数字高程模型与水文分析

发布于:2021-10-14 08:49:12

水文水资源 H N N E A 《河南水利与南水北调》 0 1 2 年 2 第3 期 数字高程模型与水文分析 □李淑琴 (河南省遥感测绘院 ) 摘 要: 数字高程模型实现水流方向的确定, 流域汇流能力的分析, 河网的提取, 流域边界的确定和子流域的划分。 通过数字高 程模型提取出的流域信息与水文资料, 能对流域水文信息有直观清晰的了解, 对于流域的监测与治理、 保护有重大意义。 关键词: 数字高程模型; 集水流域; 格网地形结构线 数字高程模型(Digital Elevation Model),简称 DEM, 它是用一 组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。从 DEM 生成的集水流域和水流网络数据, 是流域内地表水文分析 模型的主要输入数据, 包含了丰富的地形、 地貌、 水文信息。 这种 表面水文分析模型的建立,用于研究和分析流域内如洪水水位 及泛滥情况等自然现象, 或以此划定受污染源影响的范围, 以及 对某一地区地貌相对改变时,对整个流域造成的复杂影响等的 预测。 要实现上述目标, 就要清楚地知道地表水流是如何通过某 一流域地表,以及这个地区地貌的改变会以怎样的方式对水流 流动施加影响。 在这里, 首先简单介绍与水文分析有关的基本原 理,然后再分析研究如何从 DEM 中提取出用于分析的水文信 息等资料。 1. 基本概念 1.1 集水区域: 就是在河流或者水系流域的周围能够贮集、利用水资源的 区域。 如集水盆地、 流域盆地等。 整个水系流域可视作一树状结 构, 集水出口即树的根部, 是指水流流经所有集水流域边界上的 最低点。从实践上看, 整体集水流域可以划分为无数个子流域。 两个集水流域的相邻边界, 我们称之为分水岭或集水流域边界。 1.2 排水系统: 排水的收集、 输送、 水质的处理和排放等设施以一定方式组 合成的总体。 在排水系统中, 我们把水的流动称为水流循环不可 分割的一部分,水流循环的过程还包括水的渗透过程和蒸发过 程。 2. 如何计算水文因子 2.1 概论 一方面, 陆地地表形态结构的多样性, 直接决定了水流的复 杂特性; 另一方面, 水的流动也反过来影响地表的物理特性。地 势的高低起伏变化的程度, 决定着水流的方向和速度等, 而陆地 地表的坡度大小决定着水流能量的大小: 坡度越大, 则水流速度 也越大, 其积累的能量也越大。 我们经研究发现, 在水流过程中, 其携带泥沙颗粒的能力随着蓄积能量的增大而相应增大。 因此, 从这种角度讲, 地表坡度越大, 就标志着水流对地表的冲刷能力 相对越强。 另一方面, 不同高程的地表对水流也造成较大的影响, 在凸 形地表范围内, 随着水流能量的增加, 其对地表的冲刷能力就越 大, 所以, 我们把凸形剖面的区域称为水流侵蚀地区; 与此相反, 我们发现在凹形剖面处, 随着水流能量不断减少, 其对地表侵蚀 能力就减弱, 从而导致泥沙大量沉积。利用 DEM 的格网数据作 为数据源可以模拟集水区域的水流方向、 河水流动的网络特点、 汇水流量, 以及对所有集水流域范围进行划分。在此基础上, 再 对这些水文因子进行提取, 深入进行水文资料分析, 我们就可以 在 DEM 格网表面上, 对水流流动过程进行全方位的模拟试验, 从而完成水文研究分析的整个过程。 2.2 如何获取数字矩阵 1.DEM 生成的洼地填充与*地处理 地形洼地是指区域地形的集水区域,其中洼地内的一组格 网单元的高程小于其四周点的高程。由于 DEM 是光滑的地形 表面模型, 再者由于 DEM 来源不同, 致使我们得到的 DEM 数 据多多少少存在误差,从而导致数字高程模型表面存在着一定 的凹陷区域。由于这些凹陷区域的存在,在进行水流方向计算 时, 往往得不到比较精确的水流方向, 所以在进行水流方向计算 前, 首先对 DEM 所导致的地形洼地进行填充。 2.2.1 洼地的填*方法 扫描由数字高程模型所形成的格网矩阵,如果在同一个子 流域范围内出现四周高中间低的栅格点,也就是说这一点的八 邻域点的高程都大于该点的高程, 那么, 对于如此单一性质的格 !!!!!!!!! 作者简介: 李淑琴, 工程师, 女, 从事 4D产品的研究与制作。 54 《河南水利与南水北调》 0 1 2 年 2 第3 期 水文水资源 H N N E A 网式的洼地, 大家不妨试试, 直接赋以其相邻领域格网中最小高 程值, 或相邻领域格网的*均值而将其除去。 如果扫描的流域范围内有多个栅格点,并且各栅格点所组 成的相对低洼地区进行相互连接。填*方法如下: 第一, 我们不 妨以洼地区域的每一个谷底点为起点,按照与水流相反方向的 应用区域增长计算法, 从而找出每一个谷底点所在的洼地边缘, 以及两者之间的相互关联关系,判断出谷底点所在洼地集水出 水口所在点位的位置。 实践证明, 出水口位置大概有以下两个方 面, 即位于洼地区域与非洼地区域。在实际工作中, 我们对于出 水口位于非洼地区域相关联边上的洼地区域,找出其出水口高 程最小的洼地区域,并用该出水口的高程值代替该区域内高程 值低于该点的高程。而当这一集水出水口位置低于该洼地区域 集水出水口时,我们就大胆用该洼地区域集水出水口点高程值 代替这个洼地区域集水出水口点的高程值。通过这样的计算处 理,我们就能将复合洼地区域中的一个谷底点所构成的洼地区 域填*, 从而将所剩复合洼地区域用同样的方法, 依次对每一个 谷底点所组成的洼地区域覆盖填*,最后可将整个复合洼地覆 盖填*处理, 达到我们需要的目的。 2.2.2 *坦格网的处理 DEM 中的*坦格网是指原始 DEM 中的*地以及洼地填* 所形成的*地, 这些*坦地区河流无法产生, 而连接*坦两端边 缘的水流聚集格网点就会形成与实际河道不符合的伪河道。 Martz 和 Garbrecht 用了高程增量迭加算法规定了*坦格网内的 水流方向, 这一计算方法的基本原理是: 对陆地地表较*的地表 范围内的单元格增加一个大小不一

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