（水文学及水资源专业论文）数字流域信息提取软件研究及应用.pdf

摘要 从数字高程模型叫百t a le l e v a t i o nm o d e l s ) d e m 直接提取河网及相关流域信息，是 数字水文研究中的重要组成部分，是分布式水文模型开发与应用的基础。 本文对近年来基于栅格数字高程模型( d e m ) 提取水文信息技术进行了详细的研 究，讨论由栅格数字高程模型( d e m ) 自动提取流域水系的原理和方法。回顾了以 数字高程为基础的数字流域水系生成系统研究的进展，针对目前众多水文模型中流域 水系的生成所存在的不足，自行开发了一套适合水文研究的数字流域水系生成及流域 信息特征提取软件。 在此基础上与数字水文模型( g n d - x i n a n j i a n gm o d e l ) 进行了耦合，并在息县流 域进行了应用，结果表明，所开发软件能够很好地自动生成流域水系，可为进一步开 发分布式水文模型提供技术基础。 关键词；数字高程模型、河网提取、g r i d - x i n a a j i a n g 模型、息县流域 a b s t r a c t r i v e rn e t w o r ka n dr e l a t e dw a t c r s h e di n f o r m a t i o nd i r e c t l yd e r i v e df r o md e m , i st h e b a s i so f d e v e l o p m e n ta n da l v l i c a 6 0 no f d 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 s a u t h o rh a sr e s e a r c h e dt h et e c h n i q u eo ft h ea u t o m a t e de x t r a c t i o no ft h ei n f o r m a t i o no f h y d r o l o g yf r o md i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s ( d e m ) i n r e c e n ty e a r s ，a n dd i s c u s s e dt h ep r i n c i p l e s a n dm e t h o d so f t h ea u t o m a t e de x t r a c t i o no f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t o p o g r a p h yf r o md e m 。 h a v i n gr e v i e w e dt h ee v o l v e m e n to ft h ed e m - b a s e dd i g i t a ld r a i n a g ea r e aw a t e r s y s t e mb u i l d i n g , i nt h i sp a p e ro n em e t h o d ( a i n ：l i n ga tt h ed e f i c i e n c yo ft h en u m e l o u s h y d r o l o g ym o d e l sa n dc o m p a t i b l ew i mt h eh y d r o l o g ys t u d y ) o f b u i l d i n gt h ed i 垂t a ld r a i n a g e a r e aw a t e rs y s t e mi sp r e s e n t e d f u r t h e r m o r e , o n et a n g i b l es y s t e mi sb u i l tu s i n gt h i sm e t h o d d i g i t a lh y d r o l o g i c a lm o d e li sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo fd i g i t a lb a s i nd e f i v 。df r o m r a s t e r - b a s e d d i g i t a l e l e v a t i o nd a t a t h es o f t w a r es y s t e mi s d e v e l o p e dw h i c hc o u l d a u t o m a t i c a l l yd e l i n e a t ew a t e r s h e dd i v i d e s ，g e n e r a t et h er i v e rn e t w o r ka n ds u b c a t c h m e n t s ， a n de s t a b l i s ht h et o p o l o g i c a lr i v e rn e t w o r ks