DEM水文分析中一种有效消除伪水道的简易方法_图文

1、文章编号:049420911(20081220053203中图分类号:P208文献标识码:BD EM 水文分析中一种有效消除伪水道的简易方法董有福1,2,汤国安1,罗明良3(1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,江苏南京210046;2.南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009;3.西华师范大学国土资源学院,四川南充637002A S i m ple M ethod to Eli m i n a te Pseudo Channels Effecti velyi n Hydrolog i c Ana lysis Ba sed on D E MDONG You 2fu,T ANG G

2、uo 2an,LUO M ing 2liang摘要:宽广河谷平坦地形区的存在,对基于DE M 提取的水系结构产生了严重影响,目前国内外已提出很多方法来处理这种平坦地形情况。在对这些方法进行总结回顾的基础上,提出一种简易的伪水道消除方法。该方法是在常用的河网提取算法的基础上,采用缓冲区分析和栅格叠置分析原理实现河网的二次有效提取。实例研究表明,该方法原理简单、易于操作实现、效果明显,使基于DE M 在宽广河谷区生成的河网结构趋于合理,河网提取结果更加准确。关键词:伪水道;水文分析;DE M;数字地形分析收稿日期:2008206210基金项目:国家自然科学基金资助项目(40671148,40571

3、120作者简介:董有福(19762,男,河南信阳人,博士生,主要从事数字地形分析和空间数据库方面的研究。一、引言数字地形分析技术在数字流域研究中获得了广泛应用,大比例尺系列的数字高程模型数据源的建立同时为水文模拟分析提供了较高精度保障。沟谷网络的提取是相关流域特征参数的基础,而各个栅格单元水流方向的确定是自动生成连续和单宽河网的前提和关键。提取沟谷网络及相关流域特征参数的算法经过20多年的发展,内容不断丰富和相对完善。在众多沟谷网络提取的算法中,目前使用最普遍的确定排水方向的方法是O Callaghan 和Mark 提出的最大坡降法(D8,即中心栅格的水流向周围八个栅格单元中高程最低的那个栅格

4、单元。但是,由于受DE M 水平或垂直分辨率的限制、DE M 生成过程中的内插和输出结果的取整以及高程数据误差的影响,或者真实平坦地形的存在,如宽广谷地、河漫滩、河流阶地和人工梯田等,使得无论使用哪一种方法,平坦地区的栅格单元水流方向都难以有效确定,结果是容易出现大量的平行河道和河道变形等问题,当汇流阈值较小时尤为明显。因此,平坦地形的存在严重影响着模拟河网的正确提取。国内外学者针对DE M 沟谷提取中的平地问题作了大量研究。Jens ont 等提出首先寻找出与具有流向的网格单元相邻的那些网格单元,然后确定这些网格单元的流向,重复进行这一步骤直到所有的平地网格单元都确定了流向为止1;Martz

5、 等在DEDNM 中采用微地貌起伏算法实现了在平坦地形区赋流向,但它产生的是一种平行模式的流向2;Andrea 提出了一种汇聚模式的赋流向方法,使河流在平坦地形区内通过的距离最短3;Garbrecht 等在T OP AZ 中改进了微地貌起伏算法,实现了汇聚模式的赋流向4。以上这些方法没有考虑模拟与实测河网之间的精确拟合,因此,自动生成的河网是不可能与实际河网相吻合的。孔凡哲等通过增加输入地形高程信息避免DE M 中平坦区域生成,从而使由DE M 生成的河网与实际河网能够精确拟合6;谢顺平等提出以出流代价法构建河谷平地栅格流向和流序等7。上述这些方法在某种程度上都能够解决平坦地形流向问题,但是由

6、于需要较多的辅助资料,或者算法比较复杂,使得适用性受到了较大限制,因此在很多场合下仍然采用手工编辑伪水道方式,效率相对比较低下。本文则在常用河网提取算法的基础上,采用缓冲区分析和叠置分析等简易方法,通过二次提取河网法实现河谷平坦地形区大量伪水道的消除,从而达到与实际自然河网的有效拟合。352008年第12期测绘通报二、原理与方法1.基本原理正是由于平坦地形区栅格单元的水流方向难以确定,才使得较宽河谷大量伪水道的出现。因此,该方法的基本思想是,对主干河道一定距离内的区域,在原有高程的基础上有规律地逐步降低其高程值,人为使得平坦地形区栅格单元产生向主干河道的水流方向,从而有效避免平行河道的出现。该

