基于DEM的湟水河流域水系空间模拟应用

本文应用30m分辨率的DEM数据基于Arc GIS10.0中对青海省湟水河流域进行数字流域研究,并探讨不同阈值对生成数字河网的影响,通过对生成的河网与湟水河流域的实际河道进行对比,得出生成的河网与现实水系最为接近的阈值,最后得到流域水系的栅格网络图,生成需要的水系。     

正六边形格网DEM下的等高线生成算法及质量评价

正六边形格网由于各向同性、邻接等效、拟合精度高等优点,被作为规则格网DEM数据结构的格网单元,已应用到流向分析、谷地线提取等数字地形分析中,但是其质量检测评价仍没有得到很好的研究,DEM的质量直接影响到后续数据分析结果以及相关决策的正确性与可靠性。使用常规的方法如检查点法、剖面法只能在局部评价DEM的误差情况,无法全面的评价DEM的质量。而等高线能够反映地形地貌的整体情况,因此等高线回放法通过分析回放等高线的质量,进而检测评价DEM的质量,是评价DEM质量的一种相对全面准确的方法。因此,本文将顶点高差标记法应用到六边形DEM格网结构中,为正六边形规则格网DEM提出了一种等高线生成算法,并对正六边形格网DEM的数据质量进行评价和分析。首先,本文利用生成等高线拓扑正确性、与原始等高线贴合度以及弯曲特征保持情况3个指标以评价六边形格网结构下的基于顶点高差标记法所追踪的等高线,其具有无自相交等拓扑错误、与原始等高线贴合度高、弯曲特征保持情况良好等特点,证明了该算法的可行性。此外,本文将该生成方法应用到不同规则格网DEM质量对比中,即基于顶点高差标记方法分别生成四边形DEM和六边形DEM的等高线,并基于上述3个指标对比六边形DEM和四边形DEM生成等高线的质量,从而进行六边形DEM和四边形DEM的质量差异比较,实验比较表明,在相同分辨率下,六边形DEM回放的等高线与原始等高线的贴合度更高,弯曲特征保持情况更好,并且随着分辨率的降低,其贴合度降低幅度较小,弯曲特征丧失较少,并未出现尖角化、形状过度变形等情况,因此六边形DEM的质量优于四边形DEM,并且随着分辨率降低,六边形DEM的精度折损程度更小。     

以DEM提取流域水系河源的最小误差分析

 目前,以水文模型提取流域水系已成为水文科学研究中的热点问题。但用DEM提取流域水系的方法不能解决流域水系唯一性的问题。故本文在没有流域纸质水系图或遥感数据的前提下,提出以DEM提取流域水系的河源最小误差法,即通过建立实际河源与提取水系河源两点之间的距离误差与网格数大小的相互关系,以两点之间误差最小为原则解决流域水系提取唯一性问题。以晋江流域为例,30m分辨率的数字高程模型(DEM)为基础数据,采用河源最小误差法提取了晋江流域水系。结果表明,最小河流长度为42m时,实际河源与提取水系河源的距离误差达到最小,相应的晋江流域的水系分维值为1.389,表明该法是提取流域水系较合理可行的算法。     

顾及地形特征的DEM脆弱水印完整性认证算法

针对目前DEM完整性认证的需求,以及相关认证方法的欠缺,基于脆弱水印技术提出了一种充分顾及DEM地形特征的完整性认证算法.本文对DEM数据进行特征分析,进而提出与其相适应的脆弱水印技术的特殊要求.为了减少水印嵌入对载体数据的影响,在脆弱水印嵌入过程中,首先,提取DEM数据特征线,并依此将数据分为特征区域和非特征区域2部分;然后,根据特征区域的栅格数和水印序列段生成脆弱水印,并以LSB位平面替换的方法,将水印信息嵌入到非特征区域部分.在完整性认证过程中,同样提取DEM数据的特征区域,将重新生成的水印信息与提取的水印信息进行对比,从而判断数据的完整性.算法实验结果表明,其能有效认证DEM数据的完整性,对数据影响较小,且算法安全性和适用性较强.     