t r u c t u r e i tc a l lb ec o u p l e dw i t ht h eg r i d x i n a n j i a n gm o d e l f i n a l l y ，ac a s es t u d yw a si m p l e m e n t e do nt h ex i x i a nb a s i n t h es o t l a v a r ec o u l db ee a s i l y c o u p l e dw i lh y d r o l o g i c a lm o d e l k e yw o r d s ：d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，d r a i n a g en e t w o r ke x t r a c t i o n , g r i d - x i n a n j i a n gm o d e l ， x i x i a nb a s i n 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 侈 年6 月 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) ： 年乙月1 e l 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 d e m 数据的普及为水文学的发展提供了一个广阔的前景，如何应用地形高程数据高 效、全面、准确地构建流域水系，并更好地应用于水文的各个领域，是水文工作者共同 的愿望和目标。 随着计算机技术、电子技术、g i s ( 地理信息系统) 和r s 遥感) 技术的发展，出现了分 布式水文模型。分布式水文模型因为能够考虑流域内水文要素的时空差异，而成为未来 水文模型的未来发展的必然趋势“1 。而分布式水文模型要考虑水文要素空间差异的影响， 必须通过数字技术来实现，数字技术为表达空间要素的差异性提供了可能。数字地形模 型( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，简称d t m ) 或数字高程模型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ，简 称d e m ) 能够定量地提供流域地形、地貌的空间分布特性。借助遥感技术以及不断发展并 逐渐成熟g i s 软件系统，不但可以解决降雨和下垫面条件的空间分布不均匀问题，而且可 以自动提取流域水文模型中所需要的地形地貌特征值叫，如目前已有的地貌单位线中的地 貌参数，地形指数等，可以直接构建能够考虑降雨和流域下垫面条件空间分布不均匀性 的分布式或半分布式水文模型。因此，基于d e m 的分布式水文模型是当今水文界研究的热 点之一埘。 分布式水文模型充分考虑了流域空间变异性，模型具有明确的物理意义，能够更加 客观科学地揭示流域内的水文循环过程。如何从数字高程模型中提取高精度的流域水文 特征信息对于分布式模型而言是十分重要的“1 。 传统的水文模拟构建洪水预报模型时，要求确定子流域面积、子河段汇流长度及雨 量站权重等前期处理工作，往往占用大量时间，且手工计算精度不离，当雨量站数量、 位置发生变化，要求雨量站及其权重作相应调整时，更是如此。此外，目前常用的按雨 量站权重划分单元流域的方法，也存在明显的不合理之处。 采用从数字高程模型自动提取数字流域，可以获得子流域面积、子河段汇流长度等 子单元信息，并能根据雨量站点信息和d e m 分布信息，自动获得相应的雨量站点权重。将 这些子流域信息和水文模型耦合，效率和精度将会大大增加。目前在实际应用中，我们 一般要借助g i s 软件( 如a r c v i e w ，r i v e r t o o l s ，t o p a z 等) 来提取数字河网、坡度和流域拓 扑关系等地形特征，在此基础上建立水文模型进行模拟计算。这些专业软件数据格式转 河海大学硕士论文数字流域水文特征信息提取软件研究及应用 换复杂，使用很不方便，无法满足很多集成度要求较高的应用，而且这些软件对计算机 硬件的要求一般都比较高。另外，对于使用者使用时要额外的增加资金购买g i s 软件，而 且用大量的资金买来g i s 软件，我们往往只用到这些软件中的极小部分功能。 因此，研制与分布式水文模型集成的流域特征新体提取系统在实际生产和理论研究 中都具有很强的实用意义。所以本文结合分布式c , n d - x i n a n j i a n g 模型，在研究了各种从d e m 提取流域特征信息的算法基础上，研制一套小型的数字流域特性信息提取软件，并在息 县流域上进行了应用。 本文是在国家自然科学基金项目“用于实时洪水预报的新一代降雨径流模型研究一 改进新安江模型”( 编号5 0 4 7 9 0 1 7 ) 的资助下，建立了数字流域提取系统，并将提取的流 域信息用于g r i d - x i n a n j i a n g 模型计算。