（水文学及水资源专业论文）数字流域与数字水文模型的集成研究.pdf

摘要 姨数字高程穰型( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s ) d e m 壹续提取河潮及撩关流域信 息，是分布式水文模烈开发与应用的基础。本文在分析目前主流河网提取鳟法 之基础上，自行开发了一套d e m 阁陷区域识别与处理、河嘲自动生成弓流域 翻分较件，在蓝基锻匕与数字承文模型避行了藕合，并采雳软释工程方法和西 向对象的思想对整个系统进行设计。 首先详细介绍了数字高程模型瓣数据类型、模型转换方式、生产方式秘目 蓊褥到这些数据靛几种方法。禳攒秘前d e m 数据预处理酌各莩孛方法，瀵行了 q 算法复杂度分析和比较，最后将用于土壤学的一种填洼方法用于d e m 预处理， 实现简单，且运算速度提高。基于d 8 ( e i g h t f l o wd i r e c t i o nm a t r i x ) 方法、g a r b r e e h t 编鹃开发出一套d e m 圈陲区域谈判与楚理、河阚自动生成、流域菇分等貊羚 关系生成软件，同时该软件可人为添加控制点( 如水库、水文站) ，克服了般 数字承系摄取工具只能按河网汇合点分子流域的缺点，更加邂用于实际生产。 在褒河流域，应用本软件在3 0 移空褥分辨率酌d e m 数据上生成的河阚与全国 1 2 5 万的数字河流对比验证，吻合较好。结果畿明，所开发软件能够很好她自 动生成流域东系，可为进一步开发分布式东文模型提供技术基础。 在数字水系生藏系统的基础上，构建分鄹蘩予予流域酶离散数字永文模型。 对数字水文模拟系统可视化实现中的几个关键技术，编程实现中数字水系编码、 子流域编碣与汞文模溅所需信息之阀融合以及选择的数据结幸奄进行了探讨，使 系统达到无缝赢效的集成。该系统为水文模型魄较、参数率定和模型空闻、欹态 变量的w 视化提供了平台，同时也为数字水文模拟系统实用化进行了尝试。 基予系统的需求分板，进行系统分板建模，识裂参与者葶爨爆饿，构建系统 用例圈；然后对系统体系结构、数据库结构送行了设计。拜l 掰向对象的憨想抽 象出系统中的实体类以及界面类，并用o p e n g l 图形库和v c 忖开发出了可视 化系统；疑后，用褒溺缝区斡资辩尉系统进行了灾倒应鼹，群到了较好的效巢。 关键弱：数字高毽模型、填洼纂法、瀑潮提取、l 1 m l 、建模 垒鎏篓 a b s t r a c t d i g i t a lh y d r o l o g i c a lm o d e l i sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo f d i g i t a lb a s i nd e r i v e d f r o mr a s t e r _ b a s e dd i g i t a le l e v a t i o nd a t a t h es o f t w a l es y s t e mi sd e v e l o p e dw h i c h c o u l da 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 a n e m t o t h ef i v e rn e t w o r ka n d s u b c a t c h r n 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 k s t r u c t u r e i tc a nb ec o u p l e d w i t ht h em o d i f i e dx i n a n j i a n gm o d e lb yo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d t h e d e p r e s s i o n sw h i c h a l ef r e q u e n t l yp r e s e n ti nd e m s m a yr e p r e s e n tt h ea c t u a l t o p o g r a p h y ，b u ta l eo f t e nt h er e s u l to fe r r o r s c r e a t i n gad e p r e s s i o n f r e e s u r f a c ei s c o m m o n l yr e q u i r e dp r i o r t od e r i v i n gf l o wd i r e c t i o n ，f l o wa c c u m u l a t i o n ，f l o wn e t w o r k ， a n dw a t e r s h e db o u n d a r y m a p s ，a f t e r c o m p a r i n g t h e p e r f o r m a n c e o ft h eu s u a l a