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数字流域水系构建方法浅析

时间:2012-03-10


第 ((卷第 )期





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!"#$%&%’"

数字流域水系构建方法浅析
李春红, 任立良, 达卫特, 王美荣
( 河海大学 水资源环境学院! 江苏 南京 (+**6T ) 摘 要: 基于辽河水系老哈河流域栅格 !"# 数据, 分别采用数字高程流域水系模型( 、 河流工 !"!$#)

地理信息系统.)/’&(0软件, 根据地形提取水系信息, 构建数字流域, 并分析比较了三者在 具 %&’()*++,-、 凹陷区域识别、 水系、 子流域及其拓扑关系生成方面的差异。 总的来说, 数字高程流域水系模型的可修改 性较好; 而%&’()*++,-软件可视化程度高, 使用方便, 并具备强大的图示和地形分析功能; .)/’&(0 基于地 更易于进行二次开发。 理信息系统( 123) 关键词: 数字高程模型; 数字流域; 水系; 地理信息系统 中图分类号: 4567 文献标识码: . 文章编号: 8666967:5;5665<6=9666896>

+

引言
近+*年来, 数字技术正促使一切科学技术领域发生

主要用 分析功能, 包括 #T 和 #3KAR:A:<M 两种流向算法, 于地貌和水文分析,其可视化程度很高; PD1@:0H 可支 持 U 种数据格式,它的 !MCD->-;:1 B-C0> 具备提取水系 信息的功能。 栅格型、 矢量型和 #?B 的 数 据 类 型 一 般 有 三 种 : 这 不规则三角网OK/ VOD:=A;W>=<0C KDD0;W>=D /0<H-DIX 。 三种描述高程空间数据的类型可通过 ’KJ 软件相互转 换 849。本文应用辽河水系老哈河流域栅格型 #?B 数据 分析比较数字流域水系的构建方法。

一场深刻的变革, 水文科学也正在经历着这样一场前所 数字高程模型( 缩 未有的革新8+9。 #:;:<=> ?>0@=<:-A B-C0>, 数据的普及为水文学的发展提供了一个新的 写为#?B) 数据源, 基于#?B构建的数字流域是水文研究的基础设 施, 是水文研究的技术平台。 目前, 利用数字高程数据模拟流域地形、 水系、 集 水面积、 坡度等的方法很多, 本文采用了下列三种软
8(9 研制的数字高程流域 件: 由 B=D<E 和 ’=DFD01G< ( +66()

(

流域资料概况
老哈河是辽河西北部的一条支流, 地跨辽宁、 河

水系模型( #:;:<=> ?>0@=<:-A #D=:A=;0 /0<H-DI B-C0> , 缩写为#?#/B) , 它包含许多子程序, 每一子程序都完 公司的 成一种算法; 美 国 $JK ( $0L0=D1G JML<0N KA1. )

北两省和内蒙古自治区,地形较为复杂,海拔高度 其集 5*UY+ 64UN 。选取小河沿测站为流域控制断面, 水面积为 +T U66 IN(。 北纬 所用高程数据的地理位置为东经++7ZY+(*.UZ, 包含(77行、 栅格#?B数据来自美国国 5+ZY54.4Z , 5(+列。 家地球物理数据中心提供的全球陆地一公里基础高程 数 ’&%[? ( ’>-F=> &=AC %A03I:>-N0<0D [=L0 ?>0@=<:-A) 据, 其空间分辨率为4*秒。

$:@0DO-->L软件是一个河网水系提取和地形分析软件,
美 可以处理大数据量 #?B,并实现地形模型可视化; 国 环 境 系 统 研 究 所 ?J$K 开 发 的 PD1@:0H 、 PD1 Q KAR- 软 件 也具有提取流域水系信息的功能。 水系 #?#/B采用栅格型#?B数据自动生成流域、 及其拓扑 关 系 , 其可修改性较好, 但需借助地理信息 系 统 ’KJ ( 软件来完成 ’0-;D=SG:1 KAR-DN=<:-A JML<0N) 可视化; $:@0DO-->L 软件的使用则方便、 容易得多, 它 能支持 +* 种目前通用的 #?B 格式, 并具有地形和流域
收稿日期: (**(3*43+5 基金项目: 国家重点基础研究专项经费资助项目( ; 国 ’+666*545** ) 家自然科学基金资助项目( 5*+7+*+) )

