技术在水文学中的应ppt课件

1、Zuo Qiting第五章第五章3S技术在水文学技术在水文学中的运用中的运用 Zuo Qiting 3S技术概述RS在水文模拟中的运用在水文模拟中的运用DEM在水文模拟中的运用在水文模拟中的运用第五章第五章 3S 3S技术在水文学中的运用技术在水文学中的运用主要内容主要内容Zuo Qiting5.1 3S5.1 3S技术概述技术概述5.1.1 5.1.1 遥感遥感RSRS技术技术 遥感根本概念遥感根本概念 遥感技术是一种以非直接接触方法对远间隔目遥感技术是一种以非直接接触方法对远间隔目的进展探测的技术。的进展探测的技术。 遥感技术系统由遥感平台、

2、传感器、遥感遥感技术系统由遥感平台、传感器、遥感介质、数据处置和运用五部分组成。介质、数据处置和运用五部分组成。 遥感的物理根底是：遥感的物理根底是：“一切物体，由于其一切物体，由于其种类及环境条件的不同，因此具有反射或辐射不同种类及环境条件的不同，因此具有反射或辐射不同波长电磁波的特性。波长电磁波的特性。 Zuo Qiting 由于描画水文过程的数据有两种：一种是描画由于描画水文过程的数据有两种：一种是描画水循环本身的数据；另一种是描画水循环环境的数水循环本身的数据；另一种是描画水循环环境的数据。而这两种数据本身都具有空间性和时间性，因据。而这两种数据本身都具有空间性和时间性，因此遥感数据也

3、具有空间和时间的特性。此遥感数据也具有空间和时间的特性。 遥感数据的特点遥感数据的特点遥感数据构造类型转换具有下述三方面含义：遥感数据构造类型转换具有下述三方面含义：第一，扫描影像数据的构造呈栅格型；第一，扫描影像数据的构造呈栅格型；第二，在信息系统中，矢量型数据构造与栅格型数据构造第二，在信息系统中，矢量型数据构造与栅格型数据构造可以相互转换；可以相互转换； 第三，位于每一栅格上的事物特征与属性都可以数字化，第三，位于每一栅格上的事物特征与属性都可以数字化，以顺应水文计算的需求。以顺应水文计算的需求。Zuo Qiting5.1.2 5.1.2 全球定位系统全球定

4、位系统GPSGPS技术技术 GPS GPS根本系统根本系统 GPS GPS的根本系统由的根本系统由GPSGPS卫星星座、地面监控系卫星星座、地面监控系统和统和GPSGPS信号接纳机三部分构成。信号接纳机三部分构成。GPSGPS卫星星座共卫星星座共有有2424颗卫星，其中颗卫星，其中2121颗是任务卫星，颗是任务卫星，3 3颗是在轨颗是在轨的备用卫星。这些卫星分布在的备用卫星。这些卫星分布在6 6个倾角为个倾角为5555度的度的圆形轨道上。卫星的运转周期为圆形轨道上。卫星的运转周期为1212恒星时恒星时718718分钟。星座的这种分配可以确保地球上任何地分钟。星座的这

5、种分配可以确保地球上任何地点，都能同时在地平线点，都能同时在地平线1010度以上区域内接纳到导度以上区域内接纳到导航定位必需的航定位必需的4 4颗卫星的颗卫星的GPSGPS信号，从而实现全球信号，从而实现全球的三维定位和导航。的三维定位和导航。Zuo Qiting GPS GPS导航、定位原理导航、定位原理 在地面监控系统的支持下，在地面监控系统的支持下，GPSGPS星座的卫星向宽广用户星座的卫星向宽广用户延续不断地发送导航定位信号并报告本人和其他卫星的位延续不断地发送导航定位信号并报告本人和其他卫星的位置。由于置。由于GPSGPS卫星在空中的位置是知的，这样用户只

6、需用卫星在空中的位置是知的，这样用户只需用GPSGPS接纳机同时测得某一时辰接纳机到视场中三颗接纳机同时测得某一时辰接纳机到视场中三颗GPSGPS卫星卫星的间隔，就可以用间隔交会的方法求解用户所在地的三维的间隔，就可以用间隔交会的方法求解用户所在地的三维坐标。因此，全球定位系统是一种采取间隔交会法的卫星坐标。因此，全球定位系统是一种采取间隔交会法的卫星导航定位系统。导航定位系统。Zuo Qiting GPS GPS测距码测距码 GPS GPS经过比较卫星和接纳机在各自时钟控制下经过比较卫星和接纳机在各自时钟控制下所产生的具有一样构造的测距码和本地码，来确定所产生的具

