（地图学与地理信息系统专业论文）水文响应指数构建与topmodel参数空间规律研究.pdf

摘要 水文模型中，由于流域存在着较大的空间差异性，通常需将流域离散成较小 的、其特性相对均一的空间单元。空间离散化是分布式流域建模的核心研究内容 之一。g i s 和r s 技术的发展为流域水循环要素空间信息的获取提供了崭新的手 段和方法，它使得利用流域的地形、地貌、土壤覆盖、植被分布等地理信息来分 析和确定模型的参数，以及在无资料地区进行水文模拟分析成为可能。 本文以洛河流域为研究区，构建水文响应指数用于流域的空间离散化，在考 虑流域形态特征的基础上，又考虑了流域的物质组成特征，从而为实现流域空间 离散化提供新的方法。通过水文响应指数以及自然地理要素与各参数建立的相关 模型可以反演出整个研究区的参数空间分布状况，为该流域无资料地区的参数确 定提供新的手段，具有一定的现实意义。 本文中的一些主要研究内容和研究成果如下： ( 1 ) 较为详细的研究了综合利用g i s ，r s 技术和d e m 提取流域下垫面信 息。试验结果表明，利用g i s 和遥感技术提取土地利用及覆被变化信息，地表反 照率和地表蒸散发等下垫面特征参数，可以充分考虑流域下垫面因素对水文过程 的影响，实现高效率，高精度的提取流域下垫面信息。 ( 2 ) 引用地形指数和c n 值构建水文响应指数( h r i ) ，并分析其与地表反 照率，地表温度，地表蒸散发等因素的关系，从而探讨其物理意义。利用构建的 h 砒与n d v i 进行空间叠加分析，划分水文响应单元，实现洛河流域的空间离散 化。试验结果表明，这种离散化方法是一种行之有效的流域空间离散化方法。 ( 3 ) 本文采用构建的水文响应指数和一些自然地理要素与模型参数分别建 立相关关系，利用此关系反演出模型的各个参数，从而初步探讨模型参数的地理 分布规律，为无资料地区参数的确定提供参考。选择长水子流域进行检验，结果 表明，由相关关系推求模型参数的方法是切实可行的，这对于无资料地区模型参 数的确定有着重要意义。 关键词：下垫面信息提取；水文响应指数；空间离散化；水文模型参数：空间分布 a b s t r a c t s i n c et h el 鹕e s p a c ed i 虢r e n c e s o ft l l ew a t e r s h e di nt l l e h y d r o l o g i c a l m o d e l ，w a t e r s h e di su s u a l l yd i v i d e di m os m a l l e r 锄dr e l a t i v e l yh o m o g e n e o u ss p a c eu i l i t s p a t i a ld i s c r e t i z a t i o ni so n eo ft h ec e n t r a lr e s e a r c ho ft h ed i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l t h ed e v e l o p m e n to fr sa l l dg i st e c h n 0 1 0 9 y sh a sp r 0 v i d e dan e ww a ya n dm e t h o dt o a q u i r es p a c ei n f o n t l a t i o no ft h ew a t e rc y c l ei nt l l ew a t e r s h e d i t sp o s s i b l et oc a l c u l a t ea 1 1 d a i l a l y z et h ep a r a m e t e r so fm o d e lu s i n gt h eg e o 伊a p h i ci n f o n n a t i o ns u c ha st o p o g r a p h y 、 t e m i nf e a t u r e s 、s o i l 够p e s 、d i s t r i b u t i o no fv e g e t a t i o na i l ds oo n a l s ol l y d r o l o g i c a l m o d e l i n ga n da n a l y z i n gi nt h ea r e aw i t h o u ti n f o m a t i o nc a l lb ep r o c e e d e d c o n s i d e r e dt h em o 印h o l o g ya n dp h y s i c a lc o m p o s eo ft h ew a t e r s h e d ，h y d r o l o g i c a l r e s p o n s ei n d e x ( h i u ) w a se s t a b l i s h e da 1 1 du s e df o rm es p a t i a ld i s c r e t i z a t i o n i t san e w m