4
!"#

流域信息提取
凹陷区域识别与处理 任 何 一 个 流 域 的 #?B 数 据 都 不 可 避 免 地 存 在 局

部凹陷和平坦的栅格单元, 致使水流方向无法确定, 其 处理方法根据人们对该问题认识的不同而不同。一般 垂向分辨率 *.+N) 来说, 在高分辨率( 水平分辨率 +UN、

-





第 -- 卷

地形起伏较小的区域, "#% 中的凹陷处应视为实际的 地形特征, 将其作为洼地或小蓄水池来处理; 而对于低 分辨率的区域, 则可以认为凹陷处是由 "#% 生成过程 的内插和输出结果的取整及高程数据误差造成的, 需 要人为干预 。 "#"$% 采用 %0’12 和 30’4’+(51 ( 677-)
.!/ .-/

位置经纬度, 也可直接从文件中读取。 8*)+’9::;< 具备 自动生成各级水系( 包括伪水道和短的水道) 的功能, 并可根据需要选择裁剪河流的级数,但在全流域内只 可剪除相同级数的河段, 无法根据不同的地形、 地貌选 择裁剪不同的河流级数。 应用8*)+’9::;<软件生成的小 河沿断面控制的老哈河水系如图= 所示。 对"#"$% 而言,给定流域出口断面的初步位置, 即出口断面所在栅格单元行列坐标,程序运行时将在 屏幕上显示所给流域出口断面附近栅格单元的上坡集 水面积, 以便由此确定流域出口断面位置.>/。生成河网 的稀疏,是由输入的临界集水面积和最小水道长度确 定的, 因此可根据需要进行选择, 裁剪伪水道和短的水 为了反映流域 道, 并将生成的水系用&’()*+,软件展示。 下垫面特性的空间不均匀性对水系发育的影响,

提出的高程增量迭加法,即通过平坦栅格单元数字高 程的微调 ( 增高)产生整个研究区域内合理的汇流水 系,这种处理方法避免了任意设置排水路径的弊端;

8*)+’9::;<的功能进一步增强,除高程增量迭加法外,
还可选择使用交互式连接法、地形坡度增强法或允许 闭合区域存在。本文老哈河流域小河沿测站以上区域 的研究均采用“ 高程增量迭加法” 。

!"#

流域及其水系生成 给 定 的 "#% 数 据 为 包 括 流 域 在 内 的 矩 形 区 域 栅

格数据, 如何从中自动提取水系、 分水线并划分流域是 构建数字流域 的核心问题, 水道给养面积阈值( 又称
.=/

"#"$% 还提供了将全流域划分为几个子区域并设定
不同的临界集水面积和最小水道长度值的功能。由

临界集水面积)概念的提出为流域水系的确定提供了 一种行之有效的方法。确定流域出口断面位置是提取 流域出口位置 流域分水线的关键所在。 8*)+’9::;< 中, 是通过鼠标点击区域内任意一点从而显示水流路径, 然后使用调节杆在此路径上选择确定的,其空间位置 若已知流域出口 由计算机自动提取, 如图 6和图-所示。

"#"$%生成并用&’()*+,软件展示的老哈河水系如图!
所示。 在矩形栅格数据区域内, &’()*+, 根据所选择汇入 河段和流域的最小栅格数确定水道的裁剪度,从而自 应 动提取各级水系和其分水线。基于栅格 "#% 数据, 用&’()*+, 软件生成的老哈河水系与图! 基本一致。

图6

8*)+’9::;<确定的老哈河流域出口位置

图-

小河沿站控制的流域出口位置

图=

8*)+’9::;<生成的老哈河流域水系

图!

"#"$% 生成并用 &’()*+, 展示的水系

第!期

李春红等: 数字流域水系构建方法浅析

R

!"!

子流域划分

输出。
.!/

"#"$% 生成水系后按 &’()(*+,- 编码系统自动编
而后通过搜寻每一格网 码, 确定 01(-1234-(’,5*( 级数, 所在位置, 判断该格网位于河段内、 水道左侧或右侧, 从而获得每一级河段上游、左右岸集水面积及河道本 身面积值, 相加得此河段对应子单元面积 。
.6/

789*(:115; 的拓扑关系表包括每条河流的 01(-123
河段长度、 直线坡度、 蜿蜒度、 子流域密 4-(’,5*( 级数、 度、 河网密度及形状因子等信息, 它们使得地形特征的 描述更详尽, 更利于地貌和水文方面的分析。

