基于DEM的黑龙江宾州河流域水系提取试验研究

基于数字高程模型(digital elevation models,DEM)提取河网及相关流域信息是数字水文研究中的热点问题。以东北黑土区宾州河流域为研究区域,采用5m分辨率的DEM作为研究数据,运用ArcGIS9.2中的Hydrology水文处理工具包(Arc Hydro Tools)提取研究区河网特征。研究结果表明,分别采用0.75,1.25,2,2.5,3.75和5km2的集水面积阈值提取流域河网特征时,不同集水面积阈值对确定主河道的空间位置影响较小,但提取的数字流域河网特征会发生较大变化。基于河网密度与集水面积阈值及河源密度与集水面积阈值的关系探讨了适宜的集水面积阈值确定方法,发现取集水面积阈值为2km2时提取的河网特征与实际水系特征基本吻合,精度达95%以上。因此,基于Arc Hydro Tools的流域特征自动提取是切实可行的。     

基于DEM的水系提取及集水阈值确定方法研究

[目的]确定适宜的集水阈值,使自动提取的水系河网与实际河道相符。[方法]以DEM数据为基础,利用ArcGIS水文分析模块对研究区流域河网水系进行自动提取,基于河网密度与集水阈值的相关性,在已提出的拟合函数一阶导数求转折点、二阶导数求拐点法确定集水阈值的基础上,以龙川江流域为例,提出求解河网密度变化率等于集水阈值变化率的数值方法,得到适宜的集水阈值。[结果]通过设置不同集水阈值生成河网,发现不同集水阈值对主河道长度及地理空间位置影响较小,但对提取的河网特征影响较大,最终确定龙川江流域集水阈值设置为0.12km2为宜。[结论]集水阈值的确定影响着河网提取的精度,通过变化率确定集水阈值的方法主观因素较少,避免了人为干扰,相对客观,可对区域水土流失监测提供一定依据。     

基于人机交互的地形复杂区小流域划分研究——以湖北省为例

[目的]对地形复杂区小流域划分方法进行研究,为区域生态小流域建设、规划等提供基础数据。[方法]以湖北省为例,其地形涵盖山地、丘陵和平原,且多河流、湖泊分布。首先基于DEM自动提取全省小流域,然后辅助沟道、遥感影像、居民点数据人工修正山区小流域,在平原区采用高精度水系替代常规沟道进行人工修正,并对适宜集流阈值、小流域面积频率、精度以及河网密度进行分析。[结果]湖北省共划分小流域5 806条,面积在30～50km2的占60%,且划分精度高;面积小于20km2划分精度低,在平原区分布密集;总体上,山区小流域的划分精度高于平原区,但其小流域平均河网密度低于平原区。[结论]对任何地形进行小流域划分,都必须使用人机交互修正,才能获得较好的结果;平原区小流域自动划分的精度低于山区,需辅助高精度水系资料进行修正才能提高精度。     

基于DEM的流域地貌气候瞬时单位线地貌参数的提取

 地貌参数的提取是水文模型构建的基础,参数的准确与否直接关系到模型的精度。该文研究了基于DEM提取地貌气候瞬时单位线(R-VGIUH)地貌参数的方法:对流域DEM进行填洼处理;提取不同临界支撑面积下的河网;分析临界支撑面积的取值对所提取的河网总长度和平均坡降的影响;确定反映流域河流地貌发育的流域临界支撑面积;计算流域相应的各项地貌参数。将该方法应用于山西省吉县的冯家圪垛小流域(17.98 km²),提取的河网与实际情况比较符合,计算出的地貌参数河数率(4.6083)、河长率(2.5928)、面积率(3.3999)均符合通过大量自然水系资料分析确定的取值范围。研究方法排除了选取集水面积阈值时的主观性,提高了提取流域地貌参数的精度。     

基于ASTER GDEM的清涧河流域河网提取研究

以黄河中游的一级支流清涧河流域为例,以ASTER GDEM为数据源,利用均值变点法,选取合适的集流阈值,得到清涧河流域水系图,在此基础上对河网水系特征进行了分析。结果表明,集流阈值与河网密度呈幂函数关系,集流阈值越大,提取的河网越稀疏,河网密度值越小,反之则越大。均值变点法能够较好的确定出最佳集流阈值,所提取出的河网与1∶400万国家矢量水系图相比,主干上吻合较好。因此认为,基于30 m分辨率的ASTER GDEM数据,并利用均值变点分析法提取出清涧河流域的河网,是切实可行的,可以为水资源管理和数字流域建设提供重要的基础数据。     

