基于DEM的地形指数提取方法及应用

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1、第14卷第6期长江流域资源与环境Vol.14No.62005年11月ResourcesandEnvironmentintheYangtzeBasinNov.2005文章编号:1004-8227(2005)06-0715-05基于DEM的地形指数提取方法及应用1,311*22张镀光,王克林,陈洪松,李新,王书功(1.中国科学院亚热带农业生态研究所,湖南长沙410125;2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000;3.中国科学院研究生院,北京100049)摘要:在水文模拟中,地形指数ln(α/tanβ)作为反映地形信息的物理指标具有

2、很高的应用价值。应用基于DEM的RiverTools软件和GRIDATB程序,对红壤丘陵区地形起伏平缓的小流域进行地形指数的提取。RiverTools软件和GRIDATB程序分别使用目前常用的D8方法(单流向法)和多流向法。结果表明:与多流向法相比,D8方法的计算值较为离散,分布曲线较粗糙,平均值略高,方差和偏态系数也较大;但是,两种方法计算的ln(α/tanβ)的分布曲线大致相似。对于仅需要ln(α/tanβ)频率分布的水文模型(如TOPMODEL)来说,可以用单流向法取代多流向法来计算ln(α/tanβ)的频率分布。关键词:地形指数ln(α/

3、tanβ);D8方法;多流向法;红壤丘陵区文献标识码:A地形是影响降雨-径流的重要因素,尤其是在伏平缓的小流域进行ln(α/tanβ)的提取,通过具体温带湿润性气候地区,地形影响着地表的径流速率,的研究实例对两种方法的优缺点进行初步探讨和比[1]继而影响着地下水和流域产流面积的分布。Bev-较,其中RiverTools软件使用的是传统的D8方[10][11]en和Kirkby在1979年提出地形指数ln(α/tanβ)法,GRIDATB程序使用的是多流向法。的概念,将其作为反映流域地形的一个重要物理指[2]标。其中,ln是自然对数,α为单位等高线

4、长的上1地形指数分布的计算方法坡汇流面积,β为局部坡度角。地形指数是水文建模的重要组成部分,能够反映土壤水分、地表产流面根据地形指数ln(α/tanβ)的概念,利用DEM[3]积和产流过程的空间分布特征。因此,ln(α/tan计算单位等高线长的上坡汇流面积α和局部坡度β)的计算及提取方法是水文模型研究的重点内容tanβ,首先需要计算每个单元的总上坡面积(A)和之一。等高线长度(C),进而推求单位等高线上的汇流面ln(α/tanβ)的提取方法有多种,主要有:D8方积α(α=A/C)。对于D8方法(单流向法)而言,水法(单流向法,singleflow

5、direction,SFD)、Rh08方流仅流向最陡坡的下坡单元上(图1-a),而多流向法法、多流向法(multipleflowdirection,MFD)、As-按照坡降的权重方程分配至相邻的各个下坡单元[8]pectdrive方法、DEMON方法和ERS方法等。其(图1-b)。[4,5][13]中,D8方法和多流向法应用较为普遍。国内外1.1D8方法(单流向法)对这两种方法的相关应用研究较多,但大部分偏重D8算法是1984年由OCallaghan和Mark提[6～9]于对某一方法的应用。本文应用基于数字高程出的,径流仅流向周围8个邻域中最陡的

6、单元上。模型(DigitalElevationModel,DEM)的River这种算法在45°或其倍数的方向上往往产生平行径Tools软件和GRIDATB程序对红壤丘陵区地形起流,形成与实际情况不相符的误差,不能模拟水流的收稿日期:2004-12-13;修回日期:2005-05-11基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3-SW-441)、中国科学院知识创新工程领域前沿项目(01200220055413)、中国科学院“院长奖获得者科研启动专项资金”资助.作者简介:张镀光(1978～),男,江苏省丰县人,硕士研究生,主要从事生态水文

7、学方面的研究.*通讯作者:E-mail:hbchs@isa.ac.cn716长江流域资源与环境第14卷图1D8(单流向)和多流向(MFD)分配方法Fig.1DistributionAlgorithmforD8andMFD图2多流向分配方法(MFD)实际散布情况。虽然D8方法有这种缺陷性,但仍[6,7]Fig.2DistributionAlgorithmforMFD然被广泛应用于产流面积的计算。依据单流向法的思想,首先比较每个栅格单元n与邻域8个单元的高程,确定最陡坡向的单元。平C=∑Li(5)i=1坦流域内也可以确定连续水流的方向,例如在Riv-

8、式中:Li为第i个与流向垂直的等高线长度,可erTools中采用强制梯度算法(ImposedGradients用下式计算[16]Algo