化为栅格d e m 时格网尺度的选择；2 进行一系 列水文地貌参数获取，基于重力流水理论流向算法的比较；3 运用地貌学知识区分 坡面流与河道流，具有物理意义阈值的确定。 首先分析了数字化地形图经重采样生成栅格d e m 时格网尺度的选择问题。 以影响流向算法的坡度因子为例，运用地统计学方法分析了不同格网尺度d e m 与所反映的坡度信息之间的关系，并利用变异系数分析了区域坡度信息在d e m 不同格网尺度时的稳定性。结果表明，由重采样导致，表示空间相关性的交程随 格网的变大而变大；同一变程范围，空间变异性随格网尺度的变大而变小；不同 尺度格网内部的信息在6 0 m 格网时变异系数最小，表示信息最稳定。因此，对 于该区域2 0 m 等高距的地形数据，采用6 0 m 格网尺度所获得的地形信息最稳定。 五种基于水文模拟的算法用于模拟区域中累积流的空间分布，并自动提取了 河网，分别运用视觉判断、错判误差和遗漏误差等指标，与直接从地形图提取的 河网进行了比较分析。结果表明，d i n f i n i t e 方法和b r m ( b r a u n s c h w e i g e r r e l i e f m o d e lm e t h o d ) 方法模拟出的河网模式相似，但河网结构不连续；而其他三种方 法( m f 、d 8 、r h 0 8 ) 比较相似，其中多流向方法表现最好，单流向算法次之。 而且，通过地貌学分析确定了阈值的地貌学意义，提出水文学上的阈值实际 上是水道的最小给养面积，可以通过河道坡度一汇水面积散点图拟合曲线的拐点 来定义。研究表明，坡度汇水面积拟合曲线拐点处的汇水区面积为o 0 4 3 k m 2 ， 即阈值的大小。该方法克服了仅仅为得到最好图形效果而不考虑邋貌过程转化， 通常取累积流平均值的经验判断结果，从而从水文过程和地理空间分析的角度， 提取了适合本区域特定比例尺地形图数据的河网系统。作为分布式水文模型的参 数输入部分和流域地貌特征，可以对该研究方法和结论作进一步的系统分析。 关键词：数字高程模型，地理信息系统，空间分析，流向算法，地貌，河网 a b s t r a c t d r a i n a g en e t w o r k sm o d e l i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fd i s t r i b u t e d h y d r o l o g ym o d e l sa n dt h ek e yd i r e c t i o nd u r i n gt h eq u a n t i t a t i v er e s e a r c hb a s e do i l d i g i t a le l e v a t i o nd a t a ( d e m s ) i n t h et r a d i t i o n a lg e o m o r p h o l o g ya sw e l l f u r t h e r m o r e ， t h el a n d f o r mo f t h ee a r t hs u r f a c ec o n t r o l st h ed i s t r i b u t i o no f t h es u b s t a n c ea n d e n e r g y o nt h e s u r f a c e ，a n di m p a c t s t h e h y d r o l o g i c a l ，g e o m o r p h o l o g i c a l a n db i o l o g i c a l p r o c e s s e s i nt h e l a n d s c a p eg r e a t l y t h u st h e r e s e a r c ho nd r a i n a g e s y s t e m sh a s i m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i ss t u d y ，t a k i n gas u b - w a t e r s h e d i nt h eq a i d a r na sae a s ea n du s i n gr e l i e fm a p s 嘶t l lt h es c a l eo fhl0 00 0 0a st h ed a t a s o u r c e s ，w ea n a l y z et h r e ei m p o r t a n ta s p e c t si nd e t a i l ：f i r s t ，h o wt oc h o o s et h eg r i d s c a l ed u r i n gt h ec o n v e r s i o nf r o ms p e c i a ls c a l er e l i e f m a p st og r i d b a s e dd e m ；s e c o n d ， t h ec o m p a r