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 数字流域水文特征信息提取技术 数字高程模型是描述地面高程值空间分布的一组有序数组，是通过数字地形分析技 术从d e m 中得到的反映地形特征的一系列数字组件，如坡度、坡向、高度带等，d e m 也 是数字地形模型的组件之一。数字高程模型主要有格 网( g r i d ) 、不规则三角网( t i n s ) 、 等值线型等三种形式【”。过去的2 0 多年，研究者们一直致力于通过数字地形分析技术从 各种结构中提取流域河网和分水线两大地貌特征，因为这两大地貌特征是流域水文模型 的主要参数，是实现流域空间离散化的有效途径。 d e m 数据能够反映一定分辨率的局部地形特征，因此根据地形的局部特征，借助于 一定的算法，就可以自动提取一定地理空间范围内的自然水系从d e m 中自动提取自然水 系的算法过程一般如下：首先，依据水总是沿斜坡最陡方向流动的原理，确定d e m 中每 一个高程数据点的水流方向；然后根据高程数据点的水流方向数据来计算每一个高程数 据点的上游给水区面积，再根据上游给水区面积值，用阈值法确定属于水系的高程数据 点；最后，根据水流方向数据，从水系源头开始，将整个水系追索出来。在国外的许多文 献资料中都讨论了自然水系自动提取问题，例如，y u a n , s m i t h , m a r t z l a m m g l s 等学者在 水系自动提取研究中都使用上述提取过程。 上述方法的适用条件是，在d e m 中不能存在小平原、洼地等地形，且所有的复杂地 形都必须由斜坡构成，否则，所提取的水系通道是断断续续的。然而，在实际的d e m 中， 2 第一章绪论 由于小平原和洼地的存在是普遍现象为了使提取的自然水系，在流经小平原和洼地部 位时，有一个明确的水系通道，因此在提取自然水系之前，需要对d e m 中的小平原和洼 地部位的高程数据进行改造，以使洼地和小平原成为斜坡的延伸部分，经过这样的处理 之后，d e m 数据中的所有地形都由斜坡构成。这样才能保证从d e m 数据中提取的自然水 系是连续的。这种将d e m 中的洼地和小平原改造成斜坡的处理过程称为d e m 数据的预处 理。 0 c a l l a g h a n 和m a r l d1 9 8 4 年采用平滑过滤的方法处理d e m 数据，这种方法能有效地 减少洼地数量，但是处理过程中丢失了很多信息。m a r k s e t a l ，1 9 8 4 ；b a n d ，1 9 8 6 ；j e n s o na n d t r a u t w e i n l 9 8 7 提出通过填洼到闭合洼地边界上最低点商程对d e m 数据进行处理的方法。 m a r t z 和d e j o n g1 9 8 8 提出算法将闭合洼地作为池塘处理，即将其用水填满直到溢出。 将代表闭合洼地的一组网格单元作为一个单独的地貌类型，并为此确定一个流域面积值， 径流从流域中唯一的出口流出，而平坦区域则作为深度无限小的池塘处理。j e n s o n 和 d o m i n g u e1 9 8 8 年、m a r t za n dg a r b r e c h t1 9 9 2 年分别提出各自的预处理方法，他们都认为 闭合洼地和平坦区域均为伪地形，因此在河网分析之前应当加以矫正，处理的基本思想 就是增加洼地高程去除洼地，该方法假设了所有的洼地都是由高程计算值偏小带来的。 目前较新的方法被m a r t z 和g a r b r e c h t l 9 9 8 年在t o p a z 地貌分析工具中采用，该方法认为洼 地和平地的形成是计算高程偏小和偏大同时造成的，该算法遇到径流路径中的阻塞或堤 坝型地表类型则认为它是计算值偏大引起，因此通过降低它的商程使水流通过；而其它类 型的闭合洼地和平地则通过填洼的方法使水流流出。 对于网格化的流域而言，规则化的d e m 格网简化了每一格网内的地势情况，格网高 程只表现了格网中心点或格网平均高程，并不能精确反映格网内的地势起伏、沟壑、凹 陷等。因此，由上述方法生成的河网会出现一系列与自然水系偏差颇大的情况，尤其是 在平坦的平原地区，仅仅经过填平处理的河网与自然水系的偏差最为明显，其中最重要 的就是主干河道位置偏离自然河道的位置过大的问题。主要原因是由d e m 水平和垂向的 分辨率、d e m 生成过程的内插和输出结果的取整以及高程数据误差造成的。针对这个问 题的解决，美国德克萨斯大学m a i d m e n l 提出了“b u m - i n ”算法。其基本思路是利用己有 的水系数据对数字高程数据进行处理。 如今，利用d e m 提取流域的软件也有很多，如t o p a z 、r i v e r t o o l s 以及a r c v i e w 等， 这为分布式流域水文模型的建模带来了便利。 河海大学硕士论文数字流域水文特征信息提取软件研究及应用 1 2 2 分布式水文模型 分布式水文模型( p h y s i t a l l y - b a s e dd i s t r i b u t e dm o d e l s ) 是根据物质和能量守恒定律， 基于地理要素的模型。1 9 6 9 年，f r e e z e 和h a r l m l 6 】发表的“一个具有物理基础数值模拟的 水文响应模型的蓝图( f h 6 9 蓝图) ”被认为是分布式水文模型研究的开始。