基于dem的河网生成子流域划分方法研究

基于dem的河网生成子流域划分方法研究

1dem方法在流域分类中的应用随着社会经济的发展，人类对该流域的影响日益增强。人类活动在极大地优化资源开发模式、改变土地利用方式,提高社会生产力的同时,也不可避免地改变了流域局部区域的植被、土壤等下垫面条件,使得流域水文循环过程、物质循环过程发生剧烈变化,引发了一系列严重后果,也带来了许多环境问题。比如,在泥石流频发区,河道两岸,甚至同岸坡不同部位都具有不同的地形地貌特征,这对泥石流的产生有着很大的影响,张万顺,乔飞(2006)在对蒋家沟流域进行划分的基础上解决了泥石流产汇分布不规律的问题。因此,对于流域内的区域特征特别突出的问题,必须根据研究内容和尺度的不同对流域进行有效划分。遥感科学、地理科学的发展使得用于流域研究的基础数据更加丰富、更加充分、更加全面,数据源和数据形式也更加多样化,对资料的整编和处理方法也提出了更高的要求。就地形数据而言,DEM具有原理简单,使用方便的特点,是目前地理研究中使用最多、最成熟的一种形式。基于DEM提取流域河网、划分子流域的方法研究已经取得了比较大的进展,为进行流域划分提供了充分的理论和方法基础。TribeA(1992)提出自动从DEM识别流域河谷线和流域河网的方法。P.Venkatachalam,B.KrishnaMohan等(2001)根据DEM自动识别流域汇水区和河网结构,在低分辨率下给出了较好结果。DavidG.Tarbotont(2003)提出利用网格DEM提取水流方向和汇水坡带面积,该方法以单方向水流为基础,具有较好的局部适应性。B.S.DayaSagar,M.B.R.Murthy利用形态学方法,主要研究从遥感数据或者地形数据获取的DEM数据提取流域河网。TurcotteR(2001)在DEM识别的基础上,通过实测数字河道及湖泊汇水区河网进行修正,比较好地识别出了流域河网。O’callaghen、Mark(1984)以水流在地表沿着坡度最大线流动为基础,提出了识别的流域参数主要包括坡度、坡向、水沙运移方向、河谷汇流网络、流域界线等的方法,这种方法在很多领域得到了广泛的应用,也是近来各种延伸算法的基础。任立良等(1999)基于DEM考虑流域空间的变异性,建立数字高程流域水系模型。张成才等(2002)进行了基于DEM模型的流域参数识别方法研究。周贵云(2000),章毅之(2003),李昌峰(2003),孙艳玲(2004),朱庆(2004),徐涛(2004)等改进了基于规则DEM提取流域河网的理论和方法,在对洼地进行预处理的基础,利用数字地形分析技术从DEM中直接生成河网、划分流域界限乃至提取流域内的地形属性,并在不同的领域里得到了验证,能够很好地满足实际应用。乔飞(2006),叶爱中(2005)在不需要进行DEM预处理的情况下进行流域河网的识别,并进行子流域提取,在实例应用中也取得了比较好的结果。关于DEM的理论和方法已经在众多的领域中应用,取得了较好的效果,为进一步应用打下了坚实的基础。基于DEM进行流域河网的提取分为直接方法和间接方法,间接方法提取过程中能够生成网格水流流向矩阵和网格水流累积矩阵,这两者是流域河网坡岸带汇水区划分的基础。本文在基于DEM提取流域河网的基础上,重点阐述利用网格水流流向矩阵、河道网格与非河道网格位置关系来划分流域河网坡岸带汇水区的原理和方法,并在蒋家沟流域进行实际应用,得到较好的结果,证明了该方法的适用性和可行性,可为进一步的相关研究提供支持。2原则和方法2.1河网坡岸带汇水区网格划分基于DEM识别河网的实质就是把全部网格分为两个类型(图1):(1)河道网格;(2)非河道网格。基于DEM划分河网坡岸带汇水区的实质就是进一步把非河道网格分为三个子类型:(1)左岸汇水区网格;(2)右岸汇水区网格;(3)源头汇水区网格。对任意河段对应的汇水区而言,可能同时包含三种类型,也可能只包含其中的两种类型。图3显示,具有源头汇水区的源头河段基本都包含三种汇水网格,而无源头汇水区的中间河段只包含两种。2.2建立网格特征矩阵基于DEM(图4)识别流域河网的方法很多,常用的D8方法在识别出流域河网的同时生成了网格的两个特征矩阵,网格流向矩阵(图5)和网格水流累积矩阵(图6)。本文对方法不作进一步讨论,仅给出其表现形式。2.3非河道网格坡岸带类型的确定基于DEM划分河网坡岸带汇水区首先要分析DEM中河道网格和非河道网格的外在表现形式和内在特点,在此基础上解析两者之间的关系,确定不同的情况下非河道网格的坡岸带类型。2.3.1从河网距离流域出口距离看从DEM中提取出来的河道是一类具有一定外在表现形式和内在特征的网格集合。从形式来看,河网是由一系列单流向网格依次连接而成,从河网的起点到流域出口都是连通的(图7);从其内在特征来看,河道网格的高程一般都较周围非河道网格低,河道网格的水流累积值较大的,即具有相对较大的汇水区面积,任意河道网格的出流网格必然也是河道网格。2.3.2河道网格内的内特征DEM中坡岸带是一类具有一定外在表现形式和内在特征的网格集合。