i s o na m o n gt h ea l g o r i t h m sb a s e do nt h eg r a v i t a t e dw a t e rf l o wt h e o r yi n o r d e rt od e d v et e r r a i ns p e c i f i ci n f o r m a t i o na b o u th y d r o g e o m o r p h o l o g yf r o mad e m ； l a s t l y , ap h y s i c a l l y - b a s e da c c u m u l a t e d t h r e s h o l di sd e v e l o p e dt h r o u g hd i s t i n g u i s h i n g t h ef l o wb e t w e e n h i l l s l o p ea n d c h a n n e l su s i n gg e o m o r p h o l o g i c a lk n o w l e d g e i nt h ef i r s ts t e p ，w ea n a l y z et h eq u e s t i o nt oc h o o s et h e 鲥ds c a l ed u r i n gt h e r e s a m p l i n gp r o c e s s e sf r o m t h ed i g i t a l i z e dt e r r a i nm a p st og r i d b a s e dd e m t h e s l o p e o ft h et e r r a i ni st h ek e yf a c t o rw h i c hi i f f l u e n c e sf l o wa l g o r i t h m sa n dw eu s et h e g e o s t a t i f i c a lm e t h o d t od i s c u s st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i f f e r e n t 醉ds c a l ed e m a n dc o r r e s p o n d i n gs l o p ei n f o r m a t i o na n dt od e t e r m i n et h ea p p r o p r i a t ed e m s p a c i n g t h ev a r i a n c ec o e f f i c i e n to f p r e d i c t e ds l o p ea tal a go f o n ec e l li su s e dt oa n a l y z et h e s t a b i l i t yo f t h er e g i o n a li n f o r m a t i o ni nt h eg r i ds i z e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er a n g e i n d i c a t i n gt h es p a t i a lc o r r e l a t i o nc a u s e db yt h er e s a m p l i n gi n c r e a s e sw h e n t h eg r i d s p a c i n gi n c r e a s e s ，a n df o rt h es a m el a gd i s t a n c e ，t h es e m i v a r i o g r a mv a l u e sd e c r e a s e f r o mf i n e rt oc o a r s es p a c i n g ；t h ev a r i a n c ec o e f f i c i e n t so fp r e d i c t e ds l o p ea tal a go f o n ec e l la tf i r s td e c r e a s er a p i d l yw i t ht h ed e m s p a c i n gf r o m2 0 mt o6 0 - m ，t h e n i n c r e a s ef r o m6 0t o15 0 m t h el e a s tv a r i a n c ec o e f f i c i e n ti sf o u n d e d a t6 0 - m s p a c i n g a n dt h e6 0 n lc e l l 。