基于dem的河网提取算法的比较

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1、水利学报年月第卷第期文章编号基于的河网提取算法的比较刘学军卢华兴卞璐任政南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室江苏南京摘要本文在数据独立的解译算法分析方法支持下以比汇水面积为计算对象对目前流行的种路径算法和进行了详细的比较和分析文中首先从的定义出发建立了的计算表达式然后构建了表达式已知的种数学曲面模拟最后通过的计算值和理论值的统计分析定量地描述了种路径算法所具有的精度并从算法复杂度时间效率健壮性存储结构格网结构及流向计算精度方面对路径算法进行了综合评价结果认为基于坡向的路径算法即和能给出较可靠的值和较理想的分布而基于坡度的路径算法的误差较小关键词数字高程模型河网路径算法汇水

2、面积中图分类号文献标识码问题的提出河网自动提取是数字流域分布式水文模型土壤侵蚀模型建立等的关键技术环节其核心技术是路径算法路径算法描述地表物质如水沉积物营养成分等在地形单元之间从高到低的传输和流动通过路径算法不但可以提取河谷网络进行子流域划分也可获取水文土壤侵蚀等模型建立中所需的地形参数如汇水面积比汇水面积水流长度等同时还可确定地形单元物质的流出流入量分布路径算法赖以进行的基础是数字高程模型在中数字高程模型常用规则格网形式表达迄今为止在格网上已提出了多种路径算法如多流向算法随机八方向算法多级骨架化算法等等这些算法也成功集成到各类软件水文分析软件中如模块等由于地表的非解析性和河

3、网的区域结构特性路径算法的设计不同于其他地形参数可通过解析的方式得到其建立一般是通过水流模拟方式建立而这则取决于对地表物理特征和地表物质运动机理的准确认识这就使得路径算法的设计存在不同程度的假设研究表明不同的路径算法虽然在河网水系可视化层面上差别不大但对于以数值模拟为主的各类地学分析的影响却是显著的曾指出利用进行水文过程或现象的空间特性分析与所采用方法高度相关方法上的差别在环境模型研究与数据库开发中是不应忽视的他还指出已被集成进模块的路径算法具有明显的缺陷如易产生平行流线对分水区域模拟无能为力等问题等也相继指出分析和评价算法的重要性本文以作者所提出的数据独立的地形属性误差分析

4、和解译算法定量评价方法为工具对目前流行的种格网水流路径算法进行定量的分析与评价研究结论对改进现有路径算法设计新算法保证地形分析和地学分析结果的可信度是非常有意义的收稿日期基金项目国家自然科学基金资助项目地形分析尺度效应与机理作者简介刘学军男汉族陕西合阳人博士教授主要从事及其地形分析空间分析空间数据不确定性等研究原理与方法路径算法简介在格网上路径算法设计涉及两个基本问题确定当前栅格单元的流向决定当前栅格单元向较低单元的流量分配比例围绕这两个问题又产生了两类路径算法图即单流向路径算法和多流向算法认为每一格网单元本身产生的径流本地水量图单流向算法左和多流向算法右及其上游流量上游来水

5、都会流向其下游唯一的相邻单元由于流向的确定性不进行流量分配因而流向确定成为关键根据流向计算方法的不同算法有确定性八方向算法和随机八方向算法通过中心单元和周围个格网单元最大坡度来确定流向流向只存在于间隔的个可能的格网方向之中是的统计版本是为克服的平行流向而提出的认为水流方向是随机的并非流入位于最陡方向上的下游单元因此在确定中心单元流向时通过随机参数的引入从所有低于中心单元的格网中随机选择一个作为中心单元的流向借以从整体上获得与实际流向一致的水流方向认为水流分布具有分散性质中心单元的流量并不是全部流入某一下游格网而是流入比其低的所有下游单元按原理有基于坡度的流量分配算法和基于坡向

6、的流量分配算法基于坡度的由于把低于中心单元的所有格网作为流量接受单元故不涉及流向计算流量分配基于坡度进行和曾分别研究了流量分配计算公式本文采用称之为算法的流量分配公式其公式为?式中为坡度为坡度指数通过圆锥曲面的实验认为坡度指数比较合适基于坡向的通过流向确定下游接受单元和流量分配典型算法有等提出的算法和提出的算法前者通过模拟等高线模型计算汇水面积方法实现了格网上的路径算法后者通过中心点与其周围个格网点形成的个三角形平面来确定流向流量分配在与流向最接近的两个下游单元中进行本文选择的和的等种算法为分析研究对象各个算法的详细描述参见相应文献本文不再赘述数据独立的路径算法分析方法基于数

7、据独立的的地形属性误差分析和解译算法本文为路径算法定量评价分析方法的核心是建立一系列和实际地形相似的具有解析式的模拟这些由于曲面函数已知故可通过地形参数的数学定义通过推导求得地形参数的理论表达式进而计算出相应格网单元的真值由地形参数解译算法在此上产生的计算值和相应真值的比较则可定量地描述误差大小和空间分布从而实现对解译算法的定量分析和评价由于模拟本身没有数据误差可对此施加先验随机特性已知的随机噪音以实现算法对误差抗差性能的分析因此应用数据独立的算法分析方法需要解决两个问题一是地形参数的数学定义另一是数学