纸坊沟流域水系最佳集水面积阈值确定方法研究

为更加准确判定流域水系最佳集水面积阈值,以陕西省安塞县纸坊沟流域30 m DEM为例,采用均值变点分析方法对流域水系分维值、DEM分辨率与集水面积阈值之间的关系进行了分析。结果表明:(1)集水面积阈值与分维值的关系:不同分辨率DEM,随着集水面积阈值的增加,分维值呈先增后减趋势,且其下降速度由急剧变为缓慢;(2) DEM分辨率与分维值的关系:在最佳集水面积阈值条件下,随着DEM分辨率的减小,分维值整体趋于下降,且其下降速度越来越缓慢;(3)纸坊沟流域水系分维值为1.20,所对应的最佳集水面积阈值、DEM分辨率分别为100,15 m。均值变点分析方法可用于最佳集水面积阈值和DEM分辨率的快速确定,且可靠性较高,判定系数达0.99。研究结果为流域河网水系提取时集水面积阈值的确定提供了方法参考依据。     

基于DEM的废弃矿山小流域地形特征分析

以北京市某废弃采石场的小流域地形为研究对象,对分辨率为0.3～7 m的栅格DEM分别进行小流域参数和地形参数的提取和分析.结果发现,利用不同分辨率DEM提取的河网形态结构有显著差异,网格尺寸7,4和3m的河网结构与2,1,0.7,0.5,0.4和0.3m的河网结构有显著差异,二者主河道位置变化明显,但流域面积、河道长度及比降、平均坡度和高程参数相差不大,而河道总长度和河网密度参数相差较大.根据分析结果确定DEM的比较适宜的分辨率为0.5m,在此基础上利用主成分分析法得出高程和坡度为主成分.对研究区设置20°,25°,30°和35°的4个不同坡度的标准径流小区,观测日降雨量、坡度、径流量和土壤侵蚀量并分析和计算它们之间关系式,计算出整个流域在不同坡度分级及不同雨量级的平均径流量和土壤侵蚀量.研究成果对于废弃矿山修复和生态重建具有参考价值.     

基于DEM的密云水库上游流域特征提取与分析

以北京市密云水库上游流域的等高线为基础数据,利用软件ArcGIS生成DEM,提取研究区的坡度、坡向和河网水系等,并进行河网分级和子流域划分,对子流域特征进行系统的统计分析。结果表明:研究区高程范围为130～1 695 m,500～1 000 m的高程区间占总面积的55.93%;有68.53%的区域坡度在25°以上,存在潜在强烈侵蚀风险;流域阴向坡与阳向坡比例接近1∶1;流域河网可分为9级,流域可划分为16个子流域。在河网密度、形状系数、河道弯曲系数、河道比降等流域特征参数分析的基础上,获得各子流域的土壤侵蚀强度和汇流调蓄能力。研究结果可为小流域规划和水文模型建立提供参考。     

DEM水平分辨率对流域特征提取的影响分析

在基于数字高程模型（DEM）的流域地形分析中,栅格DEM的分辨率对分析结果具有很大的影响。以舒城县内面积为7.9 km²的龙潭小流域作为研究区域,分别对分辨率为5 m×;5 m～50 m×;50 m的10幅DEM数据进行流域特征提取和分析,计算地形指数并分析其分布特征。研究表明:在小流域尺度上,DEM分辨率的变化对流域面积、最长河道长度等参数影响不大,对河道总长度、河网密度及平均坡度等参数有较大影响,对流域特征的提取影响规律为DEM分辨率越低,提取的流域特征越粗糙;且分辨率低于15 m的DEM计算出的地形指数值较为离散、概率分布曲线形状较之5 m分辨率DEM的地形指数概率分布曲线有明显不同,表明分辨率低于15 m的DEM对小流域水文地形信息的反映较差,为小流域尺度水文模型DEM数据适宜分辨率选取提供一定的理论依据。     