s i z ed e mm a yb em o s ts t a b l ea m o n ga l lt h ec e l l s i z ed e m i n r e p r e s e n t i n gt h el a n d f o r m s o t h e6 0 - m s p a c i n gm a y b ea p p r o p r i a t ef o ra n a l y s i so f t h e p r e d i c t e ds l o p ea n d b e c o m e st h eb e s t 鲥ds i z ew h e nu s i n gr e l i e fm a p sw i t hs c a l eo f 1 1 0 00 0 0 , w h i c ht h ei n t e r v a lb e t w e e nc o n t o u r si s 2 0 m e t e r s ，a sd a t as o n l e t ：si nt h e s t u d ya r e a f i v em e t h o d sb a s e do nt h eg r a v i t a t e dw a t e rf l o wt h e o r ya r eu s e dt om o d e j 域e s p a t i a ld i s t r i b u t i o no f t h ea c c u m u l a t e d f l o wi nt h ea l c a , a n dt oe x t r a c tr i v e rn e t w o r k s a u t o m a t i c a l l y c o m p a r e dw i t ht h e r e a l ”d r a i n a g el i n et h a td i g i t i z e df r o mr e l i e fm a p s ， t h ef l o wa n dt h ed r a i n a g en e t w o r k sa r ea n a l y z e dc o m p a r a t i v e l yu s i n g j u d g m e n tb yo u r e y e s ，c o m m i s s i o ne l t o r sa n do m i s s i o ne r r o r s t h ef l o wm o d e l e du s i n gt h edi n f i n i t e m e t h o da n db r m ( b r a a n s c h w e i g e rr e ! i g fm o d e lm e t h o d ) m e t h o dh a ss i m i l m p a t t e r n s i n d r a i n a g es y s t e ms i m u l a t i o n t h e yb o t h h a v et h el i m i t a t i o nf o rt h e d i s c o n t i n u o u sd r a i n a g es y s t e m sp a t t e m ；t h eo t h e rt y p e so fa l g o r i t h m sh a v et h es i m i l a r r e s u l t st h e m u l t i p l e f l o w - m e t h o d f l o wi st h eb e s ta n dt h ed 8 一m e t h o do e ei sb e t l e r m o r e o v e r , t h et h r e s h o l do ft h ea c c u m u l a t e d f l o wi sd e t e r m i n e d u s i n gt h e c o n v e r s i o np o i mo ft h ec u r v eo fs ! o p e - a r e ao ft h ec h a r m e la c c o r d i n gt h a tt h ef f 口e s h o l d i nt h eh y d r o l o g ym o d e l i n gi st h es m a l l e s ta r e as u p p o s e dt h ec h a n n e lo nt h eb a s i so f i t sm o r p h o l o g i c a lf e a t u r e st h er e s u l t ss h o wn st h a tt h es u p p o r t e da r e ai so 0 4 3 k m i n t h i sd a t as o u r c e t h i sa v o i dt a k i n gt h em e a no ft h ef l o wa c c u m u l a t i o ni nt h e w a t e r s h e da st h et h r e s h o l do n l yt og e tt h eb e s tf i g u r