基于GIS的Horton水系分维值估算——以韩江流域为例

利用Arcgis平台及其Model Builder基于DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)提取系列阈值下的韩江流域及9个子流域水系,从低级到高级逐次移除低级河道,再统计各级河道信息,计算基于Horton定律的水系分维值。结果表明:韩江流域系列阈值下的分枝比稳定,长度比上下波动,分维值变化幅度大,平均分维值为2.21。当不统计最高级河道信息时,分枝比均值与整个河网的分枝比均值相同,长度比均值则变大,平均分维值为1.53。结合韩江9个子流域的河网结构、河道特征,观音桥、溪口、上杭、杨家坊、潮安子流域采用完整河网的统计方法,宝坑、河口、水口、横山子流域采用不统计最高级河道的方法,计算的分枝比平均值4.51,长度比平均值2.66,平均分维值1.54,与韩江整个流域不统计最高级河道时的河道特征和分维值较为一致。     

基于DEM的西辽河流域河网水系提取研究

河网水系是对流域进行水文分析的重要数据,其生成的准确性会直接影响水文模型模拟的精度。以西辽河流域为研究区,在ARCGIS软件操作平台上对研究区的数字高程模型数据进行河网水系提取,设定不同的流域汇流累积阈值,分别计算出各模拟河网的分形维数及河网密度,取二者拟合趋势变化相同处阈值对应的河网与实际河网进行比较,发现此处的模拟河网与实际河网具有较高的拟合度,从而避免阈值确定的随机性、主观性等问题,有效地提高流域河网水系提取的精度。     

泾、洛河水系与径流过程的分形特征及相互关系研究

为明确水系形态与径流过程之间的分形关系,以渭河支流泾河与北洛河为例,运用盒维数计算其水系的分维数,判断流域地貌发育阶段;借助Arc GIS软件计算分析泾河张家山站、北洛河状头站的年、月、汛期径流序列分维数,揭示不同时间尺度径流过程的分形特征与水系分形的变化与相互关系。研究发现:两河均处于流水地貌发育壮年期,流域侵蚀作用仍比较强烈;泾河水系分维数与张家山站的汛期径流序列的分维数最接近,显示水系形态主要受汛期(6-9月)径流影响;北洛河水系分维数与状头站年径流序列分维数接近,故北洛河水系形态主要由年径流塑造;8月径流对泾、北洛河河网水系的塑造作用比其他月份大。研究可为河道侵蚀防治提供参考,并进一步深化分形理论在河流水文研究方面的应用。     

基于ArcGIS的丘陵山区局地水系提取及分维值估算

选取重庆市綦江河流域龙仓段为研究对象,通过洼地识别、填充、水流方向以及汇流累积量的计算等一系列过程,提取出不同集流阈值下的水系并讨论了水系的分形分维特征。结果表明:①集流阈值越小,提取出的水系就越密集,同时分维值和集流阈值有着良好的对数拟合关系,说明集流阈值和分维值都能体现河网分布的复杂度。②研究区中水系分维值的极大值≤1.6,表明该水系还处于侵蚀发育的幼年期。研究局地水系的分维特征,对于局部农业发展和灌排工程的合理布局具有一定的意义。     

DEM分辨率对数字河网水系提取的

基于栅格型DEM数据的数字河网水系提取技术为分布式水文模型的建立并应用提供了保障和基础。DEM水平分辨率不仅影响数字河网水系提取的结果,而且直接关系到水文模型计算单元的尺度。采用具有自主知识产权的数字河网水系提取软件DigitalHydro,以淮河史灌河流域黄泥庄站以上为研究对象,分析不同分辨率DEM数据对提取的流域特征的影响的变化趋势。研究表明,随着DEM分辨率的降低,流域地形被坦化,径流汇水长度变小,流域面积有增大的趋势。     

DEM分辨率对数字河网水系提取的影响趋势分析

基于栅格型DEM数据的数字河网水系提取技术为分布式水文模型的建立并应用提供了保障和基础.DEM水平分辨率不仅影响数字河网水系提取的结果,而且直接关系到水文模型计算单元的尺度.采用具有自主知识产权的数字河网水系提取软件DigitalHydro,以淮河史灌河流域黄泥庄站以上为研究对象,分析不同分辨率DEM数据对提取的流域特征的影响的变化趋势.研究表明,随着DEM分辨率的降低,流域地形被坦化,径流汇水长度变小,流域面积有增大的趋势.     