7、有一样构造的测距码和本地码，来确定信号传播时间，从而确定间隔。信号传播时间，从而确定间隔。 GPS GPS测距码分为粗码和精码。粗码的码元长度测距码分为粗码和精码。粗码的码元长度每个码所继续的时间与光速的乘积为每个码所继续的时间与光速的乘积为293m293m，精码的码元长度为精码的码元长度为29.3m29.3m。由于相关处置的精度。由于相关处置的精度大约为码元长度的大约为码元长度的1/1001/100左右。因此用精码测距左右。因此用精码测距可以获得更高的精度。可以获得更高的精度。 Zuo Qiting5.1.3 5.1.3 地理信息系统地理信息系统GISGIS技术技术 GIS5.

8、1.3.1 GIS的根本概念的根本概念 广义的地理信息系统包括：管理和运用地理信息系广义的地理信息系统包括：管理和运用地理信息系统的人；描画地球外表空间分布事物的地理数据；管统的人；描画地球外表空间分布事物的地理数据；管理与分析空间数据的软件；输入、存储、处置和输出地理与分析空间数据的软件；输入、存储、处置和输出地理数据的硬件。理数据的硬件。 狭义的地理信息系统是一个具有多种功能的计算机软、狭义的地理信息系统是一个具有多种功能的计算机软、硬件系统。它是一个硬件系统。它是一个“具有空间数据的采集、存储、检索、具有空间数据的采集、存储、检索、分析和可视化的数据库管理系统。分析和可视化的数据库管理系

9、统。Zuo Qiting GIS GIS的主要功能的主要功能地理信息系统的根本功能有地理信息系统的根本功能有5 5项：项： 数据采集与编辑功能。数据采集与编辑功能。 地理数据库管理功能。地理数据库管理功能。 制图功能。制图功能。 空间查询与空间分析功能。空间查询与空间分析功能。 地形分析等多种功能。地形分析等多种功能。 Zuo Qiting5.2 RS5.2 RS在水文模拟中的运用在水文模拟中的运用5.2.1 5.2.1 水文遥感数据水文遥感数据 由于水体在可见光、近红外、热红外、微波等波段上具有由于水体在可见光、近红外、热红外、微波等波段上具有独特的光谱特性在遥感

10、图像上很容易被识别出来。同时，水体独特的光谱特性在遥感图像上很容易被识别出来。同时，水体内所含的物质如泥沙、矿物质、氧化物等，可以使遥感图像发内所含的物质如泥沙、矿物质、氧化物等，可以使遥感图像发生变化，也能被识别出来。与水有关的土壤、岩层、植被等也生变化，也能被识别出来。与水有关的土壤、岩层、植被等也因受水体影响，很容易在遥感图像上识别出来。遥感技术在水因受水体影响，很容易在遥感图像上识别出来。遥感技术在水文学中的应器具有得天独厚的优势魏文秋，文学中的应器具有得天独厚的优势魏文秋，19951995。 遥感探测水文要素大体有以下几种类型：地表水、土壤遥感探测水文要素大体有以下几种类型：地表水、

11、土壤及地下水、雪与冰、水质、流域特征流域面积、坡面汇流及地下水、雪与冰、水质、流域特征流域面积、坡面汇流长度、外表坡度、地面覆盖类型、土地利用、地面反射率长度、外表坡度、地面覆盖类型、土地利用、地面反射率等、气候水文要素降水、土壤蒸发与植被蒸腾、水面蒸等、气候水文要素降水、土壤蒸发与植被蒸腾、水面蒸发等等。发等等。 Zuo Qiting5.2.2 5.2.2 水文气候遥感水文气候遥感 水文气候遥感包括：降水遥感水文气候遥感包括：降水遥感 ，蒸发遥感，蒸发遥感 ，积雪遥感积雪遥感 ，地表水遥感，地表水遥感 ，土壤水遥感，地下水遥，土壤水遥感，地下水遥感感 。 1972 1972年年Priestl

12、ey Priestley 和和Taylor Taylor 提出了一种直接提出了一种直接利用卫星遥感数据计算潜在蒸发的公式。利用卫星遥感数据计算潜在蒸发的公式。 LRETn28. .1式中：式中：为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率；为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率；为湿度为湿度计常数；计常数；RnRn为净辐射；为净辐射；L L 为汽化潜热为汽化潜热 。Zuo Qiting5.2.3 5.2.3 地表特征遥感地表特征遥感 地表特征也称水文下垫面，它影响着径流、泥地表特征也称水文下垫面，它影响着径流、泥沙及污染物的构成、运移及存储过程。沙及污染物的构成、运移及存储过程。 地表特征遥