ee f f e c tw i t h o u tc o n s i d e r a t i o no f t h ec o n v e r s i o l lo ft h e g e o m o r p h o l o g i c a lp h c n o m e n aa n ds o t h eb e n e rd r a i n a g e n e t w o r kc o r r e s p o n d i n g t ot h e s p e c i a l s c a l et e r r a i n m a p s i sd e r i v e df r o mt h e p e r s p e c t i v eo f t h eh y d r o l o g yp r o c e s sa n dg e o g r a p h i c a ls p a t i a la n a l y s i st h em e t h o d a n dt h er e s u l t sw i l lb ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yf u r t h e r , a st h ep a r a m e t e r so fd i s 扛i b u t e d h y d r o l o g ym o d e l s a n dt h ef e a t u r e so f t h eh y d r o l o g i c a lg e o m o r p h o l o g y k e yw o r d s ：d i s t a le l e v a t i o nm o d e l s ( d e m s ) ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ， s p a t i a l a n a l y s i s ，f l o w d i r e c t i o n a l g o r i t h m ，g e o m o r p h o l o g y , d r a i n a g e n e t w o r k 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所 取得的成果。学位论文中j a i l 用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等， 均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名日期：趟! ! ：4 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大 学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向 国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 ：撒翮签名趣 黾甄1 丝越! 煎 撬 基于栅格d e m 的河厕自动提取研究 第一章绪论 第一节研究背景 地形在水文、地貌、生态过程中起着举足轻重的作用，它控制着水流、沉积 物等物质的迁移和太阳辐射的再分配( m o o r ee t a l ，1 9 8 8 a ) ，进而影响土壤的发育， 水文、地貌、生物等许多自然环境过程，反过来，这些过程又影响着光、热、水 和营养物质的空间分布( w a n gg ，2 0 0 1 ；b a r r y , 1 9 9 2 ；b r o w n ，1 9 9 2 ；f e n g & t h e o p h i l i d e s ，1 9 9 8 ；f e n g ，1 9 9 9 ) 。地形参数的提取直接影响到其他相关参数提取的 准确度和可利用性。除海拔高度外，最重要和最有用的地形信息是地形特征线， 例如：由大自然长期的内外力作用所形成的山脊线和山谷线不仅具有其自身的几 何意义，而且还具有特定的物理意义。从几何方面讲，它构成了地形起伏变化的 分界线，被称为地形的骨架线，在表示地形起伏和地貌特征方面起着重要作用 ( r u d d y ，1 9 8 5 ) ；另一方面，由于山脊线具有分水性，山谷线具有合水性，在地 貌上形成分永岭和河网线，这一物理特性又使它在水文、生态应用方面等有着特 殊的意义。河网线是物质和能量剧烈变化的部位，无论是物质的沉积还是侵蚀搬 运都反映在河网线的形态的动态演化上，如河道的变宽和加长等。同时，河网线 是研究土壤侵蚀和地貌发展的重要地貌特征参数，其动态特征又可作为研究地貌 破碎度和地貌发展方向的一个主要指标。 传统上用来描述地貌形态的是以等高线为主要要素的地形专题图。这些传统 地图是对客观存在的特征和变化规律的一种科学的概括综合和抽象( 张力果等， 1 9 9 0 ) ，与实际的地形存在一定的偏差，而且更新速度慢，现势性差。直接从地 形图或航片中手工提取河网线，不仅工作量大，费时费力，而且主观性很强，容 易受人为影响，有时远非能解决相关的一些问题，例如：在洪水区的水位预测等 应用中流域信息的及时获取非常关键。 