e t h o di nt l l el u o h er e s e a r c ha r e a p a r 锄e t e r ss p a c ed i s t r i b u t i o nw i l lb er e n e c t e db yt h e r e g r e s s i o nm o d e le s t a b i l i s h e db yh r u 、e l e m e n t so fp h y s i c a lg e o g r 印h y a n da i l da u p a r 锄e t e r s i ts u p o r t san e ww a ya 1 1 di sa c t u a lt oc a l c u l a t ep a r 锄e t e r si nt h ew a t e r s h e d w i t h o u ti n f o n _ 1 1 a t i o n t h em a i nc o m e n t sa l l dr e s e r c hr e s u l ta r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 、 i n f b n n a t i o no fu n d e r l y i n gs u i f a c e 、v a sa c q u i e dw i t ht h eh e l po fg i sa n dr s t e c h n o l o g y si nt h i sd i s s e i r t a t i o n e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a ta c q u i r i n gi i 怕m l a t i o no f v 撕a 1 1 c eo fl a n d u s e 、a l b e d oa n ds 比f a c ：ee v 印o r a t i o no nt h ec o a tt a i l so fg i sa 1 1 dr s t e c l l i l o l o g y sc a l ls u m c i e n t l yc o n s i d e rt h eu n d e r l y i n gs u m c ei n n u e n c eo fh y d r o l o g y p r o c e s s ，a i l da q u i r e di i 面m a t i o no fu 1 1 d e r l y i n gs u r 蠡犯ee 颤c i e n t l ya l l dp r e c i s e l y - ( 2 ) 、t o p o 聊h yi n d e xa i l dc nw e r eu s e dt oc o n s t m c th y d r 0 1 0 9 i c a lr e s p o n s e i n d e x ( h ) ，r e l a t i o n s l l i po f w h i c ha n da l b e d o 、s u r f a c et e m p e r a j c u r e 、s 删f a c ee v a p o r a t i o n w a ss t u d i e d h r ia 1 1 dn d v lw a ss t a c k e df o rs p a t i a la 1 1 a l y s i st od e v i d eh y d r 0 1 0 9 i c a l r e s p o n s eu i l i t ( h r u ) ，锄ds p a t i a ld i s c r e t i z a t i o no fl u o h ew a sc o m p l e t e d r e s e a r c h i n d i c a t i e dt h a ti tw 邪a ne 伍c i e n t l ym e m o dt or e a l i z es p a t i a ld i s c r e t i z a t i o n ( 3 ) 、r e g r e s s i o n sm a d eb yh 趾ds o m ee l e m e n t so fp h y s i c a lg e o g r 印h yo rm o d e l p 觚u n e t e r sc a i lc a l c u l a t ee a c hm o d e lp 蹦l i l l e t e r s ，s og e o g r a p h i c a ld i s t m u t i o nl a wc a nb e f o u l l dp r e l i m i n a r ya i 】l da sar e f - e r e n c ef o rt l l o s ea r e aw i 也o u ti n f o m a t i o n c h o s e nt 1 1 e l i c h a l l g s h u ir i v e rs