13、感包括：地貌形状，植被类型，土地表特征遥感包括：地貌形状，植被类型，土壤类型。壤类型。Zuo Qiting5.3 DEM5.3 DEM在水文模拟中的运用在水文模拟中的运用5.3.1 5.3.1 关于关于DEMDEM的概述的概述 数字高程模型数字高程模型DEMDEMDigital Elevation ModelDigital Elevation Model是由美国麻省理工学院是由美国麻省理工学院Chaires L.MillerChaires L.Miller教授于教授于19561956年提出来的，其目的是用摄影丈量或其他技术手段获年提出来的，其目的是用摄影丈量或其他技术手段获得地形数据，在满足一

14、定精度的条件下，用离散数字得地形数据，在满足一定精度的条件下，用离散数字的方式在计算机中进展表示，并用数字计算的方式进的方式在计算机中进展表示，并用数字计算的方式进展各种分析。展各种分析。DEMDEM作为地理信息系统的根底数据，已作为地理信息系统的根底数据，已在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得到广泛运用。到广泛运用。 Zuo Qiting DEM DEM的根本知识的根本知识1 1地形的数字描画地形的数字描画 1958 1958年年MillerMiller和和LaflammeLaflamme提出了数字地形模型提

15、出了数字地形模型DTM(Digital Terrain Model)DTM(Digital Terrain Model)的概念，并给出了定义：的概念，并给出了定义：“数字地形模型是利用一个恣意坐标场中大量选择的知数字地形模型是利用一个恣意坐标场中大量选择的知X X、Y Y、Z Z的坐标点对延续地面的一个简单的统计表示。的坐标点对延续地面的一个简单的统计表示。 它的更通用的定义是描画地球外表形状多种信息空间分布它的更通用的定义是描画地球外表形状多种信息空间分布的有序数值阵列。它的本质共性是二维地理空间定位和数字描的有序数值阵列。它的本质共性是二维地理空间定位和数字描画。画。 Zuo Qiting

16、 从数学的角度，从数学的角度，DEM可以用以下二维函数系列来可以用以下二维函数系列来概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样方式：概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样方式：), 3 , 2 , 1;, 3 , 2 , 1( ,npmkvufKppkp.1式中，式中，Kp第第p号地面点可以是单一的点，但普通是某点及其微小号地面点可以是单一的点，但普通是某点及其微小 邻域所划定的一个地外表元上的第邻域所划定的一个地外表元上的第k类地面特性信息的取值；类地面特性信息的取值； up,vp第第p号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐

17、标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等； m 地面特性信息类型的数目地面特性信息类型的数目m1； n 地面点的个数。地面点的个数。Zuo Qiting2 2DEMDEM的含义和特点的含义和特点 DEM DEM是构成是构成DTMDTM的根底，它是对地球外表地形地貌的一的根底，它是对地球外表地形地貌的一种离散的数字表示。实践上，在式种离散的数字表示。实践上，在式.1中，当中，当m=1m=1且且f1f1为地面高程的映射，为地面高程的映射，upup，vpvp为矩阵行列号时，式为矩阵行列号时，式.1表达的数字地面模型即所谓的数字高程模型表

18、达的数字地面模型即所谓的数字高程模型DEMDEM。显然，显然，DEMDEM是是DTMDTM的一个子集，用函数的方式描画为：的一个子集，用函数的方式描画为： niZYXViiii, 3 , 2 , 1 ,.2式式.2中，中，XiXi，YiYi是平面坐标，是平面坐标，ZiZi是是XiXi，YiYi对应对应的高程。的高程。 Zuo Qiting DEM作为地形外表的一种数字表达方式，有如下特点：容易以多种方式显示地形信息；精度不会损失；容易实现自动化和实时化。 概括起来，数字高程模型具有以下显著特点：概括起来，数字高程模型具有以下显著特点：便于存储、更新、传播和计算机

19、自动处置；具有多便于存储、更新、传播和计算机自动处置；具有多比例尺特性，如比例尺特性，如1m1m分辨率的分辨率的DEMDEM自动涵盖了更小分自动涵盖了更小分辨率如辨率如10m10m和和100m100m的的DEMDEM内容；特别适宜于各种定量内容；特别适宜于各种定量分析与三维建模。分析与三维建模。Zuo Qiting3 3DEMDEM的分类的分类根据不同的分类规范，根据不同的分类规范，DEMDEM具有以下几种类型：具有以下几种类型：根据大小和覆盖范围分类：部分的根据大小和覆盖范围分类：部分的DEMDEMLocalLocal；全局的全局的DEMDEMGlobelGlobel；地域的；地域的DEMD