进入2 0 世纪，随着空间技术、计算机技术和信息技术的发展，尤其是2 0 世 纪6 0 年代遥感技术的发展，多分辨率( 时间、空间和波谱) 、现势性强的航空影 像和遥感影像等空间数据资源得到广泛应用，同时涌现出大量处理和分析数据的 软件，促使地形的各种数字表达方式得到了迅猛地发展。借助于数字地形表达， 现实世界的三维特征得到充分真实的再现，同时可以进行严密计算和快速演绎 ( 李志林等，2 0 0 0 ) 。数字高程模型( d e m ) 广泛成为g i s 的基础数据，为地球科 学方面理论和应用问题的解决提供了方便。在水文模拟( o c a l l a g h a n & m a r k ， 1 9 8 4 ) ，可视化分析( l e e & s t u c k y ，1 9 9 8 ) 和灾害性制图( g r u b e r & h a e f n e r ，1 9 9 5 ) 等方面都起着重要的作用。基于d e m 的分布式水文模型成为现代水文模拟技术 第1 页 兰州大学硕士学位论文 发展的必然趋势，从d e m 自动提取河网系统的结构特征构成了水文模型参数化 的关键。 d e m 通常有栅格，等高线和不规则三角网三种模式。等高线数据通过地形 图数字化，不能完全由电脑自动生成，更新速度慢，尤其是分析和度量地形的算 法难以实现，通常转化为其他形式来进行分析，直接基于等高线的应用比较少。 虽然不规则三角网形式地形信息量高，冗余度低，强调数据点空间位置的相互关 系，图形显示质量好，精度高，但是由于数据结构和程序设计复杂( 朱庆等，1 9 8 8 ) ， 在一定程度上限制了它的推广应用( 蒋红斐，1 9 9 5 ) 。很少人( 如p a l a c i o s v e l e z & c u e v a s r e n a n d ，1 9 8 6 ；j o n e se ta l ，1 9 9 1 ；w a n gk ，2 0 0 1 ) 从事基于t i n 自动提取河网 的算法的研究。而栅格数据结构简单有效，资料的现势性强，便于空间分析和地 表模拟，所以应用比较广泛，目前大多数环境模拟都是以栅格结构的形式进行分 析处理。 但是，数字高程模型( d e m ) 是利用个任意坐标场中大量选择的已知x ， y ，z 坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，数据记录的是离散的地表三维 点的坐标，并不具有地形特征所具有的物理意义。流域模型需要的是具有物理意 义的连续的特征地貌，如河网，沟头等( 问国年等，1 9 9 8 ) 。另一方面，流域的数 字高程模型以及土地利用现状、植被覆盖、土壤类型和许多重要水文特征参数如 坡度、坡向、水沙运移方向、河网、流域界线等数据被看作是构建流域空间分布 机理过程模型的基本参数( 闾国年等，1 9 9 8 ) 。空间地学模型的建立和应用，离不 开地形信息。地形的起伏、坡度和坡向不仅通过影响地表物质能量的空间分布而 决定着土壤的发育，植被的生长，控制着土壤水分，一定意义上还决定土地的利 用方式；对一个小的汇流区，坡面的产汇流与坡形有直接的关系；而且一个流域 内，各子流域相互间的河网决定流域出流的过程。因此，从d e m 中提取具有精 确定位特征的连续河网线是构建河网、土壤侵蚀、泥沙搬运和径流过程等应用的 关键技术( 钱亚东等，1 9 9 7 ) 。 在水文模拟中，国外从2 0 世纪6 0 年代就开始运用d e m 来提取地形特征， 8 0 一9 0 年代期间取得了飞速的发展。以栅格d e m 为基础数据源，相继出现了各 种提取河网的算法，发展比较成熟，同时开发了许多分析软件。而国内从9 0 年 代开始，重点是对国外软件的简单应用( 李丽，2 0 0 3 ) 。现在的g i s 软件，包括： a r c i n f o ，a r c v i e w ，e n v i ，e r d a s 等大多数处理和分析d e m 数据的软件， 及在水文研究中的专业软件s w a t ，t o p m o d e l ，r i v e r t o o l s 等促进了利用 d e m 进行分布式水文模型参数化方面的发展。 然而，不同的空间尺度有不同的流水地貌关键过程及其控制因素( p h i l l i p s ， 1 9 8 6 ；s c h a f f e 9 1 9 8 1 ) 。当从一个尺度转换成另一尺度时，影晌因子也会发生转化 第2 页 基于栅格d e m 的河网自动提取研究 ( k i r k b y e ta 1 ，1 9 9 6 ) 。例如，小尺度上，对流域水文的影响凶素主要是微地形， 划辐射的关键控制凼素可能是坡度、坡向和方位；较大的尺度经常与环境问题相 联系，例如土壤侵蚀的加速，非点源污染，需要考虑地质层对土壤化学的影响， 天气系统等的影响，在这个尺度上进行相关管理政策的调整。同时，不同的尺度 假设条件4 i 同，简化的假设可能会违背原模型的条件，应该避免将一个尺度的模 型应用于不同的尺度( g r a y s o n ，1 9 9 3 ) 。