1 9 8 6 年，由 英国、法国和丹麦的科学家联合研制- $ s h e 7 1 模型。该模型是第一个真正的或者说具有代 表性的分布式水文物理模型。近年来，国外涌现出许多分布式和半分布式流域水文模型 如d h s v m 模型【8 】d b s i n 模型【9 1 ，t o p k a p i 模型【o l 以及t o p m o d e i 膜型等。 国内在此领域的研究起步较晚，但也开展了的大量工作【l ”，1 9 9 5 年，沈晓东等在研 究降雨时空分布与下垫面自然地理参数空间分布的不均匀性对径流过程影响的基础上， 提出了一种在g i s 支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格d e m 的坡面 产汇流与河道汇流的数值模拟。1 9 9 7 年，黄平等【坦】分析了国外一些具有物理基础的分布 式水文数学模型的不足，提出了流域三维动态水文数值模型的构想。2 0 0 0 年任立良、刘 新仁【1 3 1 在d e m 基础上，对水文物理过程进行了模拟；郭生练、熊立华掣1 4 1 提出了基于d e m 的分布式流域水文物理模型；2 0 0 2 年王中根、刘昌明掣”】提出了基于d e m 的分布式水文 模型构建方法；2 0 0 3 年刘志雨【1 6 j 介绍了改进的t o p k a p i 模型；2 0 0 4 年李丽、郝振纯等提 出过一种以d e m 为基础的分布式水文模型；2 0 0 4 年袁飞、任立良旧对基于栅格的汇流方 法进行了研究；2 0 0 5 年张珂、李致家【1 8 瞧出了一个基于d e m 栅格和地形的g t o p m o d e l 模型，2 0 0 6 年李致家、姚成提出了基于d e m 的g r i d x i n a n j i a n g 模型t 1 9 1 。 1 3 本文主要研究内容 1 3 1 研究思路 首先详细参阅国内外有关d e m 提取流域特征信息的各种模型和算法的基础上，概述 了当前d e m 提取流域特征信息的各种模型的发展及最新研究进展：总结了d e m 处理算法 ( 如d 8 算法) 等的基本原理、应用情况以及存在的问题等。然后针对所存在的不足提出一 种建设性的方案，构建具有可视化数字流域水系生成系统，改善并增强数字流域水系生 成系统的功能，使其能够更好地满足于水文科学研究的实际需要；最后，对数字流域水 文特征信息提取软件系统的下一步工作进行了展望。 1 3 2 研究内容 第一章绪论，阐述研究目的与意义；国内外基于d e m 数字流域水文特征信息提取技术和 4 第一章绪论 分布式水文模型的研究状况；本文研究思路及章节安排。 第二章主要介绍了在数字流域水系生成系统研究中的基本理论和一些主要的算法， 对目前常用的一些数字流域水系生成工具软件进行了分析。 第三章分析了系统构建的需求，系统采用的工具及需要实现的功能。 第四章从d e m 中提取建立数字水文模型所需要的数字水系，并对河网进行分级： 根据流域地形进行子流域的划分、子流域边界线的提取等，并提取地形指数，坡度流域 等水文信息为分布式水文模型服务。 第五章分布式水文模型的验证。在患县流域进行了数字水文模型( g r i d - x i n a n j i a n g ；l 奠 型) 的应用。结果表明，所开发软件能够很好地自动生成流域水系，可为进一步开发分 布式水文模型提供技术基础。 第六章总结与展望。对本文所研究的内容进行总结，并提出所存在的问题，以及 未来的发展方向。 河海大学硕士论文数字流域水文特征信息提取软件研究及应用 第二章数字流域水系提取分析 2 1 数字高程模型( d e m ) 简介及数据的获取 2 i 1 d e m 简介 2 0 世纪中叶，随着计算机科学、现代数学和计算机图形学等的发展，出现了数字地 形模型d t m ( d i g i t a t e r m i n m o d e l ) 。d t m 是利用一个任意坐标场中的大量选择的已知x 、 y 、z 的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示，或者说，d t m 就是地形表面简单的 数字表示。其本质属性是二维地理空间定位和数字表达。 数字高程模型d e m 是构成d t m 的基础，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字 表示。d e m 由麻省理工学院m i l l e r 和l af l a m m e 教授于1 9 5 6 年提, + , c 2 0 j ，其目的是用摄影 测量或其他技术手段获得地形数据，在满足一定精度的条件下，用离散数字的形式在计 算机汇总进行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。d e m 作为地理信息系统得基础 数据，已经在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得到广泛应用。 显然，d e m 是d t m 的一个子集，用函数的形式描述为： k = ( 蜀，蚝，z ) ； i = 1 ，2 ，n ( 2 - 1 ) 式中，k 是平面坐标，z i 是嗡，k ) 对应的高程。