u b - w a t e r s h e da sa l lt e s ta r e a ，t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t “sm e m o dw 嬲 f i e a s i b l e ，a 1 1 di tw a sg r e a ts i g n i f i c a n tf o rt h o s ea r e a 、 ，i t h o u ti o 珊a t i o nt oc a l c u l a t em o d e l p a r a m e t e r s k 叼聊o r d s ： i i l f o m a t i o ne x t r a c t i n go fu 1 1 d e r l y i n gs 眦f a c e ； h y d r o l o g i c a lr e s p o n s ei n d e x ( h r i ) ； s p a t i a ld i s c r e t i z a t i o n ；h y d r o l o g i c a lm o d e lp a r 锄e t e r s ；s p a t i a ld i s t r i b u t i o n l i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 6 年6 月9 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年6 月9 日 河海大学硕士学位论文 水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 1 1 研究背景和目标 第一章绪论 在流域地理过程建模的研究中，针对不同空间处理方式，流域模型被普遍分 为集总式参数模型和分布式参数模型。目前，分布式参数模型已成为流域过程模 型发展的主流，其中，空间离散化方法研究则是分布式流域建模的核心研究内容 之一。 自然状态的流域特征是非常复杂的，流域内部各地理要素和地理过程存在着 较大的时空变异，如何对这种时空变异进行描述和体现，就是所谓的流域空间离 散化。在流域建模模拟研究中，将整个流域离散成较小的空间单元，模型在每一 个空间单元上运行，在一定的离散尺度下，可以认为在每一个空间单元内部，各 影响因子的属性是相对均一的，具有相似的地理过程响应。当前水文模型研究工 作的重点已放在反映水文变量与参数空间变化的分布式流域水文模型上，这就有 必要将流域离散成更小的水文单元并得到更多离散子域，这种分布式模型考虑了 流域参数的空间分异特性。故构建分布式水文模型框架的关键问题是水文单元划 分以及空间参数确定等问题，空间离散方式的选择直接影响到流域模拟精度。 在过去的二三十年里流域水文模型得到了长足的发展，在生产实践中，也得 到了广泛的应用。然而，模型应用时往往需要一定长度的观测资料去识别模型参 数。因此，在无资料地区或资料缺乏地区，水文模型的应用受到了很大的限制。 g i s 及r s 的发展使得利用流域的地形、地貌、土壤覆盖、植被分布等地理信息 来分析和确定模型的参数，以及在无资料地区进行水文模拟分析成为可能。对于 这种无资料情况，研究产汇流及流域模型参数的区域规律十分重要。通过对土地 覆盖、植被分布规律和地形分布规律的研究，寻求这些自然地理要素以及水文响 应指数与产汇流参数的关系。在此基础上反演出流域水文模型参数的空间分布。 因此，以g i s 为基础寻求模型参数空间移用规律具有深远的现实意义和广阔的 应用前景。 地理信息系统技术和遥感已成为较成熟的方法应用于水文模型，并在水文模 型中发挥极其重要的作用【l 】。地理信息系统可以用于输入、编辑、显示空问型和 非空间型的地理数据；可以进行各种查询、检索、统计；同时它还具有很强的分 析功能，包括地理信息系统中特定意义的空间分析，如空间数据的叠加分析、缓 冲区分析、网络分析、地形分析等【2 l 。遥感技术可提供精确的背景观测数据【3 4 1 主要是地形数据和土地利用分布数据。同时，流域经离散之后，遥感技术有助于 河海大学硕士学位论文 水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 水文参数和水文变量的自动获取。 本论文的选题就源自黄河水利委员会项目“黄河小花间洪水预报系统 的子 项目，该子项目旨在研究g i s 技术和r s 技术与流域水文模型的集成，利用g i s 和r s 处理后的数据作为分布式流域水文模型建模与参数率定时的数据支持。正 是在这种认知和背景下，笔者选择t o p m o d e l 模型，以三花间的洛河流域为实 验区，进行了流域模拟的研究。文章以流域空间离散化为核心，构建了水文响应 指数，分析了其所具有的地学意义，探讨了该指数与模型主要参数的关系，得到 其空间分布规律，为水文模型和g i s 以及r s 的集成提供了新的手段，有着较为 现实的意义。 1 - 2 国内外相关研究现状与进展 流域模拟研究，是多学科的交叉领域，从其研究内容上而言，是属于传统水 文模型研究内容基础上的扩展。客观地说，国内外在这个领域的研究，目前都处 在不断摸索和完善阶段。 