l g o r i t h m su s e dt or e m o v ed e p r e s s i o n sf r o md e m s ，as i m p l em e t h o di s i n t r o d u c e d w h i c hi so r i g i n a l l ya p p l i e di nt h es t u d yo f s o i le r o s i o n p r o c e s s t h ea l g o r i t h mi se a s y t ou n d e r s t a n da n dt oi m p l e m e n t r e q u i r i n go n l y 袁f e wt e n so fc o d el i n e s 。i ti sm u c h f a s t e rt h a nu s u a la l g o r i t h m s o nt h eb a s i so ft h ea l g o r i t h m ，d 8 ( e i g h tf l o wd i r e c t i o n m a t r i x ) m e t h o da n dg a r b r e c h t sc o d i n gs y s t e m ，as o 懒r e i sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d t o g e n e r a t ed i g i t a lb a s i na n dt o e s t a b l i s ht h et o p o l o g i c a lf i v e rn e t w o r ks t r u c t u r e ， m o r e o v e r , c o n t r o lp o i n t s ，s u c ha s h y d r o l o g i c a ls t a t i o n sa n dr e s e r v o i r s ，a r ea l l o w e dt o b ea d d e d 姆t h e p r o c e s so fg e n e r a t i n gd i g i t a lb a s i n 。s oa st ob ee a s i l yc o u p l e dw i t h h y d r o l o g i c a t m o d e l 。 r e s e a r c h e sw e r em a d eo ns e v e r a lk e yt e c h n i q u e so fv i s u a l i z i n gh y d r o l o g i c a l s y s t e m ，v i z h o w t oc o d e d i g i t a ld r a i n a g en e t w o r k sa n dd i g i t a lb a s i na n dh o w t os e l e c t t h es u i t a b l ed a t as t r u c t u r e 韬m a t c hd i g i t a lh y d r o l o g i c a lm o d e l 。t h es y s t e mw a s d e v e l o p e db yo p e n g lg r a p hl i b r a r y ( v e r s i o n1 2 ) m i dv i s u a lc + + ( v e r s i o n6 0 ) t h e s y s t e mc o u l dp r o v i d et h ep l a t f o r m ，o nw h i c h i ti se a s yt oc a l i b r a t em o d e l p a r a m e t e r s , v i s u a l i z et h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n sa n dt i m es e r i e so f h y d r o l o g i c a le l e m e n t s ，s u c ha s p r e c i p i t a t i o n ，e v a p o r a t i o n ，d i s c h a r g e ，a n ds t a t ev a r i a b l e f i n a l l y , ac a s es t u d yw a s i m p l e m e n t e d o nt h eb a o h e c a t c h m e n t ，t h et r i b u t a r yo f t h eh a n j i a n gr i v e ri ns h a n x i p r o v i n c e 。 