当该序列中各平面向量的平面位置呈 规则格网排列时，其平面坐标可省略，此时d e m 就简化为一维向量序列 z i ，i = 1 ，2 ， n 1 。 由于用数字形式表达地形表面，d e m 具有如下显著特点：容易以多种形式显示地形 信急。产生多种比例尺的地形图、纵横断而图和立体图。精度不会损失。容易实现 自动化和实时化。总之d e m 具有便于存储、更新、传播、自动化和多比例尺特性使其特 别适合于各种定量分析与三维建模2 ”。 d e m 的数据类型一般有三种：矢量型、栅格型( g r i d ) 和不规则三角网 t i n ( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k ) 。 ( 1 ) 矢量型 矢量型数据多以地形等高线为主，m o o r e - t a 为等值线r e ( d i g i t a ll i n eg r a p h ) 有很大的 优势，因为水流方向垂直于等值线，故水流方向可简化为一维方程，它能很好地反映水 流方向，有较高的精度。但矢量型数据比较复杂，许多操作用矢量数据结构难以实现 2 2 1 。 ( 2 ) 栅格型又称正交规则网( g r i d ) 6 第二章数字流域水系提取分析 栅格型d e m 数据结构类型具有“属性明显、位置隐含”的特点，它易于实现，存储 方便直观，且操作简单，有利于基于栅格的空间信息模型的运行分析；但它的数据表达精 度不高，不容易处理高程的突变、地形的代表性差，工作效率较低。要提高表达精度， 就需要更多的栅格单元数据，这就易于造成栅格数据的冗余问题，从而降低基于栅格数 据的工作效率：雨要提高工作效率，又必须减少数据冗余。因此，对于栅格数据结构的应 用，需要根据实际应用采用恰当的精度来平衡栅格数据的表达精度和工作效率两者之间 的关系。 ( 3 ) 不规则三角网( t i n ) 不规则三角网模型能较好地拟合曲面，插值精度高，但存储和操作数据不便。 这三种描述高程空间数据的类型可通过g i s 软件相互转换。 2 1 2d e m 数据获取 生成高精度d e m 的常用方法有3 种；扫描地形图，然后数字化扫描成等高线，再通过插值生 成的d e m ，从而获得所需图形；利用航拍图片或卫星图片的立体像对求得；用干涉雷达图像 处理技术求得。 随着网络的普及，当研究区没有现成的地形图和立体像对时，可以从网上方便地下 载到各种不同精度的d e m 数据。 美国国家地球物理数据中, l , n g d c ( n a t i o n a lg e o p h y s i c a ld a t a c e n t e r ) 的空间分辨率 为l k m 的d e m ( h t t p ：w w w n g d c n o a a g o v m g g g l o b a l g l o b a l h t m l ) ，美国联邦地质调查局 ( u s g s ) 提供精度i k m 的d e m 数据( h t t p ：e d c d a a c u s g s g o v g t o p 0 3 0 h y d r o ) ，另外，该网站 还提供了l k m 精度的d e m 相应的流向、坡度、河系等数据，虽然精度相对较低，但是数据 获得方便，而且能够满足许多应用需求。 在s r t m 吲的官方网站n a s a j p ls r t m ：逝；丛d 璎血! ：丝a ：9 2 q 型煎世上可以通过 f r p 免费获取中国境内的s r t m 3 文件，是平面精度9 0 米的数据。 s r t m 的全称是s h u t t l er a d a rt o p o g r a p h ym i s s i o n ，即航天飞机雷达地形测绘使命， 以航天飞机为平台对全球进行了同轨干涉( h s a r ) 雷达立体测绘。下载后的s r t m 文件有 部分点没有高程值，使用前要用s r t m f i l l 或者m a t l 西修复空洞，给他们赋值。原始文 件是留格式的，要先用g l o b a lm a p p e r 把它转换成d e m 格式。s r t m 数据现实性强， 精度好，数据质量有了很大的提高。 7 河海大学硕士论文 数字流域水文特征信息提取软件研究及应用 2 2 数字高程模型( d e m ) 在水文上的应用 d e m 数据的应用可以分为两类，第一类是直接应用，即将d e m 本身作为测图自动化 的重要组成部分和地理信息数据库的基础；第二类是将d e m 经过某种变换产生满足专业 应用需求的各种派生产品，这是面向用户的间接应用。实际上，第一类应用也是为第二 类应用服务的。长期以来，人们已习惯于用等高线、坡度与坡向、剖面、汇水面积、填 挖方和三维透视等派生图形或数据来表达实际地形的各种特征。产生这些派生产品的过 程即被称为地形分析。地形分析是地形环境认知的一种重要手段。地形分析又可分为两 大部分：一部分是基本地形因子( 包括坡度、坡向、粗糙度等) 的计算；另一部分是复 杂的地形分析包括地形特征提取、水系特征分析、道路分析等。 d e m 特征提取中最重要的有两部分：一是地形特征【2 4 】的提取，二是水系特征的提取。 