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。     

陕西省延安市燕沟流域水系分形与地貌侵蚀发育研究

为验证分形维数法与传统地貌法判断地貌侵蚀发育阶段是否一致,基于DEM数据提取陕西省延安市燕沟流域水系结构图,利用网格法计算燕沟流域水系分形维数,利用高程面积曲线法刻画了该流域的地貌侵蚀发育阶段。结果显示:燕沟流域水系长度为61.6 km,水系密度为1.29 km/km²,水系数量为109条,燕沟流域水系的分形维值为0.98,高程曲线下面积为0.497。由此可以得出,燕沟流域地貌处于侵蚀发育的壮年期,需要加强该地区水土流失治理;分形维数阈值判断方法忽略了面蚀在地貌侵蚀过程中的作用,它将低估该地区地貌发育程度,因此利用水系分维值推断地貌侵蚀发育阶段的阈值需要更改。     

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。     

坡度与水平分辨率关系的初步研究

结合数字地形分析和常规统计方法,研究了县南沟流域DEM水平分辨率与坡度值的关系.研究表明:随着水平分辨率的降低,流域平均坡度值下降;地形特征点坡度呈现出随机性;沟沿线坡度随分辨率降低呈衰减趋势,分水线和流水线坡度相对缓慢降低.负地形坡度衰减速度大于正地形.     

基于变点分析法提取废弃采石场地形起伏度的方法

地形起伏度是废弃采石场水土保持治理和生态重建的重要地形指标之一。以0.5m,0.7m,1m,1.5m等12种不同水平分辨率DEM为数据源,采用GIS的窗口递增分析法和均值变点分析法对12种不同分辨率DEM的地形起伏度的最佳分析窗口进行了分析。结果表明:12种不同分辨率的最佳分析窗口都是为9×9网格,相应地提取地形起伏度的最佳统计面积与其相应的水平分辨率关系比较密切,呈幂函数的关系。以0.5m水平分辨率的DEM数据提取地形起伏度的最佳分析窗口面积为20.25m~2,并计算出大于5m地形起伏度的区域占总面积的13.12%。均值变点分析法确定地形起伏度也同样适用于废弃采石场的地形分析。     

流域非点源污染与水系分维关系研究

以东南沿海晋江西溪流域为例,初步研究了流域非点源污染与水系分维的关系.以ArcView GIS 3.2为研究平台,运用水系分维的计盒方法.计算了晋江西溪流域水系的宏观分维和划分为5个亚流域的微观分维,根据应用SWAT模型的模拟结果分析了西溪各亚流域非点源污染负荷与相应水系分维值的关系.研究结果表明,水系分维值越大,农田面积比例越大,流域土壤侵蚀程度越大,因此非点源污染负荷越大;此方法为流域非点源污染研究提供了新的途径.     

基于DEM的山西黄土高原面积高程积分研究

面积高程积分(Hypsometric Integral,HI)是刻画流域地貌形态与发育阶段的重要地理指标。为了探究山西省黄土高原重点水土流失区的面积高程积分空间分异特征,以30 m分辨率的SRTM数据为基本信息源,采用积分曲线法计算研究区的面积高程积分值。研究工作首先分析了DEM分辨率与流域稳定面积对HI值的影响,然后进一步研究流域内各地貌对象高程积分值的相关性,最后得到研究区面积高程积分空间分布结果。结果表明:小流域面积高程积分受DEM分辨率的影响较小,面积高程积分趋于稳定的小流域面积阈值为0.04 km~2;研究区HI值相关性较强的地貌对象组合为山顶点—山脊线—沟谷网络;区域内面积高程积分值的地域差异性从北到南,表现出大—小—大的空间分布趋势。山西省黄土高原重点水土流失区的HI值整体处于0.35～0.6,区域内流域基本处于发育的壮年期,表现为强烈的水系扩张分支,应加强水土保持工作的力度。     

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Arc Hydro模型的最优集水面积阈值分析

为提高河南省水土保持小流域划分工作的准确性与高效性,以河南省卢氏县、宜阳县和太康县分别作为山区、丘陵区和平原区的代表,基于分辨率12.5 m的DEM数据,利用Arc Hydro模型提取研究区河网信息,采用河网密度法研究集水面积阈值和河网密度、河网密度二阶导数的关系曲线,选取最优的集水面积阈值。结果表明：河网密度法可以避免传统方法在选取阈值时的盲目性与主观性,更加科学合理;不同地形的区域阈值选取也大不相同,卢氏县、宜阳县和太康县的最优阈值分别是50 000、35 000和30 000,这说明在河南省小流域划分工作中应考虑到不同地形在河网提取时的影响,以保证小流域划分工作的精度。     