t i i 工学硕士学位舱文 数字水文模拟系绒可视化实现 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 ，a l g o r i t h mo fr e m o v i n gd e p r e s s i o n s ， d r a i n a g en e t w o r ke x t r a c t i o n ，u m l ，m o d e l i n g 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： 年月日 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) ： 年月日 第一章绪论 1 1 问题的提出 世界正在经历一场翻天覆地的技术革命，几乎所有学科领域都受到了深远的 影响。水文学作为一门有关水信息的科学，在这场革命的推动下，必将走上一条 全新的数字化道路，为水文科学技术带来活力和生机。事实上，人类一直在追 求用数字化的方式定量描述和研究人类居住的地球，人类的每一代都比上一代更 加数字化。面向2 1 世纪，数字化是人类追求的目标。数字水文学乃科学与技术 在高层次上的融合，将站点的观测资料数据同化挖掘成流域面上的信息需要水文 学的发展【2 j 。 在过去的数十年里，地理信息系统( g i s ) 在水文模拟上的应用有了飞速的 增长和发展。c l a r k e 在1 9 8 6 年对地理信息系统做了这样的定义：地理信息系统 是用来获取、存储、修改、分析和展示空间数据的一套计算机辅助系统。水文 模型需要的基础数据( 如：高程、土壤类型、河系、坡度、降雨分布等) 可以很 方便的用地理信息系统得到，并能很好地进行处理、存储和分析显示。同时，地 理信息系统也为水文模型计算中的参数确定提供了一个高效直观的手段。 数字高程模型( d e m ) 是描述地面高程值空间分布的一组有序数组，它反映 研究区域地面高程的分布情况，是分布式流域水文模型的基础数据。d e m 在水 文模型计算中一般被用来生成河系、汇水面积和地形坡度等。有时也被用来生成 剖面图、地形地貌图，还用计算土壤侵蚀和径流量等。大量的研究显示，d e m 为分布式水文模型的建立和运行提供了很好的平台和信息来源，并且在实际应用 中取得了很好的效果，有着极高的实用价值。 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 、d e d n m 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。这样的缺点是数据格式转换复杂，使用很不方便，无法满足很 多集成度要求较高的应用。另外，对于使用者要额外地增加资金购买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。 工学硬士学缱论文 数字水文摸拱系统可税他舞瑰 本文在研究了各种d e m 生成数字流域的算法藻础上，结台水文模型研究和 设诗了一套与承文攘型突全集残戆数字零文攘羧系统。 1 2 国内外研究现状 扶流域水文模型发袋帮应用可以鞠显看到，早在2 0 世纪年 弋，流域模裂 的理论基础就已经比较完善，但真正意义上的分布式流域水文模型却是在互眭l o 年中逐渐发震起来的，造成这静差距的主要原因就怒缺乏有效黪技术手段来分辑 流域内部各种地理因素、地理过程掰舆有的复杂的窝闻模式，缺乏获取模型逡行 参数以及将其纳入地理倍息数据库进行管理的有效方法。遥感( r s ) 和地理信 息系统( g i s ) 技本款发展炎鳞决这些翔题提供了裁躲愚路和方法辨】。 g i s 主骚用来研究流域下垫面要索的空间分布：提取模型的运行参数并纳入 到地理数据庠中统一管理，利用g i s 的可视化工鼹进行输出显示和结果分析。 g i s 积流域水文模型的集成研究，遴建近1 0 年来g i s 领域秘承文模鍪! 领域磷究 的燕点，狠多流域水文横溅都和g i s 软件进行了集成，如：农业非点源( a g n p s ) 污染模型和g e o g r a p h i c r e s o u r c e s a n a l y s i ss u p p o r ts y s t e m ( g r a s s l | ；5 j a n s w e r s 模型和g r a s s 6 i ，s w a t 秘g r a s s f ，s w a t 耜a r c v i e w 鄹。遥感技术通常被惩 来获取研究睡土地剥用现状、植被覆虢度估计、反演气温、空闻晦水区域划分簿 工作，从遥感图像直接提取分布式流域水文模型参数的方法，也鼹遥感领域研究 的熬点。m a i d m e n t 9 i 硒1 等蕊终了g i s 、r s 技术在分蠢式水文模型中兹重要终攫， 认为g i s 和r s 技术是流域水文模型从集总式到分布式转化的桥梁。 数字高程模型( d e m ) 反映研究区域地面高程的分布情况，魁分布式流域水 文模型豹基磁数据。d e m 在承文模型诗算中一般被鼹寒生成溺鬃、汇水蟊酸秘 地形玻度等。