基于多元回归的栅格水系阈值计算模型

针对栅格水系提取中汇流累积量阈值对水系密度和质量的影响,以湖北省为研究样区,探索不同水流分配策略下,地形、降水量和植被因素与最佳水系阈值间的相关性,采用多元线性回归方法建立水系阈值计算模型。结果表明,最佳水系阈值与区域坡度、多年降水量以及植被覆盖率存在明显的正相关性,地势越陡峭、降水越充沛、植被越丰富,汇流累积量阈值越大。基于多元线性回归的栅格水系阈值提取模型能够有效融合不同区域的多源影响因素,得到合理的汇流累积量阈值。在不同水流分配策略下,方程的置信水平均大于0.95,模拟的数字水系与实际水系具有较高的相似度,能够为农林规划和灾害预测等行业提供合理的水文信息。将该方法用于其他流域,同样可以取得较好的提取效果。     

基于DEM的丹江口水库水源区水系分形特征研究

为了分析河南省境内丹江口水库水源区的地形地貌特征,运用ARCGIS10.0软件和分形理论对该区域的ASTER GDEM数据进行提取,并将水系划分成11个子流域,应用网格法和河长比分叉比法分别计算了子流域和总水系的分维数,结果为:研究区各子流域的分维值相差不大,在0.998 6~1.057 6之间,总水系分维值为1.401 1,表明该水系在发育过程中存在着分形,流域地貌处于侵蚀发育的幼年期。     

基于AGREE算法与BURN-IN算法的平原灌区DEM河网提取问题剖析

基于数字高程模型(DEM)的区域水系提取应用较为广泛,当提取对象为平原灌区时存在突出问题,如河道断裂、平行河道的出现以及末端支流的提取未果等造成的子流域划分结果与实际轨迹不符等现象,数字化河网的精确程度直接影响后续的区域水文分析,故该问题值得关注。【目的】优化DEM河网提取结果。【方法】基于Agree算法和Burn-in算法下的提取河网,并从浅表、DEM因子与河网提取的相关关系等方面进行原因分析,进一步提出解决方法。【结果】2种算法下平原灌区河网提取问题的主要原因是DEM离散误差、栅格像元值的真实程度、栅格像元的精度以及地表的无渗漏假设;提出的解决方法为栅格像元水平分辨率的提高与主河道断裂部分的栅格重计算。对于坡度范围为0°～10°的平原灌区,坡度对地表水流方向的形成影响较小,不具备影响河网提取问题的能力;栅格像元水平分辨率提高10 m×10 m时,平原灌区2种算法下数字河道提取首要问题成功解决;主河道断裂部分的栅格重计算虽成功提取原断裂部分河道,但有新的断裂部分生成,未从根本解决。【结论】Agree算法和Burn-in算法下的基于DEM的平原灌区河网提取问题,经一系列原因剖析和解决方法的提出与应用,提取结果较为满意,提倡学者能够结合2种方法思路作为解决类似平原灌区的提取数字河网出现的问题。     

基于WMS模型的大石河上游降雨产流模拟

水文模型是模拟流域水文过程和认识水文规律的重要工具,对流域产汇流计算、洪水分析与预报以及水资源优化配置等具有重要的意义。近年来,基于DEM的分布式水文模型在对流域地形分析及水系构建等方面形成了比较成熟的算法。利用ArcGIS、Global Mapper软件对数据资料进行预处理,然后采用WMS水文模型的TOPAZ算法生成研究区河网水系、确定研究区流域边界并进行子流域的划分,最终生成研究区数字流域。采用WMS嵌入的HEC-1模型进行流域降雨产流模拟。结果显示:流域逐日地表径流随降雨的变化而变化,并表现一定的滞后效应;模拟的径流量最大峰值(9.37m3/s)与水文站实测峰值(8.98m3/s)误差为7.80%;模拟日期内(一个月)逐日平均径流量(3.56m3/s)与实测值(3.77m3/s)误差为5.60%。说明该模型具有较高的模拟精度,可以用于大石河流域的降雨径流模拟,从而可为该流域防洪、减灾及水资源管理提供重要依据。     