20、EMRegionalRegional。根据根据DEMDEM数据的规那么性分类：直测型数据的规那么性分类：直测型DEMDEM，计算，计算型型DEM DEM 。根据模型的延续性分类：不延续的根据模型的延续性分类：不延续的DEMDEM，延续的，延续的DEM DEM 。Zuo Qiting4 4DEMDEM数据生成数据生成 DEM DEM数据包括平面位置和高程数据两种信息，数据包括平面位置和高程数据两种信息，可以直接在野外经过全球仪或者可以直接在野外经过全球仪或者GPSGPS、激光测距、激光测距仪等进展丈量，也可以间接地从航空影像或者遥仪等进展丈量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及现有的地形图上

21、得到。感图像以及现有的地形图上得到。 目前，大规模采集目前，大规模采集DEMDEM数据最有效的方式是数据最有效的方式是摄影丈量和地形图数字化。摄影丈量和地形图数字化。Zuo Qiting5 5DEMDEM的数据格式的数据格式 在流域地形分析中，常用的在流域地形分析中，常用的DEMDEM有三种格式：栅有三种格式：栅格型格型GridGrid、不规那么三角网、不规那么三角网TINTIN，Triangular Triangular Irregular NetworkIrregular Network和等高线和等高线ContourContour。 其中栅格其中栅格DEMDEM的计算处置方法较简单，在构造

22、上容易与遥的计算处置方法较简单，在构造上容易与遥感数据相匹配，缺陷在于对复杂的地形难于确定适宜的格网感数据相匹配，缺陷在于对复杂的地形难于确定适宜的格网大小。格网太小，容易产生大量的数据冗余；格网太大，难大小。格网太小，容易产生大量的数据冗余；格网太大，难于反映复杂的地形。于反映复杂的地形。DEMDEM的三种数据格式在的三种数据格式在GISGIS的软件中都可的软件中都可以相互转换。以相互转换。Zuo QitingZuo Qiting 流域地形因子计算流域地形因子计算 坡度和坡向是两个最常用的根本地形因子，在坡度和坡向是两个最常用的根本地形因子，在DEMDEM运用中

23、担当着非常重要的角色。运用中担当着非常重要的角色。 地面上某点的坡度是表示地外表在该点倾斜程度的一个地面上某点的坡度是表示地外表在该点倾斜程度的一个量。因此，它是一个既有大小又有方向的矢量。坡度矢量从量。因此，它是一个既有大小又有方向的矢量。坡度矢量从数学上来讲，其模等于地表曲面函数在该点的切平面与程度数学上来讲，其模等于地表曲面函数在该点的切平面与程度面夹角的正切，其方向等于在该切平面上沿最大倾斜方向的面夹角的正切，其方向等于在该切平面上沿最大倾斜方向的某一矢量在程度面上的投影方向亦即坡向。可以证明：某一矢量在程度面上的投影方向亦即坡向。可以证明：任一斜面的坡度等于它在该斜面上两个相互垂直方

24、向上的坡任一斜面的坡度等于它在该斜面上两个相互垂直方向上的坡度分量的矢量和。度分量的矢量和。Zuo Qiting 计算坡度的方法可归纳为五种：四块法、空间矢量分析法、拟合平面法、拟合曲面法、直接解法。经证明，发现拟合曲面法是求解坡度的最正确方法。 拟合曲面法普通采用二次曲面，即拟合曲面法普通采用二次曲面，即3 33 3的窗口如图的窗口如图.2。每个窗口中心为一个高程点。点。每个窗口中心为一个高程点。点e e的坡度、坡向的坡度、坡向计算公式如下：计算公式如下：坡度的计算公式：坡度的计算公式：22snweSlopeSlopeSlope.3Zuo Qiting坡向的计

25、算公式：坡向的计算公式：wesnSlopeSlopeAspect/.4式中，式中，SlopeSlope为坡度，为坡度，AspectAspect为坡向，为坡向，Slope weSlope we为为 X X方向上方向上的坡度，的坡度，Slope snSlope sn为为Y Y方向上的坡度。方向上的坡度。Zuo Qiting关于关于Slope weSlope we、Slope snSlope sn的计算可采用以下算法：的计算可采用以下算法：算法算法1 1cellsizeeeSlopewe231cellsizeeeSlopesn2.5Zuo Qiting算法算法2