大量的研究鼹示，d e m 为分布式水文模型的建立和运行提供了很 好的平台和信息来源，并殿在实际应用中取得了很好的效果，有糟极高的实用价 僮。叁上世纪寒，缀多学器开始研究数字离程模型冬农文模型憨熬蔽技术，骰了 ， 大量的工作。强前数字高獠模型与水文摸型的集成按术理论上已缀比较成熟和究 褴。这里的关键技术是从数字高程模型等空间数据源中提取数字流域信息以及这 些售惠与本文模型冬参数熬融会。星 ；蓼，在实际生产中，数字毫稳壤型与承文壤 型集成度商驹数字水文模拟系统运用比较少。 2 ! ：堡笙一1 2 1 数字流域信息提取技术 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 ，缩写为d e m ) 怒描述地面离程值空 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 薤夔一蘩歹l 数字缀俘，燕坡度、坡囱、裹凄繁等，d e m 氇楚数字逮影穰黧懿缝 件之一。数字高程模型主要有格阔( 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 静绩秘中撬取滚域潜瓣帮努拳线嚣大篷貌特，薤，嚣为这嚣太遗虢特薤是浚城泰文 模型的主要参数，魁宓现流域空间离散化的有效途径i l ”。 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， 氆蘑于一定麴算法，藏哥戳鑫动撵辍一定缝毽黧溺落国内熬爨然承系+ 觚d e m 中自动键取自然水系的算法过程一般如下：首先，依据水总熙沿斜坡最陡方向流 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 滤方藏数据来诗算每一个毫程数舔患熬主游给承嚣瑟强，霉鬏据上游给东区i 垂辍 值，用闽值法确定属于水系的高稷数据点；最后，根据水流方向数据，从水系源 头开始，将整个水系避索出来。在豳外的许多文献资料中1 1 2 】【1 3 】1 1 4 】f l s l 【2 5 1 ，都讨论 t 錾然承系鑫动提取翊遂，爨蠡，v u a n ，s m i t h ，m a r t z ，l a m m e r s 等学者在窳系蜜动 提取研究中都使用上述提取过程 上迷方法的适用祭件是，在d e m 中不能存在小平原、洼地落地形，且所有的 复杂圭| 羹彩裙登矮枣臻缓穆藏，否羹氦掰提取熬承系逶逶慧颟灏续续懿。然褥，在 实际的d e m 中，由于小平原和洼地的存在是普遍现象。为了使摄取的自然水系， 在流经小平原和洼地郝位时，有一个明确的水系通道，因此在掇取自然水系之鳆， 蔫要黠d e m 中豹，、乎髹窝洼这帮位瓣嵩程数据避嚣改造，醴使涟遗_ 手霾小平藤成为 斜坡的趟伸部分，经过这样的处理之后，d e n 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 f 2 v i 中的洼地和小平 蒹改造藏勰瑗弱楚遴避程称为d e m 数攥浆颈蛊瑾。 o c a l l a g h a n 和m a r k l 9 8 4 i l6 j 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爨，但是处溅过程中丢失了很多信息。m a r k se ta 1 ，1 9 8 4 ： b r a n d ，t 9 8 6 ；j e n s o na n dt r a t r t w e i n l 9 8 7 疆蠢逶过壤涟饕溺合浚缝边赛土最低点赢 程对d e m 数据进行处理的方法。 丁学硕士学位论文 数字永文模拟系统可褪纯窿现 m a r t z 和d e j o n 9 1 9 8 8 摄出算法将闭合洼地作为池塘处理，即将其用水填满盥到 溢整。将 褒溺合洼篷豹一缝耀揍鼙元停为一个擎狻熬缝貔类黧，芳为| 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 e l 9 8 8 年、m a r t z a n dg a r b r e c h t1 9 9 2 年分别提出各自 静预跫瑾方法，缱謇j 都认为麓舍洼逮鞠平逛区壤均为锈遣影，溺诧在潺溺分事螽之 前应当加以矫正，处理的基本思想就鼹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德偏小带来的。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 每在t o p a z 逢貌分辑王共中采焉，该方法谈荛洼浚褒平逮懿形残 是计算高程偏小和偏大同时造成的，该弹法遇到径流路径中的阻勰或堤坝型地表 类型则认为它是计算值偏大引起，因此通过降低它的高程使水流嫒过；而其它类 型豹麓合疆遮和平囊羹爨遴过填洼静方法镬零滚滚毫。 对于网格化的流域而富，规则化的d e m 格网简化了每一格网内的地势情况， 格网高程只褒现了格网中心点或格网乎均高程，并不能精确反驶格网内的地势 起茯、海整、鹜隆等。