基于分形理论的稻种特征提取方法研究

利用分形几何描述不规则形体的优势,分别研究稻种的轮廓与表面茸毛分布的分形特性,探讨了用两者的盒维数描述稻种的形状特征与纹理特征的可行性.研究结果表明,两者均具有分形特性.同时,将基于传统欧氏几何的形状、纹理特征与基于分形几何的盒维数相结合构成特征向量作为径向基函数(RBF)神经网络的输入,使识别正确率明显提高.     

子牙河流域河网编码与流域划分方法的研究

对改进的流域河网复合编码方法和基于主干河网与测点稀疏地形情况下的子流域分割方法做了详细的说明。河网复合编码将流域内各微小河段、河段连成的河道、河道级别、汇入节点逐次进行编码。子流域分割方法采用相对粗糙地形资料,无需进行洼地填充等前处理,直接从各微小河段出发遍历搜索汇入河段的集水区域,并对低洼地区进行二次搜索。将河网复合编码方法与子流域分割方法应用于子牙河流域,子流域划分结果与实际河网与流域控制面积资料对比基本吻合,为研究区域内各子流域的分区计算提供了良好的数据结构关系。数字流域模型的河网复合编码方法与子流域切割方法,能快速对流域中河段进行直接定位,方便流域点、线、面之间的拓扑关系运算,为分布式流域水文模型前处理提供了新的研究思路。     

利用CT扫描技术确定土壤大孔隙分形维数

土壤大孔隙的大小、形状和分布对水及溶质在土壤中的运移有着深刻影响,由于土壤大孔隙的分布呈现分形规律,根据采用CT扫描法得到的原状土柱各断面图像,采用计盒维数法计算出各断面土壤大孔隙的分形维数。     

山丘区中小河流滩地土壤物理性质及空间分布特征

为探求山丘区中小河流滩地土壤物理性质及空间分布特征,以浙江省龙游县灵山港滩地为试验对象,通过野外取样与室内测定分析,分析研究了山丘区中小河流滩地表层土壤的密度、体积质量、孔隙度、饱和含水率、颗粒组成等滩地土壤物理性质变化与空间分布特征。结果表明,河道沿线滩地土壤物理性质空间差异性显著,主要表现为:(1)从上游至下游,滩地土壤密度沿程降低,中游区段土壤体积质量最小,总孔隙度以及饱和含水率最大。(2)土壤颗粒组成以粗颗粒(粗砂,细砂)为主,在河道纵向上,随着河道坡降变缓,水流能态减小,粗颗粒质量分数降低,细颗粒(粉粒,黏粒)质量分数及土壤粒径分维值(D)增加,滩地土壤颗粒沿程细化。(3)由于水流条件及植被类型的影响,在不同滩位上,高滩处林地土壤细颗粒组质量分数及土壤粒径分维值最高,分别为36.38%和2.66,土壤粒径分维值能够反映出不同沉积环境对土壤颗粒分布的影响。     

基于多指标评价和分形维数的坡耕地优先流定量分析

以重庆紫色砂岩区坡耕地田间染色示踪试验为基础,采用形态学和统计学方法,对3种坡耕地土壤剖面染色图像进行指标提取,运用多指标评价法确定了优先流指数PFI,并结合几何学中的分形理论,定量评价了土壤优先流的发育程度。结果表明:6个优先流特征指标(优先流区染色面积比、基质入渗深度、优先流分数、长度指数、峰值指数和变异系数)均表现出南瓜地和柑橘地的优先流程度高于玉米地;优先流指数PFI由大到小为南瓜地(0.88)、柑橘地(0.77)、玉米地(0);通过Fractal Fox 2.0软件计算得到的优先流湿润峰迹线分形维数由大到小为南瓜地、柑橘地、玉米地。与土壤优先流指数PFI进行比较,所得结果基本一致,说明利用分形维数来评价土壤优先流发育程度是准确可行的。     