所以，随着栅格d e m 大量作为数据源， 格网的尺度选择也成为不容忽视的关键性问题。格网尺度是橙格d e m 应用中的核 心问题之一，它直接影响应用的尺度性，影响到产流速率、空间模式及其相应的 地貌过程预测中对水文状况的模拟( g u n t e rb l o s c h l ，2 0 0 1 ) 和对地表的参数化提 取及其结果的可利用性和可对比性。但是很少人去分析和研究不同尺度适应性的 优化选择。理论上，尺度越小，反映的地形信息就越丰富，对地形的表现越逼真， 数据量同时也在呈几何级数增加，这对计算机的存储容量和运算速度提出挑战。 根据数据源和不同的应用目标，如何寻找与数据源的信息含量相匹配的d e m 格 网尺度? 如何处理地形的逼真程度和实现效率之间的关系? 本文应用地统计学 的方法对该问题进行了初步的探讨。 同时，i f l 前大量的分析软件都是基于d 8 算法从d e m 巾自动提取河网。该 算法对自然状态的水流方向进行了极大地概括，将流向限定在4 5 度的倍数方向， 流向太简化，而且这种不精确的流向定义导致河网的流向存在很大的栅格偏差， 水流过分集中，模拟出的汇水区面积因整数倍增长呈跳跃状。为了更准确的描述 自然水流的方向，随后又提出了多种算法。在d 8 算法4 5 度的倍数方向上的基 础上早在t 9 8 5 年b a u e r e ta 1 提出了b r m ( b r a u n s e h - w e i g e r r e l i e f m o d e lm e t h o d ) 方法，该方法认为水流可以从源格网分配到高程较低的邻网格中坡度最大的三个 格网，从而避免水流的过分集中和分散；1 9 9 1 年f a i r f i e l d & l e y m a r i e 在d 8 算法 基础上引入随机变量，提出了r h 0 8 ( r a n d o m i z e ds i n g l e f l o w - d i r e c t i o nm e t h o d ) ， 同时q u i n n 等学者1 9 9 1 年提出了多流向算法( m u l t i p l e f l o w d i r e c t i o n m e t h o d s ) 来克服水流的过度集中，但是由于该方法将水流分配到周围所有较低的格网，水 流又过于分散；1 9 9 2 年l e a ，1 9 9 4 年c o s t a - c a b r a l & b u r g e s ，1 9 9 6 年j e n s o n ，1 9 9 7 年t a r b o t o n 等学者将水流方向扩展到两个方向，分别提出了2 d l e a ( t w o d i r e c t i o n a le d g e c e n t r e d r o u t i n g ) 和2 d j e n s o n ( t w o d i r e c t i o n a lb l o c k e d - c e n t r e d r o u t i r l g ) 方法，d e m o n 算法，和d o ：法( d i n f i n i t e ) 。但是，由于这些算法的 不确定性和模型的简化，只有t a p e s ( t e r r a i na n m y f i sp r o g r a m s f o rt h e e n v i m m e n t a ls c i e n c e s - s o f t w a r e ) 等很少模型运用这些算法来提取河网结构等地形 参数。事实上，不同的算法都有一定的地形适应范围( m a r i a & a r i a ，1 9 9 9 ) 。若是 不考虑地貌特征来纯粹研究算法的合理性和适应性便失去了意义。所以，本文中 第3 页 兰州大学硕士学位论文 通过各种算法模拟出的河网与从地形图提取的相对比，提出了适于本地区的最适 合的算法。 无论是从d e m 对地形反映的逼真程度来分析栅格尺度，还是依据地形来分 析哪种算法更能准确地提取河网，最重要的是要从地貌学学科背景出发，在对地 貌形态的数量分析基础上，探讨各种地貌形态机制，提出具有地貌意义的各种指 标。地貌阈值由s c h u m m ( 1 9 7 7 ) 年首先提出，不少学者在研究的领域中也发现 了地貌阈值。地貌演化过程中，某一要素量值的变化达到一定的限度时，整个系 统会发生突变，这一极限值称为地貌阈值或地貌临界值( 陆中臣，1 9 9 1 ) ，而且对 地貌的各种闽值已经进行了广泛地定量化研究。然而在水文模拟中，o c a l l a g h a n m a r k ( 1 9 8 4 ) 提出在d e m 上将累积流大于某个阈值时的点定义为河道，大多 数阈值都是取全流域累积流平均值，这样可以得到最好的图形效果( 0 c a l l a g h a i l & m a r k ，1 9 8 4 ；t a r b o t o n ，1 9 9 2 ) 。但是，通过任意设置累积流阈值来定义沟头，允 许有多种灵活的选择来确定网络的复杂性。累积流阈值的不确定性，使河网具有 太大的随意性，在此基础上提取的一系列参数不稳定，多种方法提取的河网之间 无法进行对比，而且没有科学依据。