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《基于DEM的流域特征提取及应用_秦福来》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第30卷第1期河北师范大学学报(自然科学版)Vol.30No.12006年1月JournalofHebeiNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Jan.2006基于DEM的流域特征提取及应用秦福来,王晓燕,王丽华,张美华(首都师范大学资源环境与旅游学院,北京100037)摘要:依据数字高程模型(DEM)提取流域特征信息的基本原理,对DEM在非点源污染研究领域的应用进行了有益的探索.应用密云水库北部流域的DEM进行了流域的刻划及SWAT模型运行单元水文响应单2元(HRUs)的生成,在集水区面积阈值为2km
2、的水平上得到的流域水系主河道与实际水分有最大相似性,共生成310个子流域和594个HRUs.从DEM刻划结果准确性的检验等3个方面讨论并总结了应用结果.关键词:DEM;流域特征;集水面积阈值;非点源污染中图分类号:X11文献标识码:A文章编号:100025854(2006)0120109204大量研究表明,我国的非点源污染已经成为地表水体的主要污染源,针对不同流域非点源污染的研究正深入展开.由于非点源污染的发生及程度与流域的地表特征及水文循环有着密切的联系,而数字高程模型(digitalelevationmodel,简称DEM)能够反映一定分
3、辨率的局部地形特征,因此,通过DEM可提取大量的地表形态信息,为流域的非点源污染研究提供了必要的流域地形和水文特征基础数据.基于此,笔者将DEM应用在非点源污染模拟模型中,以期对非点源污染研究起到一定推动作用.1DEM流域特征提取原理DEM是用摄影测量或其他技术手段获得的地形数据,是表示某区域上的三维向量的有限序列,用函数的形式表示为Vi=(Xi,Yi,Zi),i=1,2,3,⋯,n.式中:Xi,Yi是平面坐标;Zi是(Xi,Yi)对应的高程值.通过DEM特征提取进行流域水文分析,最重要的有2部分:一是地形特征的提取;二是水系特征[1]的提取
4、.目前国内外应用的大多数GIS软件都支持对DEM进行流域特征的提取操作(以ESRI公司的ArcGIS8.3为例).1.1主要地形特征的提取通过对研究流域数字地形的分析,可以获得模型所需的流域各点的坡度/坡向及其变化率、高程、地表粗糙度、地表面积等;并且可以根据其水文分析所产生的流域水网进行河道表面性质的提取,如长度、河宽、河床粗糙度等.1.1.1坡度/坡向的计算地面上某点的坡度表示的是地表面在该点倾斜程度的量,因此,它是一个向量,采用拟合曲线面法求解坡度是目前采用的最佳方法.拟合曲线面法采用二次曲面,每点的坡度/坡向的求解公式为22Slope
5、=tanSlope+Slope,Aspect=Slope/Slope,wesnsnwe式中:Slope为坡度;Aspect为坡向;Slope为X方向上的坡度;Slope为Y方向上的坡度.wesn1.1.2表面积的计算由于使用的是规则格网的DEM,将DEM的每个网格分解成三角形,使用海伦公式计算三角形的面积,进而求和得到整个区域的地表面积.收稿日期:20050520;修回日期:20050910基金项目:北京市科技新星计划项目(953810300)作者简介:秦福来(1980),男,河北省临西县人,首都师范大学硕士研究生,研究方向为GIS与流域非点
6、源污染模拟.110河北师范大学学报(自然科学版)第30卷1.2主要水系特征的提取1.2.1DEM“填洼”处理研究者普遍认为,被高程较高的区域围绕的洼地是使用DEM进行水文分析的一大障碍,因为这些洼地的存在会阻碍自然水流朝流域出口的流动.因此,在DEM水系特征提取之前要先进行“填洼”预处理,它将对每一个格网点进行搜索,找出凹陷点并使其高程等于周围点的最小高程值,用此类方法对原DEM中存在的洼地及洼地区域进行填平,并得到一个与原DEM对应的“无洼地”的DEM.1.2.2水流方向和水流累积量的确定采用D8算法确定每个网格水流流出时的指向,D8算法认
7、为,每个栅格单元水流的流向为其邻近8个栅格单元中距离权落差最大的那个单元,距离权落差通过中心网格与邻域网格的高程差值除以两格网间的距离决定.水流累积量表征流域地形每点的水量累积,可以用流域地形曲面的流水模拟获得.1.2.3水系的生成首先要设定最小支流上游集水区的面积阈值,以上游集水区面积大于阈值面积的格网点作为该支流的起始点,流域内集水面积超过该阈值的网格点即定义为水道.对于给定的流域,集水面积阈值越小,河网越稠密,反之,则稀疏.调整该阈值使生成的流域水系尽可能地与实际相吻合,否则就会影响河道参数提取的精度.2DEM在非点源污染研究中的应用流
8、域非点源污染的发生及程度都与该流域水文循环有密切关系,为了解和控制非点源污染,必须研[2]究那些导致非点源污染的水文过程,并考虑污染物到达地表水之前所经过的各种途径