土壤表面分形表征效果对比

分形是研究土壤表面不平度的有效方法,选择合适的分形维数计算方法是准确表征表面轮廓的关键。利用W〖CD*2〗M理论分形曲线对常用于计算表面轮廓分形维数的4种方法进行评价,结果显示均方根法在表征分形维数介于1.2~1.6的表面轮廓时精度最高;均方根法在表征实测土壤表面时的适应性强,无标度区间宽。根据表面轮廓的均方差与区间尺度呈比例的性质改进了均方根法,理论轮廓曲线的计算结果显示其精度明显提高,为准确描述土壤表面的复杂特性提供了一种有效的方法。     

三屯河灌区水利信息化的应用研究

以昌吉三屯河灌区为研究区域, 利用ArcGIS的水文分析模块对GDEMV3 30M 分辨率数字高程数据进行河网水系的提取, 从而得出水流方向、汇流累计量、分级河网、子流域边界等河网信息,利用AIearth深度学习算法对Sentinel-1 SAR GRD遥感影像进行水体分类提取;不同于用ENVI遥感影像处理软件对研究区影像进行地物识别分类的传统操作,本研究更倾向于通过AIearth使用监督分类算法对Sentinel-2 L2A影像数据进行地物分类,进而绘制出渠系一张图,清晰生动的展现研究区域复杂的水系结构,对GDEMV3 30M 分辨率数字高程数据、野外采样点数据、天地图所选区域0.862m/像素,672瓦片数量的17级Tiff数据进行处理制作采样点的渠系地形三维图,从立体的角度深入探索了水系地貌的特征,为研究提供更全面的视角,并探讨在实验过程中遇到的难点及解决办法。     

分形多孔介质孔道网络模型的构

采用压汞试验获得实际多孔介质的微观结构参数.以冻干马铃薯为例计算了孔隙分形维数,结果表明冻干马铃薯结构具有显著的分形特性.运用位似变换理论、分形理论、Voronoi图以及马铃薯的特征参数等,构建出与马铃薯结构参数相对应的二维分形孔道网络模型.构建的网络模型考虑了影响多孔介质干燥的孔道微细结构特征,模型参数能够很好地反映多孔物料的微观结构.且获得了合理的分形维数.     

信鸽表面形貌的分形特性

分析了信鸽表面形貌的非光滑特性,并利用激光三维扫描控制系统获取了信鸽背部、胸部及翅膀表面的三维信息,基于分形理论对其表面进行了研究,采用计盒维数方法计算出了信鸽的背部、胸部及翅膀表面面维数和线维数,并分析了其分布。结果表明,信鸽的背部、胸部及翅膀表面均呈现分形特征,面维数范围为:2.8988～2.9788,线维数的范围为:1.0002～1.0247,信鸽表面形貌的分形特性研究为定量分析信鸽表面在空气介质中的减阻机理提供了基础信息。     

农田土壤颗粒尺寸分布分维及颗粒体积分数的空间变异性

盐渍土膜下滴灌过程中的土壤理化性质存在空间变异性,对灌溉管理有一定影响。该文根据3个不同尺度下土壤采样及颗粒尺寸分布（PSD）测定结果,探讨了土壤PSD分维和颗粒体积分数之间的定量关系,分析了各尺度和综合尺度下土壤PSD分维和颗粒体积分数的经典统计特征和地质统计特征,根据颗粒体积分数的半方差函数计算了不同尺度颗粒体积分数的分形维,并做出了等值线图。研究表明,土壤PSD分维与黏粒的体积分数呈正相关关系,黏粒体积分数增大引起PSD分维增加的原因在于细颗粒的比表面积比粗颗粒的大;各尺度土壤PSD分维及颗粒体积分数均无强变异特征;不同尺度下土壤PSD分形维的半方差函数中块金和基台值均非常低;50 m尺度土壤PSD分维和黏粒体积分数的等值线图具有类似的集中度和走势,而砂粒体积分数和粉粒体积分数则具有相反的集中度和走势。该研究说明土壤PSD分维和颗粒体积分数都有一定的尺度依赖性。