在大量的研究中尚未将坡面流和河道流相区 分，例如b a n d ( 1 9 9 3 ) 认为，河网的长度具有任意性，完全取决于尺度问题； m o n t g o m e r y & d i e t r i c h ( 1 9 9 2 ) 认为地形的破碎度受到有限尺度空问的河道化闽 值限制，这个有限空间由地形定义。所有这些都不能准确的描述地形特征，运用 地貌学规律也无法做出解释。本文根据1 9 9 1 年t a r b o t o n 的观点运用地貌学原理 区分了坡面和河道，提出了一种基于物理判别的累积流阈值。河网闽僮指出现水 道的临界汇水面积，是稳定的坡面上在扩散水流增加过程中对坡面进行侵蚀，当 侵蚀量增加到一定的限度，由量变转变为质变，使整个系统发生突变的极限值， 是稳定的坡面流扩散过程与非稳定河道流形成过程之间尺度的转换点，运用河道 坡度0 水面积曲线的拐点定义阈值，从而较准确地提取了河网。 第二节研究区域及数据 1 2 1 研究区域 柴达木盆地地处青藏高原内陆，环境恶劣，交通不便，但它蕴藏着较丰富的 石油、天然气资源，素有“聚宝盆”之称( 伍光和，1 9 9 0 ) 。伴随着石油、天然气 的勘探开发，柴达木盆地的地质演化和成油环境进行过大量研究，而真正从环境 的演化方面，尤其是近几十年来环境的变化对柴达木盆地的影响研究较少。 如图1 1 ，位于9 0 0 0 0 0 0 ，e 9 9 0 3 0 0 0 ”e ，3 4 0 3 0 0 0 n 3 9 “2 0 0 0 ”n 的柴达 木盆地流域呈北西西一南东东方向延伸，长8 5 0 k m ，最宽处4 5 0 k m ，面积约2 5 6 第4 页 基于栅格d e m 的河网自动提取研究 万k m 2 ，其中盆地的面积约1 2 万k m 2 ，! i ；| 地海拔最低处约2 6 7 5 m 。周围由昆仑 山，祁连山和阿尔金山等环绕，形成四周高中心低的内陆流域，高差相当悬殊。 洪积扇和洪积倾斜平原、湖积平原、风蚀残丘、风积地貌，以及干燥剥蚀山地是 盆地内的五种主要地貌类型。5 1 0 0 m 以上地区终年积雪，发育有现代冰川，受构 造运动影响，山体抬升，河床下切形成陡崖：4 2 0 0 m 5 1 0 0 m 范围的冰雪高山， 为多年冻土区；3 2 0 0 m m 4 2 0 0 m 为雨雪中山，3 0 0 0 m 3 2 0 0 m 为风蚀残丘，2 8 0 0 m 3 2 0 0 m 为戈壁平原，地表坡降约为8 1 4 ；在海拔2 8 0 0 m 3 5 0 0 m 的地区， 由于流水侵蚀分割，河流多次改道，使河道蚀余墚地和阶地等地形发育；在2 8 0 0 m 以下，由洪积扇和洪积倾斜平原向湖积平原过渡，具有清晰的层状和环状结构， 地形极其平坦，地表坡降约为2 5 。 图1 1数据源的位置，原始2 0 m 格网的d e m 和高程分布情况图 因流域封闭的地形和典型的大陆性荒漠气候环境特征，该区域的河流在分布 规律、动态变化、补给来源和流域地质等方面都具有独特性。封闭的地形和局限 的流域面积决定了盆地水系的内陆性，形成向心式分布；基于干燥的气候环境， 盆地内部降水稀少，河流源于周围山地的冰雪融水和山区降水补给，地表径流和 第5 页 兰州大学硕l + 学位论文 地下水比较贫乏，河流比较短小；同时由于季m 型降水和暖季冰j 夏季河水猛增，冬季水量枯竭，动态变幅较大；靛地内湖泊较多 影响，湖泊处于数量减少，水位下降的发展趋势，湖泊多为盐湖 水中心。 箭地气候干旱，水量稀少，盐分含量很高等特殊的地理环境 类贫乏，多为旱生和盐生植物( 伍光和，1 9 9 0 ) 。 消融的同步性， 山于气候因素 没有统一的汇 生长的植被种 率文选择柴达水盆地西北缘尕斯库勒流域中的一个子流域( 如图1 1 ) 进行 研究。该流域地形西高东低，豳南东北走向。最高高程点位于该区域的西南方 向，海拔高度达5 3 7 1 m 。从高程分布图看，该区域的高程分布在3 8 2 0 m 一5 3 7 1 m 之间，主要集中在4 0 1 4 m 以上，平均高程是4 3 7 7 m 。虽然该区域位于半丁早区， 但是由于高大山体的影响，形成了该地的山地小气候，5 l o o m 队，：发育有蛾代冰 川，水源比较充足，尤其是夏季季风型降水和暖季冰川消融的同步性，水量猛增， 对当地的地形起到一定的塑造作用，形成辱种沟壑地形。 基于水流的重力作用原理，其流速和能量主要受到坡度影响，本文主要分析 ，坡度地貌因子，研究区域的坡度及分布情况如图12 和图13 。从图中可蛆看 出，由丁区域位于高山峡谷中，坡度集l | _ l 在7 3 7 度之1 1 _ i 】，以1 5 - 3 4 度的地形坡 度为最多，、f 均坡度是2 2 8 度，在周围山地坡度较大，在河谷低处，坡度很小。 圈1 , 2原始2 0 m 格网的d e m 的坡度翻 图1 3 原始2 0 m 格网的d e m 的坡度直方圈 第6 页 基于栅格d e m 的河网自动提取研究 1 2 2 数据处理 本研究收集柴达木盆地子流域尕斯库勒湖流域1 ：1 0 万比例尺的地形图数 据，在r 2 v 环境中采用半自动矢量化方法采集矢量等高线、高程点、河流、湖 泊等图层，采用国家基础地理信息系统标准编码与数据命名方式，在a r c i n f o 环境下投影和统一管理( 王东华，1 9 9 9 ) 。