地形特征是指对于描述地形形态有着特别意义的地形表面上的点、线、面，它们构成了 地形变化起伏的骨架。特征与地形表面的局部特性密切相关，曲面上的点属于哪个特征 类依赖于它周围的曲面结构，地形特征点包括山峰点、谷底点、鞍部点等。地形特征线 包括山脊线、山谷线等。地形面状特征包括地面的凸凹性，一般与两个垂直方向的曲率 有关。实际上，水系特征与地形特征的提取内容大致相同，因为从物理意义讲，山脊线 具有分水性，山谷具有合水性，因此提取分水线与合水线的实质就是提取山脊线与山谷 线。水系特征分析与地形特征分析的最大不同点之一是许多应用中需要分析水系的流域 范围如汇水流域等。 如何从数字化等高线数据和数字高程模型中自动提取其中所隐含的地形特征线来进 行地形分析，建立高逼真度的d e m 和为应用部门提供有关地形特征线的数据一直是地学 工作者面临的一个课题。特别是近年来，随着g i s 技术的应用与发展，自动从数字化等 高线数据和数字高程模型数据中提取地形特征线的方法和技术对于扩充g i s 系统的应用 功能具有特别的意义。目前此项技术的研究比较活跃。同时，有关地形特征线数据的应 用领域也十分广阔。 大多数有关地形特征提取的算法是基于规则格网d e m 的，算法的原理大致可归纳为 以下四种： ( 1 ) 基于图像处理的特征提取； ( 2 ) 基于地形曲面几何分析的原理； ( 3 ) 基于地形曲面流水物理模拟分析的原理； 第二章致字流域水系提取分析 ( 4 ) 基于地形曲面几何分析和流水物理模拟分析相结合的原理。 基于t i n 地形模型的特征提取可以利用三角形的边作为分段的地形特征线，相应的 顶点为地形特征点。利用三角网的拓扑结构将这些分段地形特征线连接起来，即可得到 地形特征线。基于等高线数据提取地形特征，相对而言则要复杂一些，主要的思路是通 过分析地形曲面的凡何特征比如等高线的曲率变化等来提取地形特征。 水系特征的提取方法与地形特征的提取方法基本相同。对于确定汇水流域的范围，可 以通过对区域流水量进行跟踪以及分析地形的凸凹变化等方法实现。 2 2 1 基本地形因子计算 ( 1 ) 坡度坡向的计算 迄今为止，坡度的计算方法可归纳为五种：四块法、空间矢量分析法、拟合平面法、 拟合曲面法和直接解法。经证明，拟合曲面法是求解坡度的最佳方法。拟合曲面法一般 采用二次曲面，e p 3 x 3 的窗口( 如图2 - 4 所示) 。每个窗口中心为一个高程点，点e 的坡度 坡向的计算公式如下： 坡度：s l o p e = t a n 跏磊+ s l o p e 2 ( 2 - 2 ) 坡向：a s p e c t = s l o p e , 。i s l o p e w , ( 2 - 3 ) 式中，s l o p e 为坡度，a s p e c t 为坡向s l o p e 为x 方向的坡度，s l o p e s n 为y 方向的坡度。 天亍s l o p e , 。、s l o p e 阴计，异j 米用睇p 儿则异拭： 算法i e l 一岛s lo p e w e2 靠 s l o p e s = 五e 赢4 - - e 2 算法2 脚。：鲤噜掣 跏。= 垃气兰掣 算法3 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 脚。：蛀竺譬望袅型三型 萏x c e t 岱l z 口 脚铲虻堕篙磐 q - 6 ) 9 河海大学硕士论文 教字流域水文特征信息提取软件研究及应用 算法4 跏。= 坠鼍亳掣 脚e 。= 虹气笔掣 ( 2 7 ) 式中，c e l l s i z e 为格网d e m 的格网间距。 e h o d g s o n 对有关坡度计算的四种算法进行比较后，得出结论：算法l 的精度最高， 计算效率也是最高的，其次是算法2 。同时也需要指出，在一些常见的商用g i s 软件中， 有关坡度坡向计算的算法，采用的不是算法1 。如e r d a si m a g i n e 采用的是算法4 ， a r c i n f o 中a r c v i e w 采用算法2 。 ( 2 ) 表面积的计算 如果是格网d e m ，则将格网d e m 的每个格网分解为三角形，使用海伦公式计算三 角形面积： s = 乒万二z 仅瓦瓦洒j 两 p = 丢( d 。+ d ：+ d ， ( 2 8 ) d ，= 压瓦面丐虿( 1 f 3 式中，d ，表示第i 对三角形两顶点之间的表面距离，s 为表面积，尸表示三角形周长的一 半。整个d e m 的表面积则是每个三角形表面积的累加。 ( 3 ) 投影面积的计算 投影面积指的是任意多边形在水平面上的面积。投影面积的计算根据梯形法则：如 果一个多边形由顺序排列的个点( 置，e ，i = 1 ，2 ，n ) 组成，并且第点与第 1 点相同，则水平投影面积为： 一l s = 1 2 ( 置k i 一置+ l 】：)( 2 - 9 ) i s ! 如果多边形顶点按顺时针方向排列，则计算的面积值为负，反之为正。 ( 4 ) 体积的计算 d e m 体积可由四棱柱和三棱柱的体积进行累加得到。四棱柱上表面可用抛物双曲面 l o 第二章数字流域水系提取分析 拟合，三棱柱上表面可用斜平面拟合，下表面均为水平面或参考平面，计算公式分别为： 巧：型冬鱼墨 k = 堑半峨 ( 2 i o ) 其中，岛与岛分别是三棱柱与四棱柱的底面积。