26、2： cellsizeeeeeeeSlopewe822637518 cellsizeeeeeeeSlopesn8227386.6式中，式中，cellsizecellsize为格网为格网DEMDEM的格网间隔。的格网间隔。E EHodgsonHodgson对有关坡度计算的几种算法进展比较后，得出结论：对有关坡度计算的几种算法进展比较后，得出结论：算法算法1 1的精度最高，计算效率也是最高的，其次是算法的精度最高，计算效率也是最高的，其次是算法2 2。 Zuo Qiting5.3.2 5.3.2 流域河网构造提取流域河网构造提取 三个根本水文因子数

27、字矩阵的生成三个根本水文因子数字矩阵的生成1 1无洼地无洼地DEMDEM的生成的生成 经过消除洼地的处置可以生成无洼地经过消除洼地的处置可以生成无洼地DEMDEM。在无洼。在无洼地地DEMDEM中，自然流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。中，自然流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。因此，借助无洼地因此，借助无洼地DEMDEM可以对原数字模型区域进展自然流可以对原数字模型区域进展自然流水模拟分析。水模拟分析。 目前，消除洼地的常用方法有滤波目前，消除洼地的常用方法有滤波Callaghan Callaghan MarkMark，19841984；MarkMark，19831983和填洼和填洼M

28、arksMarks，19841984；Jenson Jenson Domingue Domingue，19881988。滤波法可以消除孤立的、。滤波法可以消除孤立的、较浅的洼地，而保管较大的洼地；填洼法可以消除一切的较浅的洼地，而保管较大的洼地；填洼法可以消除一切的洼地，但会产生大片平坦的地形。洼地，但会产生大片平坦的地形。 Zuo QitingDEMDEM填洼效果填洼效果 Zuo Qiting2 2水流方向矩阵的计算水流方向矩阵的计算 水流方向是指水流分开网格时的指向，它决议着水流方向是指水流分开网格时的指向，它决议着地表径流的方向及网格单元之间流量的分配。目前，地表径流的方向及网格单元之间

29、流量的分配。目前，关于水流方向确实定方法有：关于水流方向确实定方法有：D8D8方法或单流向法、方法或单流向法、Rh08Rh08方法、多流向法、方法、多流向法、AspectdriveAspectdrive方法和方法和DEMONDEMON方法方法等。运用比较广泛的是等。运用比较广泛的是D8D8方法和多流向法。方法和多流向法。Zuo Qiting单流向算法：单流向算法：D8D8O OCallaghan & MarkCallaghan & Mark，19841984是采用是采用3 33 3的窗口，如方框图所示，的窗口，如方框图所示，8 8个方向分别个方向分别赋不同的编码记录水流的方向，计算单元格与周赋

30、不同的编码记录水流的方向，计算单元格与周围八个单元格的坡降，按最陡坡度原那么确定单围八个单元格的坡降，按最陡坡度原那么确定单元格网的流向。元格网的流向。Zuo Qiting多流向法多流向法 多流向法按照梯度比分配从较高格网多流向法按照梯度比分配从较高格网到相邻较低格网的流量，详细的计算公式如下：到相邻较低格网的流量，详细的计算公式如下： pijpijijSSf.7式中，式中，f ij 表示从格网表示从格网i分给格网分给格网j的流量部分；的流量部分；p 无量纲常数；无量纲常数；S ij 表示从格网表示从格网i到格网到格网j 的方向坡的方向坡度；度；Zuo Qiting22jiji

31、jiijyyxxZZS.8式中，式中，x ,y x ,y 格网单元的平面直角目的；格网单元的平面直角目的；Z Z 格网单元的高程。格网单元的高程。 Zuo Qiting3 3水流累积矩阵的计算水流累积矩阵的计算 水流累积矩阵表示区域地形每点的流水累积量，可水流累积矩阵表示区域地形每点的流水累积量，可以用区域地形曲面的流水模拟方法得到。而流水模拟又以用区域地形曲面的流水模拟方法得到。而流水模拟又可用区域可用区域DEMDEM的水流累积矩阵来进展。其根本思想是，的水流累积矩阵来进展。其根本思想是，以规那么格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单以规那么格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量，按照水从高处流向低处的自然规律，根据区位的水量，按照水从高处流向低处的自然规律，根据区域地形的水流方向矩阵计算每点处所流过的水量数值，域地形的水流方向矩阵计算每点处所流过的水量数值，便可以得到该区域水流累积数字矩阵。在此过程中，实便可以得到该区域水流累积数字矩阵。在此过程中，实践上运用了权值为践上运用了权值为1 1的权矩阵，假设思索特殊情况如的权矩阵，假设思索特殊情况如降水不均匀，那么可以运用特定的权矩阵，以更准确降水不均匀，那么可以运用特定的权矩阵，以