基于开源数据和条件生成对抗网络的地形重建方法

如何使用少量的地形特征复原地形地貌一直为地学领域的难题。本文使用开源数据集提取地形特征要素,使用地形特征要素作为约束条件构建了用于生成DEM的条件生成对抗网络(Conditional Generative Adversarial Networks, CGAN),设计了基于开源DEM、开源DEM与遥感影像组合、以及5m高精度DEM提取地形特征要素生成DEM的对比实验,并对结果进行视觉效果、相关性分析以及地形因子的对比与评价。结果表明:(1)在视觉效果上,3种不同方式生成的DEM在视觉效果上均十分逼近原始5 m DEM,都远好于传统插值方法生成DEM,基于开源12.5m DEM提取要素和1m遥感影像的重建效果最接近于原始5 m DEM;(2)在相关性上,三种不同方式生成的DEM与原始5m DEM相关性均能达到0.75以上,组合开源数据提取要素重建DEM与原始5 m DEM相关性可达到0.85以上;(3)在地形因子方面,基于开源12.5 m DEM和1 m遥感影像提取要素重建DEM的坡度和坡向的分布趋势与原始5 m DEM最为一致。本文为高精度DEM建模提供了新的思路,在高精度DEM难以获取...     

新型格网DEM等高线生成技术与方法

以格网DEM数据为基础,生成具有良好保凸性、光滑性、平顺性特征的高质量等高线,已逐渐成为制作等高线图的重点。鉴于现有技术方法在沟道、山脊等地形变化部位生成的等高线中存在生硬、相交、异常闭合等问题,本文以黄土丘陵1:5万不同格网分辨率DEM为例,采用对比分析方法,建立了基于DEM格网加密技术的高质量等高线生成方法。实验表明：（1）采用以4×4 DEM格网单元为搜索圆的完全规则样条函数插值法,以可视化时图面0.1 mm的实际距离为加密DEM的格网分辨率值,对DEM格网进行加密处理后生成的等高线具有更为理想的保凸性、光滑性和平顺性特征;（2）对于已知综合尺度的地形,存在最优DEM格网分辨率阈值,若要高质量地再现原始等高线,则实际DEM格网分辨率不得低于最优DEM格网分辨率阈值。     

黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征及成因

岩溶水流系统特征研究有助于地下水资源的合理评价和开发利用。借鉴水文学的研究方法，统计并量化了典型岩溶水流系统的空间特征以及其水文动态响应、温度场和电导率特征。划分了扇状、树枝状、平行状、梳状4种地下水系来综合反映岩溶水流系统的地表-地下岩溶特征，前两者主管道垂直于地层走向，构造裂隙起汇水作用，后两者主管道平行于地层走向，层面裂隙起汇水作用。黄陵穹隆西北翼、西翼和南翼以平行状和树枝状为主，东翼和北翼则以扇状水系和平行状水系为主。不同地下水系结构的形成及区域差异与含水系统和水系的空间关系和级次性密切相关，并表现出不同的动态特征。扇状和平行状岩溶水流系统对降雨响应最为敏感，而梳状水系岩溶水流系统响应和衰减过程最慢；基于岩溶地下水温度与出露高程和循环深度显著相关的关系建立了鄂西山区地下水温度线。这一基础性研究可为岩溶地下水流系统研究和当地工程实践提供一定的理论支持。      

顾及地表汇水分析的城市DEM构建

城市暴雨内涝是城市最普遍的自然灾害之一。受城市复杂下垫面环境的影响,城市暴雨积水具有响应时间短、淹没速度快的特点。数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）是城市地表汇水分析的关键,是暴雨积水分析的基础,而传统方法构建的DEM不能满足复杂下垫面环境下城市暴雨积水淹没分析的需求。本文以构建顾及地表汇水分析的城市DEM为目的,提出基于多源数据融合思想和地形修正思想的DEM构建方法,即将数字摄影测量技术构建的大范围DEM与车载激光扫描技术构建的城市道路高精度DEM相融合,再利用影响雨水汇流路径的建筑物、水系等要素对DEM进行修正的构建方法。本文以北京市海淀区公主坟地区为例进行研究,结果表明该方法构建的DEM在道路区域高程精度可达厘米级,实现了对城市道路易积水区域的重点表达,基于该DEM的汇水分析结果基本符合城市下垫面汇水特点,因此,本文构建的DEM适用于城市道路、桥区汇水路径分析和积水淹没分析。     