就目前的研究来看，国外g i s 与流域模型的结合主要表现为两种方式。即 g i s 软件中嵌人流域水文分析模块和流域模型软件中嵌入g i s 工具的形式。与 传统的分布式模型差异最大的特点是d e m 和数字地形分析技术的应用。d e m 常被用来进行表面水文分析建模、生成流域河网、子流域的划分与流域界限的确 定等方面的流域分析工作。而其他流域模拟过程中需要的参数如流域地形参数与 河道地形参数( 包括子流域坡度、坡面长度、河道坡度、河道长度和河道宽度) 等同样可以由计算机辅助确定。现在已经出现了许多商业化的集成软件和专业软 件。如e s 砌提供的h y d r o 模块、r s i 提供的鼬v e rt 0 0 l s 以及美国b r i 曲撇y o u n g 大学开发的专业水文模拟处理软件w m s ( w 乱e r s h e dm o d e l i n gs y s t e m ) 模型系 统。随着g i s 技术的发展。具有更高分辨率的分布式参数模型将成为目前流域 模型发展的主流。典型例子有：w e p p ( w 砸e re r o s i o np r e d i c t i o np 0 1 l u t i o n ) 模 型，a n s w e r s ( a e r i a ln o n p o i n ts o u r c ew l t e r s h e dr e s p o n s es i m u l a t i o n ) 模型， s w i u t b ( s i n m l a t o rf o rw 缸e ri 沁s o u r c ei ni 沁r a lb a s i n s ) ，s w a t ( s o i la i l dw a t e r a s s e s s m e n tt 0 0 1 ) 模型等【蹦j 。 国内研究人员已经做了大量的工作，涉及产水、产沙的物理机理研究【9 1 0 】； 相关影响因子的实验研究【1 l - 1 3 】；模型的创建和改进研究【l 舢1 5 】；在不同时间尺度、 不同空间尺度以及不同地域的应用研究【蛉1 8 】；以及遥感、g i s 技术综合应用研究 等多个方面【1 9 2 6 】，并取得了长足的进步。在模型的应用过程中，需要对模拟地理 空间进行离散化，这是最基本的过程却也是保证模型正确、顺利运行的最关键的 过程口7 。早期的此类工作是在各类地图上手工完成的，这也是分布式模型发展 2 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空问规律研究 所受到的主要限制，但是遥感与g i s 技术的飞速发展给分布式建模技术带来了 发展契机。我国学者卜兆宏采用i 砌s l e 的模型结构1 2 引。建立并完善了各因子的 算法。将遥感数据引入到模型因子计算中。使象元中包括了土壤侵蚀的各个因素， 减小了人为定级的主观性；初步实现了r s 、g i s 与流域侵蚀模型的结合，使 l m s l e 更具动态性和开放性，为在更大区域应用推广侵蚀产沙模型提供了一条 思路。但是r u s l e 是个静态模型，而不是过程模型，难以考虑到下垫面因素 对模型的影响。武汉大学的王中根等人在分布式流域水文模型的一般结构【2 9 l 一文中系统地论述了分布式流域建模的一般结构和研究思想，但只是在理论上进 行了讨论，没有进一步的研究成果问世。武汉大学的郭生练等人与河海大学任立 良等人分别提出和建立了基于d e m 的分布式流域水文物理模型。这种模型在基 于d e m 的前提下将流域划分为网格单元，在每一个网格基础上建立各物理过程 之间的联系，并取得了满意的模拟结果。但是，其没有考虑空间离散方式对模拟 精度的影响，即只考虑了流域的形态组成，而没有考虑流域的物质组成。国内遥 感及g i s 技术在流域径流模拟方面的应用，主要集中在运用遥感资料获取流域 水文模型的输入和参数率定方面。如王燕生1 3 0 j 利用陆地卫星影像获取下垫面资 料，应用气象雷达探测雨区及相应的面雨量，但没有详细的描述空间离散化方式 对模拟精度的影响，同时，也没有讨论不同的面雨量计算方法对模拟精度的影响； 徐雨清【3 、魏文秋【3 2 】等通过遥感技术获取植被和土地利用状况等，虽然获取的 土地利用状况等资料可以用于参数的率定，但没有考虑到参数的不确定性以及地 形地质条件等的影响。 目前比较成熟的离散化方法主要有子流域离散化，坡面离散化以及格网离散 化方法【3 引，本文采用基于水文响应单元的子流域离散化方法。 水文响应单元是在子流域基础上的进一步细化，不同的水文响应单元是一系 列空间分布的、各向结构非均一的空间实体，每一个空间实体内部具有共同的气 候特征、土地利用方式以及土壤一地形一地质的组合，而且这种组合控制其水文 动态过程【3 4 】。这个概念的引入，使得分布式流域模型的特点更加突出。 坡面离散化方法主要模拟山坡的过程，是在子流域基础上的一种空间细分， 用来模拟细节。要求将子流域内部划成单一地面覆盖、单一土壤类型的区域。适 用于小范围的细节模拟，如滤土带、动物供水点等等【3 5 1 。 格网离散化方法用来模拟地理因子在空间上的细微变化对地理过程的影响 反应了各地理因素的空间变化对地理过程的影响。