根据这个公式，可计算d e m 的挖 填方，在对d e m 进行挖或填后，体积可由原始d e m 体积减去新的d e m 体积得到。 ( 5 ) 剖面积的计算 根据工程设计的线路，可计算其与各格网边交点p j ( 置，誓，z i ) ，则线路剖面积 瓢 s ：艺牮l d i ，。 d i t + ( 而+ i - - 石) 2 + ( 少j + 1 一y ，2 ( 2 - 1 2 ) _ _ | 薹尚：2 ，4 6 ，8 。i 等孥”，5 ，7 “。 岛=sgns_ls。(2-14) 式中，i s i = u , a - ( i s , l ，i s = l ，i s , l ，i s , l ，i s , l , l s 。l ，i s ，l ，恢d ，s g n s b 表示岛的方向与s m “相同。 河海大学硕士论文数字流域水文特征信息提取软件研究及应用 坡度变化率根据相邻三个格网点的坡度变化率确定，位于边沿但非四角的格网点，根据 它对相邻五个格网点的坡度变化率确定。 坡向变化率的求法坡度变化率的求法非常类似，只要将坡度换为坡向即可。 ( 7 ) 格点面元的相对高差 格点面元指的是在格网d e m 的水平投影面上，以四个相邻格点( f ，_ ，) 、( f ，_ ，+ 1 ) 、 ( f + l ，+ 1 ) 、( h 1 ，) 为顶点的面积范围。 格点面元的相对高差指的是在格点面元的四个格点中，最高点与最低点之差，记做 厶j j i ： h = m a x ( h o o h 0 1 h i b h n ) 一m l n 式中，h i j ( f ，j = l ，o ) 为四个格点的高程。 ( 8 ) 格点面元的粗糙度 格点面元的粗糙度是指格点面元所对应的d e m 上的表面积与水平投影面积的比，记 为c z ： c z = s i 积s 投p 积 ( 2 1 5 ) 当c z = i 时，粗糙度最小，格点面元的实际表面为水平面。 ( 9 ) 格点面元的凹凸系数 格点面元的四个格点中，最高点与其对角点的连线称为格点面元主轴。 主轴两端点高程的平均值与格点面元平均高程的比，称为格点面元凹凸系数，记做c d ： c d ：( 毕) ) i ( 2 - 1 6 ) 式中，知。为最高格点高程， 二为最高格点高程，h 为格点面元格点高程的平均值。 当c d 为正值时，格点面元的实际表面为凸形坡；当c d 为负值时，格点面元的实际表 面为凹形坡；当c d 为零时，格点面元的实际表面为平面坡。 ( 1 0 ) 等高线 等高线可以采用摄影测量的方式直接生成，也可由d e m 内插生成。从d e m 导出等 高线，主要包括两个步骤：利用d e m 的高程点的高程值内插出等高线点，并将这些等 高线点按顺序排列( 即等高线的跟踪) ；利用这些顺序排列的等高线点的平面坐标x ， y 进行插补，即进一步加密等高线点并绘制成光滑的曲线( 即等高线的光滑) 。 由于d e m 分辨率的限制，直接内插的等高线视觉效果一般都比较差，分辨率越低， 这种情况越严重。因此，为了获得一条光滑的等高线，在这些离散的等高线点之间必须 1 2 第二章数字流域水系提取分析 进行插补( 加密) ，或称曲线光滑插补的方法很多，一般来说对于插补的方法有如下的 要求： ( 1 ) 曲线应通过已知的等高线点( 常称为结点) ； ( 2 ) 曲线在结点处光滑，即其一阶导数( 或二阶导数) 是连续的： 3 ) 相邻两个结点闻的曲线没有多余的摆动； ( 4 ) 同一等高线自身不能相交。 常见的光滑函数有多项式法、分段三次多项式、张力样条、分段圆弧、三点法、五 点法c a l i - m a ) 法。五点法是一种较好的曲线内插法，在著名的s c o p 程序中就是采用 这种方法。 2 3 常见数字流域水系提取工具应用分析 2 3 1 i dp _ a z t o p o a z ( t o p o g r a p h i cp a r a m c t c r i z a t i o n ) 是自动进行数字地形分析的软件包，开发语 言蔓j f o r t r a n 9 0 t 2 f l 。主要功能是：通过输入的栅格型d e m 定义地表水流域，划分子流域， 确定河网结构和计算流域参数。主要是用来地形评价和流域参数化，为水文模拟和分析 提供支持，也可以用于其它的地形领域、环境及遥感应用等方面。t o p o a z 对d e m 的处 理是基于d 8 方法、最陡坡度原则和最小给水面积阂值的概念相结合【嘲。在处理洼地和平 地时，t o p o a z 提出洼地分为凹陷型和阻挡型，前者通过填高的方法处理，后者采用降 低阻挡处高程穿透处理，平地处采取修正高程的方法处理，形成连续的收敛水道。 t o p o a z 软件包括6 个子程序，其中基本程序是d e d n m ，其它程序都是从这个基础上为 不同的用途进行的开发。d e d n m 实现从d e m 的读取、前期处理到流域拓扑关系建立及 参数化一系列的功能，生成水文模拟需要的地形数据。t o p o a z 的主要特点有： 可以产生栅格型的输出格式，包括河网结构、子流域面积等一系列流域有关的地 形变量，这种格式可以被大多数g i st 具调用显示，也可以输出到其它的数据层进行空 间分析。 