基于资源三号测绘卫星DSM的复杂地形水系提取精度分析——以云南省高海拔山区为例

针云南省楚雄地区为研究区域,采用1:25万水系数据为参照,基于资源三号测绘卫星DSM(ZY-3DSM)数据自动提取水系,并从河流分支点和水系因子两方面分析其精度,再与SRTM DEM提取的水系进行比较。结果表明:(1)从河流分支点来看,ZY-3 DSM提取的水系精度普遍高于SRTM DEM,在中海拔丘陵和中海拔台地上点位精度比后者高50%以上,在低海拔平原和中海拔平原上点位精度比后者高25%以上;(2)就水系长度和分级而言,ZY-3 DSM提取的水系总长度比SRTM DEM约长15%,一级和二级河流数目比后者多18%;(3)从水系密度和河网套合差来看,ZY-3 DSM提取水系与1:25万水系吻合度较好,水系密度相似度高于SRTM DEM约3倍,河网套合程度前者高于后者45%。总之,基于ZY-3 DSM提取的水系精度较高,完全符合测绘标准规范,且各方面均优于SRTM DEM提取的水系。     

面向城市平原地区暴雨积涝汇水区分级划分的方法研究

汇水区划分是分布式水文模型计算的基础。针对现有方法使用DEM在平原城市地区划分的汇水区不符合实际地形情况,本文提出了一种面向城市平原地区分级划分汇水区的技术方法。该方法从城市用地分类角度出发将城市分为中心城区和郊区,依据城市排水主干水系进行汇水区一级划分,将影响中心城区和郊区的不同径流因子分别融入DEM中,利用细化的DEM进行二级汇水区划分;在此基础上,根据实际汇流情况,结合Voronoi图,对中心城区进行三级划分,最后通过GIS技术进行修正。该方法既结合了传统DEM生成子流域的算法,又融入了城市区域地物地貌特点,能更好地满足城市地区的需要。选择上海市嘉定区西北部地区为实验样区,利用该方法进行汇水区划分比较表明,其对于城市平原地区具有很好的适用性。     

基于SWAT模型和多源DEM数据的流域水系提取精度分析

流域水系是研究水文水资源、地貌演化和生态环境及水土治理等的基础数据,高精度的水系提取对流域研究十分重要。本文以空间分辨率均为30 m的 AW3D30 DSM、SRTM1 DEM和ASTER GDEM2数字高程模型作为基本的地形数据,基于SWAT模型提取犟河流域水系,通过河网“套合差”、水系相对误差、Google Map水文数据及蓝线河网对提取结果进行误差分析与综合评价,探讨河道剖面和地形特征对水系提取精度的影响。结果表明：① 集水面积阈值是决定河网水系提取精度的关键参数,阈值越大,提取的河网密度越小,反之提取的河网密度越大;② 基于河网密度与集水阈值二阶导数的幂函数与直线相切的数学求值方法确定流域最佳集水面积阈值,能避免最佳集水阈值取值的主观性,提取的河网水系与实际河道相符;③ AW3D30 DSM数据提取的流域河网水系与Google Map高分辨率影像的水系偏差最小,且AW3D30 DSM数据提取的水系与蓝线河网的河网“套合差”和水系相对误差值均最低,能真实反映中低山丘陵山区流域水系发育的疏密程度,吻合度最好;④ 多源DEM数据提取结果均显示为河床比降大和横剖面曲线为窄深式的“V”形河谷提取的水系精度高于河床比降小和横剖面曲线为 “碟”形河谷的提取精度;⑤ AW3D30 DSM数据的地形起伏和坡度标准差最大,有利于山区河网水系的提取。因此,基于SWAT模型和AW3D30 DSM数据提取的山区流域水系可最大限度反映流域水系的真实情况,精度最高,此方法和数据源可应用于中低山丘陵山区流域的水系提取研究。     