尤其强调了模拟的空间定位精 度。格网尺度的大小非常重要。格网的尺寸要小到足以表示地面覆盖和土壤类型 等地理因素在空间上的微小差异，又要大到可以获取各种参数、运行模型的水平。 这种方法主要用来研究地块尺度的地理过程或进行较小的、简单流域的试验研 3 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 究，结果分析可以精确到点位上，应用到大的复杂流域，数据量非常大，如何优 化改进，有待进一步研究。 以上各种离散化方法是和不同的研究目标相对应的，有着具体的适用范围。 要根据实际的研究目的来分别采用或综合采用。 我国一些地区没有历史水文资料，进行洪水预报存在一定的困难。对于这种 无资料情况，研究产汇流及流域模型参数的区域规律十分重要。近年来，随着 r s ，g i s 技术的发展，国内外学者也相继进行水文参数空间分布规律的研究，并 取得了一些重要成果。h e l m s c h r o t ( 2 0 0 2 ) 【3 6 j 等研究基于不同尺度的遥感数据获 取水文模型的输入参数；c 锄p o ( 2 0 0 6 ) 【3 7 j 等将遥感影像作为分布式水文模型 m o b i d i c 的数据支持，利用多平台，多时相的遥感数据来获取水文模型所需的 参数，并选择意大利的亚诺河流域为研究区进行验证。国内也有许多学者进行了 相关的研究，夏自强( 1 9 9 8 ) 【3 8 】通过分析自然地理信息与确定性水文模型参数 之间的关系，实现利用自然地理信息来确定模型参数；江东( 2 0 0 3 ) 【3 9 j 等利用 静止气象卫星g m s 一5 和风云2 号数据，对黄河流域的降水量，蒸散量进行了遥 感反演，并用地面实测资料进行检验；张行南( 2 0 0 5 ) 【4 0 j 等以g i s 为平台，利 用汇流参数与地形特征值的相关关系来确定模型参数，进行水文模拟。但是，他 们只是求取了模型参数的值，而没有详细探讨模型参数在整个流域上的空间分布 规律。本文利用相关关系反演出模型参数，并分析其在流域空间上的分布规律， 以便更好的分析下垫面地质，地貌，植被，土壤等自然地理特性以及对水文过程 的影响。 1 3 研究内容与结构安排 1 3 1 研究内容与技术路线 分布式水文模型的关键问题是水文单元的划分以及空间参数的确定，水文单 元的划分即空间离散是分布式流域模拟的重要环节，其离散方式的选择直接影响 到流域模拟精度。本文利用构建的水文响应指数进行流域空间离散化，选用 t o p m o d e l 模型进行径流模拟，并初步推求了模型参数的地理分布规律。首先 利用基于c a n 模型多特征集决策树自动构建的分类方法对洛河流域三期遥感影 像进行土地利用分类，为后续工作提供数据源；然后，利用地形指数与c n 值构 建水文响应指数，并应用于基于水文响应单元的流域空间离散化，构建 t o p m o d e l 模型模拟并选择典型流域进行检验；最后，在g i s 和r s 平台上， 分析了自然地理要素以及水文响应指数与模型主要参数的相关关系，并根据此关 4 河海大学硕士学位论文 水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 系反演出模型参数的空间分布规律。本文研究的主要内容有以下几点： ( 1 ) 综合利用g i s ，r s 技术以及d e m 进行流域下垫面信息提取。 ( 2 ) 水文响应指数是本文为实现水文响应单元划分而构建的一个综合性指标， 它是地形，土壤以及土地利用等因子对水文过程影响的综合反映。本文引入地形 指数和s c s 模型中c n 值两个因素来构建水文响应指数。并分析水文响应指数 与各个地表时空要素的关系，探讨其物理意义，同时将水文响应指数与植被指数 进行空间叠加分析，进而划分出水文响应单元进行洛河流域空间离散化。 ( 3 ) 流域的空间离散化是本文研究的核心内容，其离散化的好坏直接影响到流 域模型模拟精度的高低。本文采用流域一子流域一水文响应单元的空间离散方式 进行洛河流域的空间离散化。水文响应单元的划分可以采用空间统计叠加的方法 和图层空间叠加方法。本文采用图层空间叠加方法划分水文响应单元，在其中加 入水文响应指数和植被指数两图层进行空间叠加分析，使得叠加后每个水文响应 单元具有比较单一的物质组成，从而使模拟的精度达到每一个水文响应单元。这 种离散化方式不仅考虑了流域的空间形态，而且还考虑了流域的物质组成，为流 域的离散化工作提供了新的手段。最后对基于水文响应单元的流域空间离散化和 基于格网的空间离散化进行了比较分析。 ( 4 ) 利用相关关系法反演模型主要参数并探讨其地理分布规律。本文利用构建 的水文响应指数以及植被、地形等因子与模型各参数进行相关性分析并建立相关 模型，分析了模型参数的地理规律，以此推求无资料地区的模型参数，并选择典 型子流域进行验证。 本文技术路线如图1 1 所示。 5 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 1 3 2 本文结构安排 图1 1 技术流程图 本文共分为六章，第一章绪论主要阐述了研究背景与目的，国内外相关研究 进展与现状，本文的研究内容，研究区概况与数据源；第二章主要阐述了流域的 下垫面信息提取。