汇水面积阈值对土壤侵蚀定量评价的影响

土壤侵蚀预报模型是定量评价水土流失和评估水土保持措施效益的重要手段。通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)和中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)被广泛应用于土壤侵蚀定量评价。这些模型中坡长的计算受汇水面积阈值的影响较大。为揭示汇水面积阈值对土壤侵蚀定量评价的影响,选取北方土石山区、西北黄土高原区、东北黑土区、南方红壤丘陵区、西南紫色土区、西南山地区和西南岩溶区210个流域面积在0.2~3.0km~2的小流域,以1∶10 000地形图10m分辨率DEM为数据源,分别计算了1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,5 000,7 000,9 000,11 000,13 000,15 000m~2共11个汇水面积阈值下各小流域不同坡长、土壤侵蚀强度级别以及土壤侵蚀的面积比例,分析了它们对汇水面积阈值变化的敏感性。结果表明:平均坡长、土壤侵蚀面积和轻度以上各级别的侵蚀强度面积比例都随汇水面积阈值的增加先增加而后趋于稳定。微度侵蚀面积比例随汇水面积阈值的增加逐渐减小并趋于稳定。当汇水面积阈值由1 000m~2增加到15 000m~2时,北方土石山区、西北黄土高原区、东北黑土区、南方红壤丘陵区、西南紫色土区、西南山地区和西南岩溶区的平均坡长分别增至阈值为1 000m~2时的1.53,4.16,1.95,1.90,1.69,1.57,1.47倍;土壤侵蚀面积比例分别增至阈值为1 000m~2时的1.20,1.85,1.43,1.37,1.77,1.44,1.30倍。汇水面积阈值对各分区的影响程度存在差异。从平均坡长和土壤侵蚀面积来看,东北黑土区受汇水面积阈值的影响最大。研究结果不仅为精确评价土壤侵蚀提供了数据支撑,而且对水土保持综合防治措施的评价和优化具有指导意义。     

基于ArcPy的河南省小流域划分辅助工具集设计与实现

小流域划分过程中河流沟道和微流域提取、面积控制、属性批量赋值计算及质量检查都需要GIS工具的深度参与，现有GIS软件无法直接满足小流域划分过程中批量化、流程化的需求。基于ArcPy设计并开发了河南省小流域划分辅助工具集，有针对性地实现流程化的沟道及微流域提取、小流域属性赋值计算、质量检查等功能。该工具集算法合理、操作便捷，在河南省小流域划分工作中发挥了提质增效的作用。     

基于M-DEM的黄土人工锄耕坡面水系分维特征研究

该文旨在微观尺度上对地表微地形水系形成过程及其几何分形特征进行研究与分析,为研究坡面流水侵蚀过程及其防治提供科学依据。通过构建90mm/h雨强、15°坡度下不同水蚀阶段(雨前—溅蚀—片蚀—细沟侵蚀)黄土人工锄耕坡面微地形数字高程模型,设置不同集水面积阈值提取微地形水系,并基于格网法计算相应的水系分维值。结果表明:(1)分形理论用于研究微地形水系及其形成过程具有可行性;(2)降雨前、溅蚀、片蚀和细沟侵蚀阶段的最适集水面积阈值分别为15,20,25,30cm2,对应的最佳分维值分别为1.067,1.088,1.068,1.079;(3)人工锄耕坡面在各侵蚀阶段均处于侵蚀发育的幼年期。该研究不仅为微观层面研究黄土耕作坡面水系分维提供方法指导,也可为进一步揭示土壤侵蚀机理提供数据支持。     

基于流域单元的岷江上游泥石流危险性评价

泥石流的形成需要具备高陡的地形、充足的水源以及丰富而松散的固体物源三个基本条件,当山区小流域具备上述条件时,都有发生泥石流的可能。选取岷江上游区域作为研究区,以数字高程模型（DEM）作为基础数据,运用均值变点法和河网密度法结合遥感影像,实现研究区内小流域划分;针对影响泥石流形成的三个基本条件,以小流域作为评价单元,选取地层岩性、断裂密度、平均坡度、形状系数、沟道比降、24 h最大降雨量等六个评价指标,应用主成分分析法计算各因子的权重,实现岷江上游地区的泥石流危险性评价。分析结果表明,评价的结果能较好的反映出岷江上游的泥石流灾害分布情况,为该区泥石流灾害的防治提供了参考和依据。     

河南省水土保持小流域划分原则与流程

考虑到小流域基础信息不详,难以有效地进行规划、治理和监管的实际,基于河南省地形和流域水系分析,应用高精度DEM、水系图等基础数据,开展了全省水土保持小流域划分工作,详细说明了小流域划分原则与流程。划分结果可为全省水土保持综合治理、监督管理、规划评估等提供重要的基础数据支持。     