面向多分辨率DEM的河网相似性测度与分析

河网是地形结构的核心要素,能够有效地反映DEM对地表形态的刻画能力。实现不同分辨率条件下DEM河网相似性测度对DEM地形综合、DEM质量评估及DEM不确定性分析等研究具有重要意义。基于此,本文以黄土高原典型样区为研究区,基于5 m高精度DEM建立的多分辨率DEM数据集,构建了地形特征自适应的DEM河网自动提取方法,建立了综合拓扑关系、方位关系、距离关系及属性特征四维信息的河网相似性度量模型,并分析了河网相似性变化特征及其与地形参数的相关性。实验结果显示,河网自动提取方法的制图精度和用户精度均在90%以上,总体精度优于Passalacqua等提出的GeoNet方法,能够有效实现不同分辨率下河网较高精度提取;河网相似性度能综合反映河网空间分布特征的差异性,河网相似度与分辨率变化率之间的幂函数关系R²达0.978,且河网相似度与高程、坡度中误差分别表现为幂函数和对数函数关系,后者对数关系显著性优于前者幂函数关系。研究表明,在以河网作为DEM构建重要数据源的背景下,本文的研究成果可为DEM质量及其应用适宜性的定量评价提供基础。     

Research on the spatial structure of karst massif

Eight spatial structure types are determined through morphology, hydrogeology, hydrology and impulse response in karst districts, with the well studied Houzhai subterranean stream in Puding, Guizhou Province as a sample research area. These types contain peak-forest basin, peak-forest laterite platform, resurrected peak-forest basin, old peak-forest-funnel depression, peak-forest-funnel, peak-forest-funnel depression, peak-cluster valley and peak-forest-doline. In the area, each of them has its respective surface and subterranean structural feature, and morphology, hydrogeology, hydrology and impulse response as well. The difference of responses of subsurface system in different spatial structure types are obtained by time series analysis, frequency spectrum research and decline curve calculation of material current. According to the analysis of the aquifer feature, the upper reaches of suburfall stream is dominated by pipeline flow, the lower reaches is characterized by braided fissure flow drainage system and mixed characteristic exists in the middle reaches. The result of the impulse test shows that the large ascending range of stage in the test on swash condition is in fissure system. However, in pipeline type, especially in the subterranean stream where there is waterfall or incomplete fill of underground water, the ascending range of stage is one quantity level less than the impulse range of stage at some fissure types, showing that change range of stage can indicate the spatial structure characteristics of certain area upper the station. The main direction of karst geomorphic evolution there is positive course except in the west area. It can be seen that karst geomorphological evolution direction can change when discharge datum plane influences some part of a relatively large drainage. In certain time unit, the upper reaches are controlled by old datum plane and the lower reaches by new datum plane. Two opposite geomorphological evolution directions can exist in one drainage.     

RESEARCH ON THE SPATIAL STRUCTURE OF KARST MASSIF——Taking the Basin of the Houzhai Subterranean Stream in Puding Country for Example

Ｉ．ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＵｐｔｏｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔ,ｓｅｖｅｒａｌｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎｄｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｈａｖｅｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｉｎｋａｒｓｔｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ,ａｌｏｎｇｗ...     

ArcGIS环境下DEM的坡长计算与误差分析

坡长是水土保持、土壤侵蚀和环境评价等研究中的基本因子。在GIS环境下,坡长的提取是基于格网DEM进行的,其结果受到DEM精度、DEM结构、流向提取算法和栅格距离计算方式的影响。在确定分辨率和精度的DEM下,坡长计算误差主要来自流向提取算法和栅格距离计算方式。本文对这两种DEM坡长计算误差源进行了详细的分析,指出集成到ArcGIS软件中的坡长计算模型D8存在较大缺陷,尽管栅格距离计算方式对坡长影响最大误差为8.9%,并可通过统计方式实现整体坡长的修正,但D8算法的单流向特性使得水流方向变得确定和不连续,进而导致坡面单元坡长产生较大误差,因此,利用D8算法进行数值模拟计算需要考虑其精度问题。同时应提高坡长计算的准确性,需要发展更为完善的流向计算方法和坡长计算模型。     

Numerical hydrodynamics study around turbine array of tidal stream farm in Zhoushan,China