梯田作为地形因子和工程措施对土壤侵蚀定量评价影响的对比研究

[目的]根据中国土壤流失方程(CSLE),在降雨、土壤、植被等因子一定的条件下,将梯田作为地形因子计算流域土壤侵蚀量,并与梯田作为工程措施的计算结果进行对比分析,为土壤侵蚀定量评价提供新的思路。[方法]以黄土高原地区的纸坊沟流域和燕沟流域作为试验区,利用5m分辨率的DEM,0.3m分辨率的WorldView 3,30m分辨率的Landsat 8影像、降雨数据、土壤数据、土地利用等数据。[结果](1)在纸坊沟流域和燕沟流域,坡式梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量大于梯田作为工程措施的流域土壤侵蚀量,同时坡式梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量大于水平梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量,而水平梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量与梯田作为工程措施的流域土壤侵蚀量的比较根据流域的不同结果不同。(2)梯田占流域面积比例不同时,随着梯田占比的升高,梯田作为工程措施的流域土壤侵蚀量要明显低于梯田作为地形因子的流域土壤侵蚀量。[结论]梯田作为地形因子和工程措施因子会对土壤侵蚀量计算产生一定影响,梯田占比较大时差异明显。     

DEM分辨率对产流产沙模拟影响研究

地形状况决定流域基本特征,因此在进行流域水文过程模拟时,DEM分辨率会影响流域特征参数的提取,进而影响模拟结果。在研究流域模拟过程中DEM分辨率对流域参数提取及产流产沙模拟的影响,选择黄河下游支流洛河卢氏水文站以上流域为研究区,采用Resizecell技术对1:25万DEM图进行单元栅格处理,分别生成100m×100m、200m×200m、300m×300m和400m×400m四种不同分辨率的DEM图;分别模拟四种情况下1997～1999年流域的产流量与产沙量,进而分析DEM分辨率对模拟结果的影响。研究表明:DEM分辨率对亚流域的面积或个数的提取影响不大,但对坡度值的提取影响较大。其中,400m×400m的DEM与100m×100m的DEM相比,1997～1999年产流模拟结果分别相差9.12%、9.71%、19.52%,产沙量模拟结果分别相差42.25%、43.56%、49.70%。因此,在进行流域产流、产沙模拟时,应进行坡度订正。     

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。     

不同分辨率DEM提取切沟形态特征参数的转化研究

选取黄土丘陵区岔巴沟流域不同位置和不同沟道级别的30条典型切沟为研究对象,基于三维激光扫描技术(LIDAR),建立了基于高分辨率DEM提取切沟形态特征的方法,对比分析了0.1m与5m2种分辨率DEM提取切沟形态特征参数的差异,实现对低分辨率DEM提取的切沟形态特征参数向高分辨率尺度转化。结果表明:基于三维激光扫描技术获取的0.1m高分辨率DEM提取的切沟形态特征值与手工测量的切沟形态特征值之间无显著差异,三维激光扫描技术提取的切沟长度、宽度、深度、表面积和体积分别是手工测量的94.0%,109.1%,107.7%,80.1%和109.0%,表明三维激光扫描技术获取的0.1m高分辨率DEM可较准确地描述切沟形态特征。0.1,5m2种分辨率DEM提取的切沟长度间无显著差异,但2种分辨率DEM提取切沟宽度、深度、表面积和体积间差异显著。5m分辨率DEM提取的切沟宽度、表面积和体积分别较实际值分别偏大28.6%,25.6%和19.7%;而其提取的切沟深度较实际值偏小37.0%。据此,通过模型筛选,分别建立了0.1m高分辨率DEM与5m分辨率DEM提取的切沟宽度、表面积和体积转换模型。模型验证结果表明,本研究所构建的切沟宽度、表面积和体积转换模型的决定系数均大于0.6,模型有效性系数均大于0.5,说明3个转换模型均具有较好的预报精度,为研究黄土丘陵区沟蚀特征提供了重要方法和手段。     