主要包括遥感数据的顸处理和遥感影像土地利用分类以及精度 检验，子流域的提取，地表温度，地表反照率，地表日蒸发，植被覆盖度以及流 域坡度等下垫面特征参数的提取；第三章主要是基于水文响应指数的流域空间离 散化，主要包括水文响应指数的构建以及它与地表关键时空要素( 地表温度，地 表反照率，地表蒸发，n d v i ) 的关系，水文响应单元的划分；第四章主要是基 于t o p m o d e l 模型的流域径流模拟研究。主要包括t o p m o d e l 模型的基本原 理及计算流程，t o p m o d e l 模型在洛河流域上的模拟结果，选择灵口子流域进 行径流模拟验证，以及不同的空间离散化对径流模拟精度的影响；第五章主要是 流域水文模型参数的地理规律分析。主要包括自然地理要素与模型参数的相关性 分析，水文响应指数与模型参数的相关性分析，并选择长水子流域进行验证；第 六章主要是本研究的结论以及对流域模拟的展望。 6 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 1 4 研究区与数据源 1 4 1 研究区概况 洛河是黄河小浪底水库以下的最大支流，洛河干流在陕西省有两条，西干流 发源于蓝田县灞源乡，北干流发源于洛南县洛源乡，汇合后经陕西省的洛南县和 河南省的卢氏、洛宁、宜阳、洛阳市区、郊区、偃师、巩县，在神堤村注入黄河。 干流长4 4 6 9k m ，流域总面积为1 1 7 7 2 6 7 簖，多年平均径流量3 4 2 2 亿m 3 。土 壤类型以棕壤、褐土为主，天然植被较好，除岩石裸露外，大部分是天然次生杂 木林。根据1 9 7 1 2 0 0 0 年资料统计，流域内多年平均降水量为7 2 0 n l l i l ，多年平 均水面蒸发量为9 6 6 m m ，降水量年内分布不均，一般集中在6 9 月，占全年降 雨量的5 5 6 5 ，春秋次之，冬季最少，仅占3 1 4 ，从长系列来看，降雨可 控制径流的8 0 左右，除降雨以外的其他因子控制径流的2 0 左右；分年代来 看，各年代降雨控制径流的程度有所不同，8 0 年代在9 0 左右，9 0 年代在7 0 左右；从年内各时期来看，汛期降雨控制径流的程度大于非汛期。这说明降雨对 径流的控制作用与雨量的多寡有关。该流域为半湿润地区，流域面积大，既有石 林山区，又有黄土丘陵和冲积平原区，下垫面因素如包气带厚薄，土壤性质，植 被，降雨开始时的土壤含水量等各地差异较大，再加上降雨量，降雨强度及时空 分布也不一致，因此该流域的产流机制也较为复杂【4 l 】。 研究区地理位置及影像覆盖范围如图1 2 所示： 10 5 e1 17 e 4 1n 3 1n 10 5 e 1 17 e 图1 2 研究区地理位置 7 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 1 4 2 数据源 ( 1 ) 遥感数据分别是1 9 8 0 年两景m s s 影像，1 9 9 0 年8 月2 2 日和1 9 8 7 年7 月6 日的两景t m 影像和2 0 0 0 年5 月2 1 日和2 0 0 2 年4 月2 日的两景e t m 影像。遥感影像覆盖了整个洛河流域。2 0 0 0 年e t m 遥感影像的5 ，4 ，3 波段合 成图如图1 3 所示。 图1 3 e 1 m 影像5 ，4 ，3 波段合成图 ( 2 ) 水文数据地面观测资料主要包括研究区内6 2 个雨量站和8 个流量站， 涉及1 9 8 0 2 0 0 2 年的日流量，日降雨以及日蒸发实测数据( 当中有些年代缺测) ， 流量站符号包括卢氏、灵口、长水、故县水库、韩城、宜阳、新安和白马寺。站 点的地理分布如图1 4 所示。 图1 4 站点地理分布图 ( 3 ) 气象数据气象资料由中国气象科学数据共享服务网提供( 网址： 逝；丝盘：璺堡垒：g q 旦曼型) ，具体包括日降雨，日蒸发数据。 ( 4 ) d e m 数据d e m 数据的空间分辨率为3 0 m ，该流域地势西南高东北低， 由于山脉的分割，形成了中山，低山，丘陵，河谷，平川和盆地等多种自然地貌 河海大学硕上学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 和东西向管状地形。平均高程为8 1 3 3 1 米，如图1 5 所示。 图1 5d e m 影像图 ( 5 ) 其他数据如水系分布图、地形图、土壤数据由黄河水利委员会水文局提供。 地表温度，反照率等数据由m o d i s数据共享网 ( b 笪p ；丛堡鱼璺i 堡坠凸凸坠曼坠g ：g q 进堕型i 塑s 型曼! 曼q 堡星) 提侈。 9 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 第二章流域下垫面信息提取 2 1 土地覆盖与土地利用分类 2 1 1 遥感影像预处理 影像的预处理是遥感影像信息提取的前提，为了提高分类精度以及计算方便 等，在进行信息提取之前，需要对原始影像进行必要的预处理【4 引，主要包括辐 射校正和几何校正。 ( 1 ) 几何校正。