可以产生表格形式的输出文件，提供河道和子流域的联结属性及所有河网结构信 息，这种格式可以用于分析和输入到传统分布式水文模型中。 创造性的采用凹陷断点、填充和平滑处理相结合的方法来处理d e m 的洼地和平地 的问题，比普通的单一方法有效了许多。 河海大学硕士论文数字流域水文特征信息提取软件研究及应用 采用河网节点编码的方法对每个河段节点进行编码，这种编码法可以用来优化子流 域和河道见联结。 在水文分析和模拟中，可以按照用户的需要，根据地形的复杂程度和河网长度等条 件划分子流域。 图2 1t o p a z 提取数字流域特征信息流程图 2 3 2r i v e r t o o l s r i v e t o o l s 2 q 是r e s e a r c hs y s t e mi n c 研制的基于数字高程模型( d e m ) 的流域地表水文 要素特征信息( 如单无网格流模式、河网拓扑结构、流域及子流域边界等) 提取、分析与可 视化显示的专业分析系统，开发语言为交互式数据语言( i n t e r a c t i v ed a t al a n g u a g e ，i d l ) 。 1 4 一一一苎兰兰塑! 堕壁垄墨堡塑竺量 引入d e m 文掉 转接成r i t o o l s 靛认格式空件 提取 提出d b 孽元随髓船 分析 提出d b 单元遵照格 生成树避潍网文件 生成扫丁蹰羟柽结构 生成其它基于d 8 流礴的 网络( 知：上游断积、河道 曲率、节点入巍数目锶) 派生_ 苒它信息洳河璃 妊朴结约索引等) 络粜文件集 图2 2r i v e r t o o l s 提取数字流域特征信息流程图 2 3 3a r c g i sh y d r ot o o l s a r c 3 i sh y d r ot o o l s 2 8 1 是e s r l 公司和美国德克萨斯州舆崩汀大学水贽源研究中心 研发的应用于水资源流域的数据模型，功能强大。包含以下几个内容：d e m 预处理、流 向分析、汇流单元分析、河网结构提取、统计流域和河流的水利特征值，如：面积、坡 度、长度等。 河海大学硕士论文 数字流域水文特征信息提取软件研究及应用 图2 3a r c v i va r c j i n f o 提取数字流域特征信息流程图 2 3 4 三款软件的总结 以上介绍的三款软件，功能强大，但各自都有缺陷： ( 1 ) t o p a z ，该软件没有可视化的界面，实现复杂而且在实现流域生成过程中需要 作许多的前期预备工作。 ( 2 ) r i v e rt o o l s 虽然算法丰富，具有直观的图形界面，但在离开某个给定格网的 全部水流都假定流向唯一的下游格网，在水流经常容易发生分叉的山坡丘陵地区，r i v e r t o o l s 划分水流的方法就难以取得理想的结果。由于d e m 的局限性和产生过程中的错误， 以及d e m 分辨率、传统的d 8 单元网格流模式提取算法本身的缺陷等诸多因素的影响，使得 从原始d e m 中提取流域水文要素特征信息的实际应用价值受到很大的限制矧。 ( 3 ) a r c g i sh y d r ot o o l s 功能强大，用于数字流域水系生成的水文模块只是其很小 的一部分；流域的各项特征值以子流域为单位统计，如果求整条河流或指定区域的特征参 数，则必须利用a r c e w 的编辑功能对上述结果重新整理，比较烦琐。 1 6 第三章数字流域水系提取系统的构建 第三章数字流域水系提取系统的构建 通过第二章几种地理信息系统软件的介绍，虽然能够提取数字流域特征信息，但在与 水文模型结合时就会发现很多问题： 数据格式转换复杂，使用很不方便，生成的水系及河网拓扑关系很难被水文模型 直接调用；生成结果的数据与流域水文模型的数据结构兼容困难，无法满足很多集成度 要求较高的应用。 对于使用者使用时要额外的增加资金购买g i s 软件，而且用大量的资金买来g i s 软件，我们往往只用到这些软件中的极小部分功能。 3 1 数字流域水系提取系统的需求分析 针对上面提及的专业g l s 软件的缺陷，结合水文模型研制一套可视化的数字流域水 文特征信息提取软件是很有必要的。 该工具需实现以下功能： d e i d 数据导入、保存以及在系统中实现3 d 显示的功能。 这个是所有工作的基础，只有将外部的数据成功导入系统中才能根据所有的数据进行 下一步的水系提取。 d e i d 中洼地的识别与处理功能。 由于d e m 高程误差，不可避免的会存在洼地和平坦区域，只有对其进行适当的处理 才能保证水系生成模拟的准确性。 流域基本水系特征的提取。 生成研究流域流向、坡度、集水面积、水系文件，并能可视化展示。 河网编码功能。 河网编码是生成河网拓扑关系的基础，一种好的编码方法能建立简单高效的拓扑关 系。 水文信息特征值的计算。 子流域长度，子流域坡度，地形指数的，水流路径长度的计算。 泰森多边形生成功能。 雨量站的空间位置信息，自动生成泰森多边形，并结合流域( 子流域) 边界得到每个雨 1 7 河海大学硕士论文 数字流域水文特征信息提取软件研究及应用 量站的控制区域。 3 2 数字流域水系提取系统的系统开发 本系统采用v i s u a