789*(:115; 同 样 可 以 确 定 每 一 河 段 的 01(-12 3
并可在拓扑表格中显示所有汇入此河段 4-(’,5*( 级数, 的面积值,而每一河段所在子单元的面积只需在此基 础上进行简单计算便可获得, 789*(:115; 不具备将子单 元再进行细分的功能。为了得到 789*(:115; 子流域图, 可选择不同的河流级数得到相应级数的子流域图, 再 将各级子流域图叠加完成。 这期间有一点值得注意, 当 相互连接的相同级数的河网对应不同子流域面积叠加 时, 会表示为相同的颜色, 因此 789*(:115; 不 可 能 将 所 有的子单元都在图上清楚地表示; "#"$% 生成的数据 文件在 <(+98*= 中却展示得十分清晰, 甚至可根据需要 将子单元按河段上游和其左右岸分开来展示。不过这 只是视觉问题, 并不影响计算和应用。 此外, "#"$%根 据设定的临界集水面积和最小水道长度值,可以将整 个流域划分为任意数目的子流域, 但 789*(:115; 生成的 子流域数却受每一级河段数目的限制。 在 <(+98*= 中 可 直 接 选 择 汇 入 流 域 的 最 小 栅 格 数, 从而自动生成子流域, 并得到其面积值; 它的基 本 思 路 同 "#"$% , 只是将临界集水面积转换为最小 栅格数而已。上述三种方法划分的子流域结果如图

@ 789*(:115;强大的作图及分析功能
构建数字 789*(:115;除了具有前述提取水系信息、 流域的功能外,其强大的作图及地形和流域分析功能 为水文研究和应用提供了有力的支持。 提供了丰富的图 789*(:115;的图形用户界面( &AB) 形工具( 河流网络图、 密度图、 曲面图、 阴影浮雕图、 等 值线图和曲面图等) 。在作好的任何一张流域图( 包括 地形图、 水系图、 等高线、 三维图及各种图形的叠加等) 内,可以根据需要查看其中任意一点的高程及其所在 河道长度、 落差、 坡度、 纵向剖面等属性, 并可显示该点 所在的河段坡度图、 地形平面图, 包括该点在内的栅格 流向图等, 并可对其进行旋转、 缩放。 可用来分 789*(:115;包括许多计算和作图子菜单, 析每一节点所有属性的统计分布,可产生累积分布函 、 河网宽度 数 C"D ( CEFE5’-89* "8;-(8)E-812 DE2+-812) 函数, 可绘制阴影地貌、 等值线图、 面积 3 高程关系图、 河流网络图等( 限于篇幅, 各种图不再列出) 。此外, 还 可以提取生成过程中的所有数据, 如 :GH%G"#I 中的 地形指数( , 并将 :1J1K(’J,8+’5 B2L*M , !" N 52O! P -K"Q) 其以数据文件形式输出。

6> 图 ? 所示。 !"#
流域河网拓扑关系生成

6

结语
"#% 数 据 的 普 及 为 水 文 学 的 发 展 提 供 了 一 个 广

"#"$%、 789*(:115; 和 <(+98*= 的 拓 扑 关 系 都 是 在
提取子流域和水系时自动生成的, 其中在 789*(:115; 和

阔的前景, 如何应用地形高程数据高效、 全面、 准确地 构建流域水系, 并更好地应用于水文的各个领域, 是水

<(+98*= 中 都 以 表 格 形 式 展 示 , "#"$% 则 以 文 件 形 式

图6

789*(:115;生成的子流域图

图!

"#"$% 生成并用 <(+98*= 展示的子流域图 O 临界集水面积阈值设定为 ST 6UU ,’Q

O01(-1234-(’,5*( 级数 !R 的水系对应的子流域 Q

\





第 == 卷

想; 7:IG-94 和 3+3,8 都 采 用 固 定 算 法 , 不 具 备 选 择 性, 但 3+3,8 可修改性较好, 且可对水系节点和子流 域进行自动编码,只是可视化程度不够; 7:IG-94 基于 地理信息系统( , 较易于进行二次开发。 0"U)
参考文献:
V>W 任立良 < 刘新仁 O 数字时代水文模拟技术的变革 VXWO 河海大学学报 < =???< =A ;TBY >’ZO V=W 8/:5N ! 6< 0/:C:9I$5 XO ,%J9:-I/. F9E-&-5-(& (E F:/-&/)9 &954(:L /&F D%CI/5I$J9&5 /:9/D E:(J F-)-5/. 9.9G/5-(& J(F9.D VXWO #(JK%59:D [ 09(DI-9&I9D< >@@=< >A ;ZBY S\S’SZ>O
图S