遥感图像几何精校正过程包括以下两步【4 3 j ： 第一步，确定地面控制点( g c p ) ，即在原始畸变图像空间与标准空间寻找 控制点对。一般选择在图像和地图上都容易识别和定位的明显地物点，如道路、 河流等交叉点，田块拐角，桥头等。控制点要有一定的数量，并且要求分布比较 均匀，丘陵山区应尽可能选在高程相似的地段。 第二步，选择畸变数学模型，并利用g c p 数据求出畸变模型的未知参数， 然后利用此畸变模型对原努畸变图像进行几何精校正。在本文中采用二次完全多 项式，纠正时重采样选择双线内插的数学模型。校正多项式的表达式为： 而= 彳+ 昼x + c 】，+ 删2 + e x 】，+ f 】，2 ( 2 1 ) = g + 删+ 口+ 肛2 + 天x y + 三】，2 ( 2 2 ) 利用洛河流域的1 ：5 万地形图，分别选取了2 5 3 0 个控制点，采用双线性 内插法，对影像进行纠正。为了保证几何纠正的精度，尽量使控制点分布均匀， 且覆盖整个研究区域，算出控制点平均误差距离为均小于0 5 个像元，单点误差 均在一个像元之内，达到了误差在半个像元之内。采用最邻近点插值法进行重采 样，最后得到校正后的影像。 ( 2 ) 辐射校正。辐射校正分为多种级别【4 4 1 ，最基本的处理是将传感器记录 的d n 值转换成传感器上的辐射值，该步骤需要传感器的校正信息。然后是将传 感器上的辐射值转换为地球表面的辐射值。该步骤比较难以实现，因为在转换过 程中通常需要知道图像获取的时候当地的大气条件信息。最后通过地形校正，得 到地表反射率。 辐射校正包括辐射定标和大气校正。引起辐射畸变有两个原因：一是传感器 仪器本身产生的误差；二是大气对辐射的影响。 本文采用6 s 模型对影像做了遥感影像的大气校正，具体步骤如下： 首先利用手动计算定标将d n 值转换成星上反射率。 l o 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 然后利用6 s 模型，输入相应参数，获得该波段的地面反射率与大气顶层反 射率的回归关系式，再利用波段运算将大气顶层反射率校正到地表真实反射率。 本文选取了o 0 2 为间隔作回归曲线，一共取了4 0 个间隔。得出线性关系式 后，将该波段的大气顶层反射率值代入，即获得了地表真实反射率，从而完成了 大气校正。 ( 3 ) 地形校正。在遥感应用中，精确的地形校正十分重要，因为其校正的 结果不仅可以提高分类精度，而且还是遥感应用的前提【4 5 1 。近十几年来，研究 人员做了大量的研究，都尝试规范和减小地形的坡度坡向对影像的影响【4 6 j 。 众所周知，地表辐射能量和传感器所接收的信息要受到地形起伏的影响，特 别是对于山区，由于地形起伏使相同的地物影像呈现出不同的亮度值，这不仅会 给影像准确分类带来困难，也会影响地表反射率反演的精度【47 1 。目前的地形校 正主要是基于太阳入射角的余弦校正，其基本思想是把影像上存在起伏地形影响 的像素的d n 值校正到水平地面影像的d n 值。 本文利用e r d a s 8 7 地形校正处理模块对遥感影像进行了地形校正处理。地形 校正处理应用朗伯体反射模型来部分消除地形对遥感图像的影响，由于地形坡度 坡向和太阳高度角，方位角的影响，遥感图像特征会发生畸变，在拥有d e m 数 据和已知太阳高度角方位角的前提下，对遥感影像进行地形校正处理，可以部分 消除地形影响。太阳光线和地表作用以后再反射到遥感器的太阳光的辐射亮度和 地面倾斜度有关。山地地形的强烈影响而导致当地太阳入射角和高度角的变化会 影响分类精度，进行地形校正是十分必要的。数字高程模型( d e m ) 广泛应用于地 学研究，并能够有效地纠正地形的影响。应用以下公式【4 8 】，对两期遥感影像进行 地形校正。 e = 西( c d 讲f ) ( 2 3 ) c o s h i = c o s sx c o s h o + s i n sx c o s h o c o s l z 一 ( ，a 、 式中西是原始图像灰度；e 是校正后图像灰度；日；是当地太阳入射角；s 和 彳是像素的坡度和坡向；丁和凰是太阳在水平面的方位角和入射角。将d e m 转换为g 刚d 格式进入e i a s 。由于所有图像都是以地形图为坐标基准，故d e m 与图像坐标一致，无需再复合处理。据遥感资料记录中的丁、日。和d e m 计算 产生像素的坡度和坡向( s 、彳) 代入公式( 2 3 ) 计算当地太阳入射角，用公 式( 2 4 ) 计算获取地形纠正后图像。实验表明，有效的去除了一些阴影，取得 了较为理想的效果。 2 1 2 土地利用分类 本文采用基于多特征集的决策树自动构建遥感影像分类方法，将研究区分为 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 耕地、林地、草地、水体、居民地、未利用地六大类。其中所包括的特征集有： 归一化差异水体指数n d w i 、n d w i l 水体指数、修正水体指数m n d w i 、归一化 植被指数n d v i 、增强型植被指数e v i 、绿度植被指数( i 、改进的归一化植被 指数m n d v i 、土壤调节植被指数s a v i 、建筑指数n d b i 、主成分变换的前三个 分量( p c l ，p c 2 ，p c 3 ) 、穗帽变换的亮度、绿度和湿度分量、m n f 变换的前三个分 量、地形特征的高程、坡度和坡向。