其投影参数如表1 1 所示 表1 1数据组织中所采用的投影类型及相关参数 投影方式 l a m b e r tp r o j e c t i o n 参考椭球体k y d s o v s k ys p h e r o i d 单位 m 中央经线 9 6 。0 0 0 0 ”e 原点纬线 0 0 0 0 0 0 0 ”n 标准纬线( 第一条；第二条) 3 4 0 0 0 0 0 n ；3 8 0 0 0 0 0 ”n 假东5 5 0 ，0 0 0 m 假北 0 m a r c i n f o 中提供了两种连续表面数据模型：t i n 模型和g r i d 模型 ( e s r i ，1 9 9 2 ) 。t i n 模型用于产生、存储、分析和显示不规则地表信息，可以根 据多种多样的表面数据产生表示不连续面、断线或无数据区，具有存储量低、地 形信息高等特点，同时也可以进行容积、断面等地形分析和立体地形显示。但是， 由于t i n 本质上是一种网络，强调数据点空间位置上的相互关系，高度、坡向、 坡度等地形信息隐含于t i n 模型中，在进行较为复杂的空间分析中，t i n 模型不 适合。g r i d 是a r c i n f o 软件中一种重要的栅格数据模型，通过地图代数语言 提供复杂空间分析功能，同时采用流程编码，具有处理速度快、存储量低等特点。 李志林( 2 0 0 0 ) 的研究表明在各种数字地形模型表示方法中由等高线转化为t i n ， 再由t i n 转化为规则格网的形式，精确度最高。所以，先从等高线、高程点、 河网线、山脊线、湖泊、河流等矢量c o v e r a g e 生成t i n 模型，再提取g r i d 数据模型，利用g r i d 丰富的空间分析功能进行模型分析。 在本研究的数据处理中，对于矢量的等高线、高程点、河流网络数据在 a r c i n f o 环境中利用t i n 模块c r e a t e t i n 命令进行综合处理( e s r i ，1 9 9 7 ) 生成不规则三角网，其中在构建t i n 之前对等高线数据先进行样条内插处理 ( d e s m e t 1 9 9 7 ) ，可以提高构建t i n 的全局与局部地形连续性，通过仔细比较选 择相关容差参数，以构建尽可能包含现有数据信息在内的t i n 数据层。根据不 同比例尺数据源等高线的等高距与矢量化过程中的可能误差( 约0 2 m m ，l ：1 0 第7 页 兰州大学硕士学位论文 万比例尺数据的实际距离2 0 m ) ，由g r i d 模块t i n l a t t i c e 命令进行线性内插 离散化，分别生成为2 0 m 、4 0 m 、6 0 m 、1 0 0 m 、1 5 0 m 、2 0 0 m 和4 0 0 m 等7 种格 网尺度大小的栅格数字高程模型。在数字高程模型的基础上，可以提取多达1 7 类地形特征因子( m o o r e ，1 9 9 3 ；w i l s o n ，2 0 0 0 ) ，本研究中根据需要提取了坡度、坡 向、水平曲率、垂向曲率等地形因子，数据转换流程如图1 4 所示。 图1 4生成d e m 及其地貌因子的数据处理流程 1 2 3 硬件软件环境 以m sw i n d o w s 为软件平台，i n t e l 系列c p u 为处理器的p c 机为主要硬 件进行研究，研究中的主要软件系统包括： 1 r c g i s 9 及g r i d 、g e o s t a t i s t i c s 与t a u d e m 扩展及r 2 v 矢量化软件 2 a r c v i e w 3 2 及s w a t 、s p a t i a l 、3 d 扩展 3 r i v e r t o o l s 2 4 4 d i o e m 5 e x c e l 第三节研究的目标及拟解决的问题 本文初步讨论了运用栅格数字高程模型提取河网地貌信息的三个关键环节， 即：1 栅格数字高程模型格网尺度的选择如何影响河网线的准确性提取；2 通 第8 页 基于栅格d e m 的河网自动提取研究 过对一系列基于水文模拟的算法进行比较来获取累积流参数提取的较好算法； 3 如何确定地貌学意义上的累积流量闽值。由此，本论文的研究目标是： 1 评价各种尺度的格网与地形图地貌信息的匹配程度，得出特定比例尺地 形图转换成的较好格网d e m 的尺度； 2 比较基于栅格d e m 自动提取河网的各种流向算法，提出适合本研究区 的算法； 3 区分河道流和坡面流，提出地貌学意义上的累积流量阈值。 通过研究表明，格网尺度的正确选择与所提取的目标信息反映程度有直接的 关系，同时进行各种算法比较，提出与现实地形相匹配的阈值。这不仅可以为水 资源的管理和决策提供较为准确地可视性分析和预报，同时进行土壤、营养元素 和污染物等物质在地表景观中流动所涉及的水文学、地貌学和生态学等学科问题 的评估及程度分析，为各种水文模型提供恰当的关键参数，尤其是降水较集中的 干旱与