戮魏，自主述方法生残豹浮潮会密瑗一系硼与鑫然承系镳 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，其中最熏要的就是主干河道位置偏离自然河遂的位置过大的阀 蘧。主要藏鞭是鑫d e m y l z 平窝垂两静分辨率、d 骛m 囊成遂程豹肉撬窥辕窭缝巢 的取整及简程数据误差造成的。针对这个问题的解决，美国德克萨斯大学 m a i d m e n t 提出了“b u m - i n ”算法。其綦本思路是利用已有的水系数据对数字离程 数据进行鳃瑷。 基于栅格的地形分析技术在水文学中的应用，般采用了0 c a l l a g h a n 和 m a r k 的坡蕊流模拟方法c 1 6 l ，j e n s o n 等f 1 7 l 、m a r t z 等 i s l 、g a r b r e c h t 辞 1 9 1 在此基础 上垒了致逡，这耱葵法一般稼为d 8 ( d e t e r m i n i s t i ce i g h t - n e i g h b o u r s ) 算法1 2 0 ，蠲 一般所说的单向流算法，d a v i d 2 u 对单流向和多流向算法进行了比较。近几年来， 一些研究者陆续提出了基予桃格，利用地貌形态组念瓣方法提取流域河网和分水 线鹁耨方法 2 2 1 2 3 t 。 基于栅格结构的g i s 是提取流域河网和分水线的适宜工具，因为栅格系统 ( r a s t e rs y s t e m ) 用于数字图像处理已鸯3 0 年历史，积累了丰富的经验和技术， e s r i 匏a r c i n f o g r i d 系统戳及美謦陆军工程公司研锻静g r a s s 系统，都是蒺 4 绪论 于栅格数据结构的g i s 软件，基丁栅格系统的g i s 对于重力驱动的流动模拟， 是比较理想的工具，因为重力驱动的流向是由地形决定的，并不涉及其它与时间 相关的变量【”1f 2 4 1 。目前许多基于格删数据结构的g i s 都有水文建模的功能，如 a r c l n f o g r i d 系统和g r a s s 系统，可以进行空问任何地点的水流流向分析， 计算上游集水区面积，生成流域河网，进行流域分割以及其它水文建模分析。其 它一些专为分布式流域水文模型开发的软件，如d e d n m 2 ”、r i v e r 1 0 0 i s 以及 a r c v i e w + s p a t i a l a n a l y s i s 等软件也能完成分布式水文建模分析，而且各有特点， r i v e r t o o l s 、a r c v i e w + s p a t i a la n a l y s i s 长于可视化分析，但对于大块平坦区的处 理小尽人意。d e d n m 可修改性和适应性较强，且可对水系节点和子流域进行自 动编码，知识可视化程度不够，且程序必须在d o s 下运行，运行结果必须导入 到g i s 里进行可视化显示，程序操作比较复杂。 1 2 2 数字水文模拟系统 1 2 2 1 数字水文模型 数字水文模型就是构建在d r m d e m 基础之上的一种分布式水文模整，先由 d e m 建立数字高程水系模型，再与数字产流模型和数字汇流模型有机结合形成 数字水文模跫。数字水文模型是一种有物理基础结构基础的包含大量信息的现代 化模蓣技术，流域所寄下蛰面( 谱如流域分水线、子流域集水面积、承系、遗形、 植被、壤) 蠡楚糖播型数字式的点阵，瀛域产流革元、汇溅路径、水系是橄据 地形出计冀机鸯动生成。 寻求使用的和能同时考虑降蘑和f 垫蘑条件空间分森对径流澎成影响的表 示方法是研究分布式流域水文模型的必要前提和关键控术胆“。数字高程模型 ( d e m ) 的出现，使问题的解决有了根本性的转机h “。目前为止，水文学家已 经提h 了若干个分布式流域水文模型。按采用的径流形成理沧和方法，分布式流 域水文模型可分为概念性的和其有物理基础的两类。常见的町用于构建概念性分 布式流域水文模型的宵s a c 模型、t a n k 模型和新安江模型等。具有物理基础 的分布式水文模型叉可以分为具有永动力学基础和其有水文举基础的两类。s h e 模蓬瑚t 属于翦者，d b s i n 模型t 2 9 1 耩子看者。对于t o p m o d e l 横型剐和t o p k a p i 1 学硕士学位论文 数字水文模拟系统可视化室现 模型【 “，似应称为具有物理基础的半分布式流域水文模型。按各单元面积形成的 径流过程集合成流域出口断面流量过程的方法，分布式流域水文模犁可分为松散 型和耦合型两类。前者假设每个单元面积对整个流域响应的贡献是互不影响的， 因此可先分别求得各单元面积对整个流域的贡献，再通过叠加来确定整个流域响 应。而对于后者，由于描述流域径流形成规律的是一组微分方程及其定解条件构 成的定解问题，因此，必须通过联立求解才能确定整个流域的响应。一般柬说， 概念性分布式流域水文模型是松散型的，如d b s i n 模型。概念性松散型分布式 流域水文模型的解算方法一般比较简单 理基础的耦合性分布式流域水文模型， 但反映径流形成机制不够完善。具有物 虽然在描述径流形成过程时物理概念清 楚，但解算比较困难，甚至不一定存在稳定解。