基于不同数据源的颖川河流域数字河网提取与对比分析

为了研究基于地形图、DEM和遥感影像三种不同数据源提取的数字河网之间的差异,选取天水市麦积区颖川河流域为研究对象,通过地形图数字矢量化、Hc-DEM水文分析和遥感影像解译三种不同方法分别提取数字化河网,并对不同数据源提取出的数字河网进行了对比分析,结果表明:在比例尺相近的情况下,基于Hc-DEM的地形参数提取到的数字河网精细程度最高,但在地势平坦处会出现较大偏差;通过地形图矢量化获得的数字河网脉络较为清晰,但地形图数据时效性较差,不能够全面准确地反映真实数据情况;通过遥感影像解译采集出来的数字河网时效性好、更准确,但人为因素影响较大。因此,基于三种数据源提取数字河网时,应以DEM数据提取的为准,结合其他两种数据源,修正由于数据源误差所生成的错误河道,从而提高数字河网的精度。     

紫色土坡耕地不同微地形地表汇流网络特征

为了揭示不同微地形汇流网络的特征,通过野外人工降雨模拟试验,结合近景摄影测量技术,在相同降雨历时下,提取并分析了 60,90,120 mm/h雨强下,连续凹陷、间隔凹陷、连续凸起、间隔凸起、凹凸相连、凹凸相间以及对照组7种微地形措施的汇流网络.结果表明:(1)7种微地形的汇流密度随集水面积阈值的增大而逐渐减小,间隔凹陷...     

三维激光扫描提取DEM的地形及流域特征研究

以三维激光扫描系统为工具,建立黄土高原丘陵沟壑区绥德县桥沟小流域高精度DEM。在ArcGIS中将高精度DEM和该流域1:1万 DEM分别生成6种栅格大小不同的DEM图像。用2种精度、6种不同水平分辨率的DEM提取研究区的地形及流域特征,进行对比分析。结果表明:与1:1万 DEM相比,高精度DEM提取出的研究区流域面积变小,平均坡度、平均高度、沟壑密度增大,河网密度、河道坡度增大,能够更加详细、准确地描述研究区的地形及流域特征,对流域水文过程分析以及水土保持研究起到积极作用。     

基于双向地形阴影法的黄土侵蚀沟自动提取技术

沟蚀严重危害着土地资源和生态环境,研究高分辨率数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）的侵蚀沟自动提取技术进行侵蚀沟动态监测,以期望能替代目视解译提取。双向地形阴影法是一种兼顾提取精度和效率的侵蚀沟提取方法,但仅针对黄土台/塬地貌,在其他地貌下其提取结果会产生较多误提区和漏提区。为使其适应不同地貌,该研究以陕西吴堡县3.2 m DEM为试验数据,综合沟谷线缓冲区填充法、膨胀腐蚀法以及面积阈值法消除误提区和漏提区,并通过模块化编程及数据分块计算,实现侵蚀沟自动提取,最后在全县范围内均匀选取10个小流域为样本,使用0.65 m影像目视解译的结果进行精度验证。结果表明：1）实现了误提区和漏提区的自动消除,得到了吴堡县侵蚀沟分布图;2）在10个验证小流域中,该研究方法提取侵蚀沟的精度为81.1%～86.3%,平均精度为83.8%。该研究综合应用沟谷线缓冲区填充法、膨胀腐蚀法和面积阈值法消除误提区和漏提区,使该方法能适应非黄土台/塬地貌,并在此基础上研发了能实现大区域侵蚀沟提取的算法及软件。     

平原河网地区城市中心区河流水系变化特征

利用1960s,1980s和2009年水系数据,从数量、结构和连通特征方面分别选取采用河网密度、水面率、河网发育系数、河网稳定度、河网连接率和实际结合度这6个指标,对浙江省杭州市中心区近50 a水系变化特征进行了分析。结果表明:(1)研究区除Ⅱ级河道长度和面积在1960s-1980s有小幅度增加外,河道总体长度和面积均呈减少趋势;河网密度和水面率自1960s以来一直呈减小趋势。(2) 1980s较1960sⅡ级河道发育系数增大,Ⅲ级河道发育系数减小。2009年河道发育系数均呈下降趋势,河网稳定性也呈下降趋势。(3) 1960s-1980s河网连接率与实际结合度呈小幅度减小趋势,连通性略有下降;而到2009年,两个指标均有较大幅度下降,河道连通性下降趋势明显。这种水系特征变化会使得流域洪涝风险也随之加大。     

西南岩溶区小流域划分与水文特征分析

由于存在地表地下双层水文结构,因此岩溶区小流域划分一直是一个难题。选取西南地区岩溶发育的羊鸡冲小流域作为研究对象,综合运用地形分析、水文监测和野外调查等方法,以期合理划分岩溶区小流域。研究结果表明,采用地形分析、水文监测与野外调查相结合的方法划分岩溶区的小流域,能够囊括小流域绝大部分的降雨和径流,更符合闭合小流域的特征,使西南岩溶区小流域的划分更加准确。