7、区域栅格单元降低的高程值可以用式(1表示。h =(1-d /d 0h 0(1式中,h 表示每个栅格单元降低的高程值;h 0表示主干河道中心降低的高程值;d 表示栅格单元到主干河道的缓冲距离;d 0表示缓冲半径距离。从式(1和图1可以看出,在主干河道缓冲半径范围内,距离主干河道越远,栅格单元高程降低得越少,从而保证平坦地形区水流向主干河道,达到与真实河网的逼近与拟合 。图1河谷区栅格单元高程降低示意图这里有两个关键问题。一是缓冲半径的确定。这里缓冲半径和河谷宽度是紧密关联的,河谷越宽,缓冲半径值也就越大,一般来说设定为最高等级河谷的最大宽度即可。实际上缓冲半径在一定范围内变化对流域河网提取结果并

8、没有显著影响,因为对稍低等级的河道而言,并不会使得缓冲区域内栅格单元的水流方向产生决定性变化。二是主干河道中心降低的高程值的确定。这个降低的最大高程值需要根据实际情况去设定。值太小不会对平坦区栅格单元水流方向产生理想变化,值过大可能会对较窄河谷区附近径流方向产生影响。2.实现过程该方法的详细实现过程如图2所示 。图2二次生成河网实现过程1.首次提取河网。河网的初次提取可以通过常用的水文分析方法和步骤,一般通过洼地填充、计算栅格单元水流方向和汇流累计值实现河网的提取,同时计算河网的等级便于下一步确定主干河道。河网等级的确定通常采用Strahler 分级方案。2.对主干河道作缓冲区分析。主干河道的

9、确定可以根据流域地形复杂程度和河网等级结构总数来确定,一般可以采用流域中最高级别的两个河道。如果河网等级数目较多,宽谷对应的河道级别较低,主干河道的级别数目可以为三个左右。然后对主干河道作缓冲区分析,常用GI S 软件都提供相应的功能操作。3.缓冲区域内对应栅格单元降低高程值的计算。即根据上述基本原理对平坦地形区栅格单元降低高程值进行求算,新生成一个栅格图层,栅格值代表对应降低的高程值,主干河道缓冲区域范围外栅格值全为0。4.叠置分析生成新的DE M 。通过原始DE M 层与上述生成的缓冲区高程值降低栅格层叠加分析,得到进行二次河网提取的DE M 数据源。5.以叠置分析生成的DE M 为数据基

10、础,重复第一步提取河网的步骤,就可以得到结构合理的河谷区水系结果。三、实例应用本文以陕北绥德县的一个小流域为实验样区,小流域总面积为12.2875k m 2,高差约为200m,采用5m 水平栅格分辨率的11万DE M 数据源。图3是45测绘通报2008年第12期裁取的实验样区部分区域第一次提取河网的结果。从图中可以看出,在宽平的河谷区,出现了大量平行河道,使得河网提取结果与实际水系结构严重不符。在此基础上,应用上述方法实现伪沟谷的有效消除。在实验中,根据小流域综合地形情况确定最高等级的两个河道作为主干河道(图中白线部分。设定的缓冲半径为50m,主干河道降低的最大高程值为30m 。第二次提取河网

11、的结果如图4 所示。从图3和图4的对比看出,这种方法能够有效消除河谷区平行水道等奇异河道问题,使平坦地形区的水流与实际情况趋于吻合。表1是实验样区完整小流域前后两次河网提取相关数据的统计结果。在相同阈值的条件下,第二次提取的水道数目、沟谷总长度和沟壑密度都较第一次提取的结果有一定幅度的降低。表1实验样区前后两次河网提取结果数据对比第一次提取第二次提取减少量水道数目/条201119892210.4710.200.27四、结论与讨论1.宽广河谷平坦地形区栅格水流方向难以确定,结果是容易出现大量平行水道等奇异结构水系,进而对流域河网数量、长度和沟壑密度提取结果产生相应影响。本文提出了一种基于缓冲区分

12、析和叠置分析的二次提取法消除宽谷区伪水道,使平坦地形区的水网结构趋于合理化。通过多个实验区结果表明,该方法原理简单,易于操作实现,效果明显,具有较高的实用价值。2.该方法的主要不足是最佳主干河道缓冲半径和降低高程值难以预先直接设定。它们的取值与实验流域的河谷宽度、结构以及地形复杂程度有关,并且往往是根据流域中最宽的河谷情况去确定的。因此,可以通过多次实验获取合适的参数值,进而到达最理想的伪水道消除效果,同时避免对稍低等级河谷的水系网络结构造成不必要的影响。另外,这种二次提取法主干河道的确定是以第一次河网提取的结果作为依据的,因此这种方法对大范围的平坦地形区如黄土塬和平原区不会有很好的使用效果。

13、对这些特殊地貌类型区,区域水系结构完全紊乱,现有的DE M 数据结构和水系提取算法暂时还不能理想地解决这种问题。参考文献:1JE NS ONT K,DOM I N I Q UE J O.Extracting TopographicStructure fr om D igital Elevati on Data f or Geographical I n 2for mati on Syste m Analysis J .Phot ogra metric Enginee 2ring and Re mote Sensing,1988,54(11:159321600.2MARTZ L W ,CARBR

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