具有物理基础的松散型分布式流 域水文模型的优缺点正好介于两者之间，是水文学家认为近期内具有较好发展前 景的一类分布式流域水文模型 2 6 1 。 地理信息系统( g i s ) 是用数字化方法描述具有复杂时间和空间变化的水文 过程的必要的技术支撑，而且由d e m 构建的数字流域平台有可能成为揭示和探 索流域径流形成机理的一个有力具【”1 。水文学和g i s 技术的结合，对理论研 究和实际生产应用必将带来巨大的收获。 1 2 2 2 数字水文可视化模拟系统 目前，可视化、集成度比较高的数字水文模拟、吏时预报系统在实际生产上 运用的比较少，主要是由于实际生产中的数据的缺乏以及流域的复杂性造成的。 王船海2 0 0 3 年i ”】在g i s 平台上，将三峡区间流域水文模型、库区洪水演进模 型和流域水系生成模型在底层集成，研制了可视化、界面友好、功能先进和完善 的三峡水库实时洪水预报系统，在生产中体现出了效率和优势。 数字水文模拟的研究内容可咀概括为三部分：( 1 ) 数字流域构建披术，这既 是水文研究的基础设施，也是数字地球的重要组成部分，还是水文研究的技术平 台；( 2 ) 信息同化挖掘技术，这是朴于数字流域技术平台合数字威品技术之间的 桥粱与纽带，其中数字横挺起骑举足轻重的作用，数字模型为遥感遥测技术所获 取的雨量信息在水文模型中的应用提供了最佳平台和技术准备，当雷达、卫星测 雨技术进入实嗣阶段时，鬻达或卫星捕获的高分辨率实时雨爨信息可啦与数字永 1 绪论 文模型遄行最佳联结，实现降雨输入与模型之间的完整结合，同时将观测点信息 据震、瓣倪至滚域嚣上熬售怠羲蘩数字模鍪寒窦瑷；( 3 ) 数字滚蠛售患号承文模 型参数之问的有机融合；( 4 ) 数字成品技术，这技术是基于数字流域、运用数 字模型开发的最终产品，为国家宏观决策和围涎经济各行各业服务。 1 3 研究意义 睫答数字他进程的推进，数字邋球、数字城市的概念越采越炎人腰知秘在实 际生产、生活中运霜。6 i s 和遥感技术的发展健褥空阈信息数据越来越丰鬻。数 字水利作为数字地球的分支，无论魑在理论研究中还是实际生产中都逐渐在水利 事业中发挥出巨大的效益。 传统的汞文模撅构建洪水预撤模型时，要求确定子流域谣积、予河段汇流长 度及雨燃站权重等前期处理工作，往往占用大爨时间，且手工计算精度不高，当 藤量站数量、位置发生变化，要求褥量菇及其毅霪作相应调熬薅，更是如鼗。此 矫，目翁常用麓接谢爨站权重划分单元流域的方法，也存在明显静不合理之处。 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 长度等予犟元信息，势越撮摆藤鬟戆点信息移d e m 分布售崽，囊动获褥螺艨憨 雨量站点投重。将这避予流域信惑和水文模型藕合，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 、d e d n m 等) 寒掇双数字河嬲、坡度和滚域掇羚关系等圭瞧形猿桎，在姥蒺础上建立承文模 型进行横拟计算。邀黧专业软件数撰格式转挟复杂，使用很不方便，无法满足很 多集成魔骚求较高的应用，而且这烘软对硬件的隳求一般都比较高。另外，对于 使用者搜餍时要额乡 熬增加资金购买g i s 软 串，露显曩大爨鹣资金买亲g t s 软 件，我销往往只用捌这些软粹中的极小部分功能。 因此，研制与数字流域系统无燎集成的数字水文模拟系统在实际生产和理论 磅究中都矮鸯缀强熬实矮意义。 1 4 本文研究框架 本论文主要分三部分：( 1 ) 数字高程模型；( 2 ) 数字流域水文模型构建；( 3 ) 工学硕士学位论文 数字水文模拟系统可视化实现 数字水文模拟系统实现。 ( 1 ) 数字高程模型 本部分内容系统地介绍d e m 数据种类、转换方式，生产方式以及d e m 数 据的各种误差来源。 ( 2 ) 数字水文模型构建 研究数字流域生成的算法，并选用适当的数据结构实现。在此基础上，结合 研究区域半湿润区的气候特征，与新安江模型和数字汇流模型进行耦合，构建数 字水文模型。 ( 3 ) 数字水文模拟系统实现 运用u m l 语言和面向对象的方法对系统进行分析建模。借助r o s e 、v c 十十 和o p e n g l 图形库进行系统开发，完成界面友好，操作简单，有一定实用价值的 数字流域水文模拟系统。 2 数字高程模型 第二章数字高程模型( d e m ) 上个世纪五十年代中期，美国麻省理工学院摄影测量实验室主任米勒 ( c l “m i l l e r ) 将计算机与摄影测量技术结合在一起，在成功解决道路工程的计算 机辅助设计这一特殊问题的同时，首先提出了般性的概念：数字地面模型 ( d i g i t a lt e r r a i nm o d e l ，缩写成d t m ) 。1 9 7 8 年d o y l e 【3 4 j 将d t m 定义为描述地 面特征空间分布的有叙树值阵列。