7:IG-94 生成的子流域图 ; 水道起始点的最小栅格数设定为 T??B

V]W 任立良 < 刘新仁 O 数字高程模型信息提取与数字水文模型研究进展 VXWO 水科学进展 < =???< >> ;\BY \Z]’\Z@O V\W 8/:5N ! 6< 0/:C:9I$5 XO Q$9 5:9/5J9&5 (E E./5 /:9/D /&F F9K:9DD-(&D -& /%5(J/59F F:/-&/)9 /&/.PD-D (E :/D59: F-)-5/. 9.9G/5-(& J(F9.D VXWO 1PF:(.()-I/. ^:(I9DD9D< >@@A< >=Y A\]’ATTO VTW 任立良 < 刘新仁 O 数字高程模型在流域水系拓扑结构计算中的应用 VXWO 水科学进展 < >@@@< >?;=BY >=@’>]\O VZW 0/:C:9I$5 XO 3959:J-&/5-(& (E 5$9 9M9I%5-(& D9_%9&I9 (E I$/&&9. E.(4 E(: I/DI/F9 :(%5-&) -& / F:/-&/)9 &954(:L VXWO 1PF:(D(E5< >@AA< > ;]BY >=@’>]AO
作者简介: 李春红 ;>@SA’B , 女, 黑龙江同江人, 硕士研究生, 主要从事水 文水环境研究。

文工作者共同的愿望和目标。本文采用老哈河流域栅 格 型 数 字 高 程 数 据 , 分 别 应 用 3+3,8、 *-G9:Q((.D 和 水系、 子流域及拓扑关 7:IG-94 软件对凹陷区域识别、 系生成方法进行简要说明和比较。总的来说, 三者均 具备构建数字流域水系的功能,并各具特色: 实用性更强, 采用的算法较全 *-G9:Q((.D 软件的方便、 面, 可选择性较 高 , 它强大的作图和分析功能可为水 文研究和应用提供有力的支持, 此外它的可视化程度 也很高, 只是在一些小方面( 如子流域表示等) 不太理

!"#$%&%’(") *’($)+%+ ,’ -.# /#-.,0 ,1 23%$0%’4 5%4%-($ 2(+%’ !" #$%&’$(&),*+, !-’.-/&),+*0"#12 3/4-5,67,0 89-’:(&)
;!"##$%$ "& ’ ()$* +$,"-*.$, (/0 1/23*"/4$/)< 5"6(3 7/32$*,3)8< 9(/:3/% =>??@A< !63/(B

*6+-"(7-: 2& 5$9 C/D-D (E :/D59: 3+8 F/5/ -& 5$9 !/($/$9 *-G9: H/D-&< -F9&5-E-I/5-(& /&F 5:9/5J9&5 (E F9K:9DD-(& /:9/< 3:/-&/)9 ,954(:L 8(F9. I(&G9&-9&I9< ;3+3,8B<

/ I(JK/:-D(& -D J/F9 -& 5$9 /DK9I5D (E D%C ’I/5I$J9&5D /&F 5(K(.()-I/. /&F )9():/K$-I -&E(:J/5-(& DPD59J 7&F 7:IG-94 4(%.F C9 /

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:9./5-(&D$-K /J(&)D5 5$:99 J95$(FD (E C%-.F-&) F-)-5/. C/D-& 4-5$ 5$9 9M5:/I5-&) F:/-&/)9 &954(:L< G-NO 3-)-5/. +.9G/5-(& *-G9: &954(:L /&/.PD-D Q((.D D(E54/:9 ;7:IG-94BO 7D / :9D%.5< 3+3,8 $/D 5$9 /FG/&5/)9 (E C9559: J(F-E-I/5-(&< 4$-.9 *-G9:Q((.D K9:E(:JD C9559: (& D5:(&) K:/I5-I/.-5P< /&F G-D%/.-N/5-(& -& F:/4-&) /&F 5(K():/K$-I/. /&/.PD-DO C9559: I$(-I9 E(: 5$9 D9I(&F (: E%:5$9: F9G9.(KJ9&5O 8#) 9,"0+: F-)-5/. 9.9G/5-(& J(F9.R F-)-5/. C/D-&R F:/-&/)9 &954(:LR )9():/K$-I -&E(:J/5-(& DPD59J


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