黄土高原纸坊沟流域不同土地利用类型土壤质量评价

为了认识和评价黄土高原地区小流域不同土地利用类型下的土壤质量,以陕西省安塞县纸坊沟为例,选取了26个采样点,分属林地、灌木地、草地、农地、果园、苗圃和撂荒地7种土地利用类型,利用主成分分析法从16项土壤理化指标中选取关键指标,计算了土壤质量指数。结果表明:(1)容重、黏粒含量、微团聚体平均质量直径(MICMWD)、有机质和pH值是表征纸坊沟流域土壤质量的关键指标,除容重外,其余4个关键指标的隶属度在研究区不同土地利用间均存在显著差异;(2)与地形因子相比,土地利用方式对纸坊沟流域土壤质量的影响更大;(3)整体上纸坊沟流域土壤质量处于较高水平(0.71±0.10),不同土地利用方式下土壤质量存在显著差异,土壤质量指数均值从大到小依次为林地灌木地苗圃草地果园农地撂荒地。研究结果可为黄土丘陵区小流域土地利用方式的合理布局和土壤质量的定向培育提供重要依据。     

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。     

纸坊沟流域土地资源的数量质量评价

纸坊沟流域是延河支流杏子河下游的一条小支沟,沟长8公里,集水面积8.3平方公里。流域内包括两个行政村的纸坊沟、寺崾岘、瓦树塌三个自然村,共有82户,365人。人口密度每平方公里44.2人,每人平均土地34亩。由于新构造运动的影响,加之垦耕指数越来越大,土壤侵蚀十分强烈。尤其是上游重力侵蚀活跃,沟头不断延伸,沟间地被切割和蚕食,造成地面支离破碎,土地类型复杂多样,为典型的梁状黄土丘陵地貌。为了深入研究陕北黄土丘陵区的土地类型结构和土地利用现状,为这一地区合理利用土地资     

不同栅格分辨率数字坡度模型转换图谱研究

以陕北绥德县韭园沟流域为试验样区，采用1：1万比例尺、5m分辨率DEM所提取的坡度为准值，研究该地区在同一比例尺、不同水平分辨率条件下DEM提取坡度因子的精度特征。该研究获得不同栅格分辨率DEM所提取地面坡度统计值的转换图谱。该成果对于正确估算DEM提取坡度等地形因子的精度与应用适用性，对于其它若干应用标准的制定，提供了重要的依据。     

基于CSLE模型的陕北纸坊沟流域土壤侵蚀评价

[目的]对陕北纸坊沟流域土壤侵蚀状况进行评价,为该流域不合理土地利用方式的调整和优化以及水土流失治理措施的合理布设提供科学依据。[方法]以陕西省安塞县纸坊沟流域为研究区,基于ArcGIS技术,利用2005—2016年纸坊沟流域水文站月降雨量数据、DEM数据、土壤类型数据和土地利用数据,率定中国土壤流失方程(CSLE)的相关参数,计算研究区的土壤侵蚀强度,对土地利用变化与坡度和土壤侵蚀强度之间的关系进行分析。[结果](1)研究区内不同坡度带上的土壤侵蚀强度差异较大,15°～25°左右的坡耕地是土壤侵蚀的敏感部位。(2)纸坊沟流域内土地以林地、耕地、草地为主,耕地面积不断减少,林地和草地面积不断增加。该区域实施退耕还林后,土壤侵蚀的面积与强度整体呈现改善趋势;土地利用变化与土壤侵蚀强度具有密切联系,表现为耕地的土壤侵蚀强度较强,林地和草地侵蚀强度相对较弱,说明增加林地和草地面积,减少耕地面积,能够显著减弱土壤侵蚀。[结论]研究区内土壤侵蚀空间分布受土地利用方式和坡度制约,该区今后水土流失治理的重点区域是15°～25°左右的坡耕地。     

地形起伏度最佳统计单元算法的比较研究

基于90m分辨率SRTM DEM数据,利用邻域分析法在不同大小窗口下(2×2,3×3,4×4,…,30×30)对山西省地形起伏度进行了提取,运用人工作图法、最大高差法、模糊数学法、均值变点分析法和累积和(CUSUM)分析算法分别计算最佳统计单元,对统计单元计算方法的准确性及适用性进行分析,提出山西省地形起伏度提取的最佳统计单元。研究分析表明:均值变点分析法和累积和分析算法是相对比较有效的方法;运用均值变点分析法与累积和分析算法计算所得的最佳统计单元分别为11×11(0.980 1km~2)和14×14(1.587 6km~2);均值变点分析法是计算最佳统计单元的一种最为理想的方法;对于同一地区而言,不同DEM数据类型、不同分辨率DEM,所使用的最佳统计单元大小也不同。