其本质属性是二维地理空间定位和数学表达 式，数学表达式为： 弓2e ( u p ，) ； ( 1 1 ) j i = 1 ，2 ，3 ，肌； p = l ，2 ，3 ，n ； 式中瓦是第p 号地面点( 可以是单一的点，但一般是某点及其微小领域所划 定的地面单元) 上第七类地面特征信息的取值，u ，和为第p 号地面点的二维 坐标，可以采用任一地图投影的平面坐标，可用经纬度，也可以是矩阵的行列号。 通常，d t m 所描述的地面特征是高程z ，它的空间分布由工，y 水平坐标系统 来描述，也可用经纬度来描述高程z 的分布，将这种描述高程空间分布的数字地 面模型成为数字高程模型( d e m ) ，以与描述其它地面特征的d t m 有所区分。 2 1d e m 数据类型 d e m 的数据类型一般有三种：矢量型、栅格型和不规则三角网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 ) 。这- - ；f e o 描述高程空间数据的类型可通过g i s 软件相互转换圆。 ( 1 ) 矢量型 矢量型数据多以地形等高线为主，m o o r e 3 5 1 认为等值线圈( 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 工学硕士学位论文数掌水文模拟系统可视化实现 量数据结构难以实现。 ( 2 ) 栅格型又称正交规则网( g r i d 或l a t t i c e ) ： 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；而要提高工作效率，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。 2 2d e m 模型之间的相互转换 在实际应用中，d e m 模型之间可以相互转换。大部分d e m 数据都是规则格网 d e m ，但由于规则格网d e m 的数据量大而不便存储，也可能由于某些分析计算需 要使用t i n 模型的d e m ，如进行通视分析等。此时需要将格网d e m 转成t i n 模型 的d e m 。反之，如果已有t i n 模型的d e m 数据，为满足某种应用的需要，也需要 转成规则格网的d e m 。 2 2 1 格网d e m 转成t i n 格网d e m 转成t i n 可以看作是一种规则分布的采样点生成t i n 的特例，其 目的是尽量减少t i n 的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山 脊、谷底和坡度突变处。规则格网d e m 可以简单地生成一个精细的规则三角网， 针对它有许多算法，绝大多数算法都有两个重要的特征： 1 ) 筛选要保留或丢弃的格网点； 2 ) 判断停止筛选的条件。 其中两个代表性的方法算法是保留重要点法和肩发丢弃法。保留重要点法是 一种保留规则格网d e m 中的重要点来构造t i n 的方法。它是通过比较计算格网点的 重要性，保留重要的格网点。重要点( v i p ，v e r yi m p o r t a n tp o i n t ) 是通过3 * 3 i ：鍪量塞垄夔篓一 的模板乘确定的，根据八邻点的黼程值决定模檄中心是否为鬣要点。格网点的重 要蛙是遴过它的裹程穰与8 邻点寒撰熬蠹捶僮遴行院较，当麓分超过某令瓣蠖匏 格网点保镏下来。被保留的点作为三角网顶点生成d e l a u n a y 三角网。如濒2 1 所 示，由3 $ 3 的模板得到中心点p 和8 邻点的高程值，计算中心点p 到直线a e ，c g ，b f ， 溅的距褰，图右图表示，霉诗算个距离静乎垮馕。热暴平均馕怒遘溺蠖，p a 为 萤璎点，剐保留，否则去除p 点。 图2 1v i p 方法不意图 启发谣弃法( d h - - d r o ph e u r i s t i c ) 将重要点的选择作为一个优化阅题进行 处瑾。冀法蔗绘定一个貉两d e m 酾转换磊t i n 中节点豹数鼙隈割，寻求一个 t i n 与斓则格网d e m 的最佳拟台。首先输入憋个格网d e m ，迭代进行计算， 逐渐将郧媸不太重要的点删除，处理过程直到满熙数量限制条f f 牛或满足一定精度 隽壹。 2 2 2 等高线转成格网d e m 表示媳形的最常胤的矢量模式娥一系列描述商程曲线的等商线。由于现有地 图大多数都绘有等高线，这些地图便是数字高程模型的现成数据源，可以将纸面 等裹线戮扫箍蜃，垒凌获褒d e m 数撂。由于数字证戆等寒钱不逶台予诗冀坡度 或制作地貌渲染胬等地形分析，因此，必须要把数字化等高线转为格网高程矩阵。 使用局部插值算法，如距离倒数加权平均或宽里金插值算法，可以将数字化 等高线数糖转兔靛耍穰网戆d e m 数据，毽摇篮黥缝暴筵往会凌臻一些许多令人 不满意的结果，而且数字化等高线时越小心，采样点越多，问题越严重。问题不 在于计算擒值权重系数的理论假设，也不在于平滑等高线是真实地形的反映的假 设，瑟在予绩诗寒粒掺瓣点熬毫程簧褒一个拳经藏匿内搜索藩亵茭孛熬毫辩点数 据，再计黧它的加权平均值。如果搜索到的点都熟有相同的商程，那待插值点的 盈 z 学硕士学位沧文数字水文模拟系统可视化实现 裔稷也露为藏毫程壤。结暴等致在每条等嘉线周嚣 的狭长区域内具有与等高线相同的高程，出现了 “阶梯”氇形。