各种特征集及代码如表2 1 所示。 表2 1 特征集代码表 将所有特征集在d i 中进行叠加，选择各类地物的训练样本，然后利用 d i 中的r u l e g e n 自动生成决策树进行分类，得到三期影像的分类结果如图2 1 所示。 2 叩o 年盯m 影像分类图 2 1 3 精度评价 囊嘲嘲鳞醚 。艇图例 囹耕地 林地 一蕈地 豳居黜 n 一水体 爪 未利用地 ，气 0笳p 0 啦p 0 0 1 0 4 0 1 5 6 o 勰脚 i = 】 = = 二二= = 一m 曾可5 m a ps ca l el ：1 5 0 0 0 0 0 图2 1 各年影像分类结果比较 本次研究中，在上述训练样本中采用分层随机采样的方法选择了1 0 0 0 个样 1 2 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 本点，足够多的样本点确保了那些在研究区比较稀少的类也能得到足够的点来进 行验证。三期影像的分类误差矩阵见表2 2 表2 4 所示。 表2 21 9 8 0 年分类结果误差矩阵 表2 31 9 9 0 年分类结果误差矩阵 从分类误差矩阵可知，三个时期的分类总精度分别为8 4 8 、8 7 8 和8 7 2 ， k a p p a 系数分别为0 8 0 、0 8 4 和0 8 3 ，分类精度较高。 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空间规律研究 2 1 4 面积统计与变化分析 在分类结果的基础上，对三个时期各种地类所占研究区面积的比例进行了统 计，结果见表2 5 。 表2 5 各年份土地利用类型统计 从表2 5 中可以看出，研究区土地利用类型以耕地、林地、草地和未利用地 为主。土地利用动态变化特征为： ( 1 ) 草地不断减少 草地面积从1 9 8 0 年的4 0 7 6 减少为2 0 0 0 年的2 8 8 6 ，减少了1 1 9 。在 山区，草地主要转化为了林地和耕地，在中下游地区，草地主要转化为了耕地和 居民地。 ( 2 ) 林地、居民地、水体呈增长趋势 除了草地，其它土地利用类型都呈增长的趋势。林地增长最快，从1 9 8 0 年 的2 5 7 5 变为了2 0 0 0 年的3 1 6 7 ，增加了5 9 2 ；居民地和水体的增加也较明 显，居民地从1 9 8 0 年的o 2 7 变为了2 0 0 0 年的3 9 7 ，增加了1 4 倍，可见这 2 0 年里洛河流域有了明显的城市化发展；耕地和未利用地稍有增加。 2 2 子流域提取 2 2 1d e m 的预处理 d e m 预处理是为了将d e m 中的洼地和小平地改造成斜坡，也就是使d e m 数据反映的地形特征均由斜坡构成。这样处理的目的是使水流能够根据地表径流 漫流模型流出流域边界，也是为了流域信息提取的后续步骤能正确进行。 ( 1 ) 对洼地的处理。从d e m 中提取河网，最根本就是确定水流的流路。 最复杂的部分是对地形中洼地进行处理。洼地的存在，使得在计算水流方向时， 会出现水流逆流的情况，给以后的水流流路的跟踪带来困难。在实际的地表径流 漫流过程中，水流是在填充洼地后，从洼地的最低出流点流出的，所以o c a l l a g h 觚 和m a r k 采取的方法就是修正原始d e m 网格的高程值。首先搜索d e m 矩阵来 1 4 丛啪啪m 地一 惘一川斛 和一6 6 6 童 塑凇懈嬲盟刀舵所居一。，1 ，羔篡罴竺筹黧 弋一o o o 千一8 9 0科一嘲猢 河海大学硕士学位论文水文响应指数构建与t o p m o d e l 参数空问规律研究 确定洼地单元格。洼地单元格是指相邻八个单元格高程都不低于本单元格高程的 单元格。每当遇到洼地单元格，就进行如下的处理：搜索以洼地单元格为中心的 窗口，位于窗口内的单元格，如果沿着下坡和平坦区域能够到达洼地单元格，则 标记之，否则不标记。重复这个过程直到窗口内没有单元格能够被标记。所有被 标记的单元格组成的区域称为洼地集水区域。然后从洼地集水区域中找出那些潜 在的出流点。潜在的出流点是被标记的单元格，它至少拥有一个比其高程低的未 标记的相邻单元格。如果没有潜在的出流点，或者存在高程低于最低潜在出流点 的相邻洼地集水区域的边界单元格，那么窗口没有完全包括洼地区域，需要扩大 窗口。重复上述过程，直至不存在上述两种情况。找到最低的潜在出流点后，比 较它和洼地单元格的高程。如果出流点高程高，那么洼地是一个凹地，否则是一 个平坦区域。对于凹地，把洼地集水区域内所有高程低于出流点的单元格高程升 高至出流点高程。这样，凹地就成为了一个可以确定流向的平坦区域。对于平坦 区域，将在下一步的算法中进行处理。 ( 2 ) 对平坦区域的处理。d e m 栅格阵列中的平坦区域，包括原始d e m 中的和上一步中填充洼地产生的平坦区域，该算法通过对平坦区域范围内的单元 格分别增加一个微小的高程增量来抬升平坦区域，这样每个单元格就有了一个明 确的水流方向。以便作下一步的分析。每一个单元格的增量大小是不一样的，但 最大的增量不超过d e