In recent decades, great efforts have been made to efficiently explore tidal stream energy due to its unique advantages of easy prediction and great potential. China recently launched a national tidal stream farm demonstration project in the waterway between Putuoshan and Hulu Islands in the Zhoushan area. Before deployment of the turbine array, it is necessary to understand the hydrodynamic changes associated with the construction of a turbine array. In this study, we developed a depth-averaged hydrodynamics model that solves the shallow water governing equations to simulate the tidal hydrodynamics around the Zhoushan Archipelago. The simulation results agree with field data in terms of the water elevation and stream velocity. We considered two types of turbine arrays in this study and investigated their impacts on the local hydrodynamics. In general, the stream velocity in the northern and southern areas is reduced due to the power take-off of the turbine array, whereas stream velocity in the western and eastern areas is slightly increased due to the blockage impact of the turbine array.     

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Drainage Network and Lineament Analysis： An Approach for Potwar Plateau （Northern Pakistan）

Drainage responds rapidly to tectonic changes and thus it is a potential parameter for teetonogeomorphological analysis. Drainage network of Potwar is a good geological record of movement, displacements, regional uplifts and erosion of the tectonic units. This study focuses on utilizing drainage network extracted from Shuttle Radar Digital Elevation Data （SRTM-DEM） in order to constrain the structure of the Potwar Plateau. SWAN syncline divides Potwar into northern Potwar deformed zone （NPDZ） and southern Potwar platform zone （SPPZ）. We extracted the drainage network from DEM and analyzed 112 streams using stream power law. Spatial distribution of concavity and steepness indices were used to prepare uplift rate map for the area. DEM was further utilized to extract lineaments to study the mutual relationship between lineaments and drainage patterns. We compared the local correlation between the extracted lineaments and drainage network of the area that gives us quantitative information and shows promising prospects. The streams in the NPDZ indicate high steepness values as compared to the streams in the SPPZ. The spatial distribution of geomorphic parameters distinctive deformation and uplift rates suggest the among eastern, central and western parts. The local correlation between drainage network and lineaments from DEM is strongly positive in the area within I km of radius.     

基于均值变点分析法的资源三号测绘卫星DSM水系自动提取研究——以云南省高海拔山区为例

水系自动提取是保证基础地理数据现势性的关键,而获得最佳集水面积阈值是提高水系提取精度的前提条件。集水面积阈值一般依靠定性分析的方法获取,采用均值变点分析法定量确定水系的集水面积阈值,可以满足基础地理数据精确性的要求。以云南省龙川江流域为研究区域,基于资源三号测绘卫星ZY-3 DSM和SRTM DEM两种数据,利用GIS工具分别提取该流域水系,再由均值变点分析法确定最佳集水面积阈值,并比较分析这两种水系的提取精度。研究结果表明:1随着集水面积阈值的增加,提取的水系密度减小且趋缓。ZY-3 DSM和SRTM DEM的最佳集水面积阈值分别是6.0 km~2和2.75 km~2;2在最佳集水面积阈值下,ZY-3 DSM提取的河流数比SRTM DEM多20.6倍,河流等级多2级,各级支流数为SRTM DEM的4.7~9.5倍不等,水系密度达到SRTM DEM的4.5倍;3与1:250 000水系数据相比,ZY-3 DSM和SRTM提取的河流点位平均相差395.23 m,RMSE为391.83 m。由此可见,利用均值变点分析法基于ZY-3 DSM提取的水系精度更高,完全满足测绘地理数据更新的现势性、准确性要求。     

三峡库首区河长坡降指标及其地质构造意义

利用数字高程数据和空间分析方法,提取三峡库首区长江支流的河长坡降指标（SL）以及标准化坡降指标（SL/K）,对该区构造活动进行分析。结果显示,研究区水系发育主要受断裂构造、地层岩性和新构造运动的影响,在空间上存在一定差异性,说明研究区构造活动存在区域性差异。在不同岩性地区,特别是三叠系地层区,水系响应较为明显,这与地层的抗水流侵蚀强度有关。该区水系发育受断裂构造控制作用较小,但受新构造抬升影响较大。