当低海拔平琢遣区等嵩线鼯篱更运 时，搜索到条等离线上的数据的可能性就越大， 问题更严重。以带“阶梯”地形的d e m 为基础， 计黪坡度往往会出现不自然豹条斑状分布模式( 图 2 2 ) 。 2 2 3 利用格阙d e m 提取等离线 圈2 2 等值线插值造成 “阶梯地形”的爆因 在利用格嬲d e m 生成等麓线时，嚣要将其中豹每个点视为一个几何点，两不 是个矩形区域，这样可以根据格噙d e m 中相邻四个点组成四边形进行等商线跟 爨。冀方法类酝予落嚣捶遮豹剥题t i n 提取等裹线。实嚣上，也可叛将每个矩形 分割成为两个三角形，并威用t i n 提取等商线算法，但是由于矩形有两种划分三 角形的方法，在菜麓情况下，会生成不丽的等离线( 图2 + 3 ) ，这嚣雩需要校据淘 围j i 。情况谶行判断并决定取舍。 2 ) 拿弼段范囊予奠一节点麓现象，这样觇汇集点称俸复台汇集 点。在遮种情形下，该节点的编码增量则为n 一1 ，也就是说将原来的复合汇集点 拓震或n 。1 个简苹汇集点( 每个茳集点上游最多有嚣支入漉) ，魇丽( 阁3 4 ) 。 复合汇瘫点在自然界几乎不存在。一般汇入主下流的支流之间是有制距的，那怕 这种间距很短。d i g i h y d r o s y s 镌够以更简的水平分辨率将复合汇集点分解戚多个 有序的简单瓤集点，井将这些简单汇集点置于原先复台汇集点所在的格尉单元 内，由此生成的河丽称为= 元式河网。可以确信= 元式河两是自然界河网的最佳 近似，翻其部分涟除了癌较低水平空阔分辨率造畿的系统集总教应。 如果某节点上游无水道，则该节点称为水道起始点( s o u r c en o d e ) ，其上游 不可戆褥蠢求道，挖斟搜索方向必簇转岛下游羹萤点，班蛙递增编码，直至搜 索到出口断面为止。要注意一个带点仅谢一个编码最终形成禽有河段信息的节 点编码系统，嚣不过该澜段信意由该溺段上游节点编码来识别( 觅图3 5 ) 。 45 、 叼o l 6 l 2 4 il 4 1 4 1 4 1 4 1 4 14 1 4 1 4 1 4 1 匝 4 1 l4 2 4 24 2 3 2 3 2 5 1 5 2 5 2 5 4 5 3 5 3 6 4 2 3 2 3 5 15 15 1 5 15 15 1 困5 1 旦 6 1 恒u 6 1 6 16 16 1 团6 1 6 1 6 16 16 1 瓢工 2 2 2 2 ( 8 ) 子流域划分 d i g i h y d r o s y s 可生成流域河瞒裰格强发其予流域所有河段的起始点、左右岸 编码系统，从面为后面数字水文模型、o l s 技术姻应用、分析子流域的壤特性、 植被等属性提供一个平台，同时也可以确定子流域面积，为水文过程参数化、环 境分折及流域绩息系缝开发提供基本数据。 流域栅格图中的每一格网单芄都被赋予唯一的识别礴，指定其所在的予流域 蠛海段傻置，该淤鬟强来源于上述设定豹湃弱编玛数。对每河段，葵主游节点 编码数n n 乘以1 0 被用来设置格网识别码，具体设定方法如下( 见图3 6 ) ： 【n 舻l o + 1 被赋予予 _ = 入s t r a h l e r 级数为l 静柬道莛始赢的格两单元： n n + 1 0 + 2 被赋予每一坷段右岸的格嗣单元： 工学硕士学位论文数字承文模糍系统可磷纯实璇 黼舻l 盼3 被赋予每一瓣浚左簿瓣楱网攀元； m 附。1 0 + 4 被赋予每一河段自身所在的格网单元： 葵体步骤麸搜索东遂鸯鸯所在的格丽开始，著帮角溺歉信惑来谈澍帮确定每 一河段上游节点的编码，从丽判断该节点是否是水道起始点或水道汇集节点。对 起始点而言，凡是汇入该起始点的所有栅格单元都被赋予i n n + 1 0 + 1 的识别码。 对河段而言，先沿河段按顺时针方向、然后按逆时针方向搜索该河段附近的栅格 单元，直至遇到另一水道所在的栅格单元为止，按顺时针方向搜索到的、且汇入 该河段的栅格单元被认为是河段的右岸区域，并被赋予 n n + 1 0 + 2 的识别码：按 逆时针搜索到的、且汇入该河段的栅格单元被认为是河段的左岸区域，并被赋予 n n + 1 0 + 3 的识别码：河段自身所在的格网单元被赋予i n n + 1 0 + 4 的识别码。 ( 9 ) 流域水系拓扑关系 一旦生成联结完好的河网，就可以确定每一河段的s t r a h l e r 级数，给定每一 河段与河网节点的识别码，确定串联型河网的最优验算次序( g a r b r e c h t ，1 9 8 8 ) 。 据此还可确定每一河段的左右岸集水面积、水道上游末端节点及相应的子流域分 水线，从而建立河网节点、河段和子流域的拓扑关系，包括河段坡度、高程值、 上游集水面积与侧向集水面积及相互联结的拓扑信息。一方面河网与子流域边界 等空间信息是以栅格形式存储，这样易于用与其他软件通用：另一方面，河段或 子流域的拓扑关系还以表格的形式存储，有利于数字水文模型的构建调用。 3 1 3 流域水系提取常用工具 现在，利用数字高程模型提取流域水系信息的地理信息系统软件很多，由 m a r t z 和g a r b r e c h t ( 1 9 9 2 ) 怛5 j 研