从形式上来看,坡岸带汇水区是分布在河道网格两边的非河道网格(图8),左岸汇水区分布在河道网格左边,右岸汇水区分布在河道网格右边;从内在特征上来看,坡岸带汇水区就是从不同方向流入河道的非河道网格的集合,这些网格的水流累积值均小于河道网格的水流累积值,由上游至下游逐级流入对应的河道网格,左岸汇水区从河道左边流入河道,右岸汇水区从河道右边汇入河道。图8网格中的数值代表网格流入河道网格所要经过的非河道网格数,反映了非河道网格的汇水级别。2.3.3入流网格确定的数值结果DEM中非河道网格是由上游至下游逐级流入河道的,可以将其分为邻河网格及非邻河网格。与河道网格直接相邻并且直接流入河道网格的为邻河网格,否则为非邻河网格。例如,图8中值为1的网格为邻河网格,大于1的网格为非邻河网格。从图8还可以看出,并不是所有与河道网格相邻的网格都为邻河网格,而是与河道网格相邻并且直接流入河道网格的才为邻河网格。邻河网格直接流入河道,非邻河网格必然经过邻河网格流入河道。因此,邻河网格坡岸带的类型成为识别非河道网格坡岸带类型的关键,而通过解析邻河网格与河道网格之间的位置关系来识别邻河网格坡岸带类型则是一个重要途径。DEM中分析网格流向时常采用D8方法,即中心网格(0)可能流向周围8个网格中的一个(图9a)。相对而言,中心网格(0)的入流网格却可能是周围8个网格中的一个或者多个河道网格(例如,图9b为单网格入流示意图,图9c、图7中流域出口网格都有2个网格流入),需要分情况讨论。1)只有1个上游网格绝大多数河道网格都只有1个上游网格,如果上游入流网格已经确定,其可能流向的下游网格有5个(图10a～图10e)。当中心网格的上游网格和下游网格均已确定,中心网格周围最多有6个邻河网格(图10a～图10e中值为1、2的网格可能为邻河网格)。图10a～图10e显示了中心网格上游入流网格确定的情况下,下游网格处于不同的5个位置时,6个邻河网格的坡岸带类型情况(假设6个邻河网格全部流向中心网格,一般情况下,6个邻河网格中只有部分流入中心网格,不流向中心网格的不做考虑),图中1表示左岸汇水区,2表示右岸汇水区。如果以研究区域内所有河道网格为中心网格进行逐个分析,就可以得到研究区域内任意邻河网格的坡岸带类型。对任一河道网格而言,可能有8种入流情况(图9a),入流、出流网格组合共计是40种情况,上面解析了其中一种入流的5种情况,其余35种情况基本类似,此处不再重复。2)多个上游网格对于有2个或者更多上游网格的河道网格而言,如果上游入流网格已经确定,其可能流向的下游网格有4个或者更少(图11a～图11Ⅱ)。图11a～图11Ⅱ显示了所有28种网格入流组合下中心网格可能的出流方向,图中0表示网格可能的出流方向。当中心网格的上游入流网格(2个)和下游出流网格均已确定,中心网格周围有5个(假设5个邻河网格全部流向中心网格,一般情况下,5个邻河网格中只有部分流入中心网格)或者更少的邻河网格。以图11b为例,假设中心网格的出流方向确定(图12a),图中X均为可能的邻河网格。结合网格水流流向矩阵进行分析,就能够得到邻河网格的坡岸带类型分布(图12b),图中0表示源头汇水区网格,1表示左岸汇水区,2表示右岸汇水区。图7、图8中的出口网格正是图12a所示的情况。根据以上的分析结果,以研究区域内所有河道网格为中心网格进行逐个分析,就可以得到流域内任意邻河网格的坡岸带类型,邻河网格坡岸带类型确定后,自上而下或者自下而上逐级演算(图8中显示出了网格汇水级别),即可得到研究区域内所有非河道网格的坡岸带类型。另外,上游有3个或者3个以上入流网格的情况比较少见,也更复杂,此处不做进一步讨论。3流域dem数据本文对云南蒋家沟流域进行流域河网坡岸带划分,流域面积48.6km2,DEM数据精度为10×10m,网格数目为1224×743,图13为流域的DEM图,图14为流域的实测河网图。3网格区的汇水区对任意网格而言,对河段属性、汇水级别和坡岸带3个变量进行组合,便可以很清晰地描述网格的汇水区情况。比如,当网格的河段属性为3,汇水级别为1,坡岸带类型为1时,就可以知道网格属于3号河段的左岸邻河网格。图18为全流域的河网汇水坡岸带划分结果。4基于dem的流域河网坡面带识别本文详细阐述了基于DEM划分河网坡岸带汇水区的原理和方法,并应用该方法划分蒋家沟流域的坡岸带汇水区,得到了较好的结果,验证了方法的可行性。1)利用DEM中网格流向矩阵和网格水流累积矩阵之间的逻辑关系,挖掘出坡面带网格的特征和规律,继而提出基于DEM识别流域河网坡面带的方法。2)应用该方法对云南蒋家沟流域进行流域河网坡面带进行识别,得到了比较理想的识别结果,说明该方法在山区流域具有可行性。3)应用该方法能够识别出不同尺度的流域坡面带,具有一定的地形特征,如与其他特征相结合能够服务于不同领域的研究,文中蒋家沟流域的识别结果为泥石流预报模型的开发提供了支持。从图11a～图11Ⅱ可以看出,上游入流网格(2个)和下游出流网格组合共有79种,图12a、图12b显示了其中的