数字高程模型预处理方法的研究进展

数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM)是地形表面形态属性的数字化表达,被广泛应用于流域水文模拟中河网水系的提取.从DEM直接提取的河网水系及相关的流域地理空间信息,是分布式水文模拟的地理信息平台.由于DEM中洼地和平坦区的存在会影响水流方向的确定和数字河网的正确提取.因此在河网自动提取过程中必须首先对DEM数据进行预处理.本文对国内外各种DEM预处理方法进行了归纳总结.将DEM数据预处理方法分为两大类:分步处理法,以及一体化处理法.分步处理法按处理对象又可分为洼地处理方法和平坦区处理方法两部分;而一体化处理法则采用迭代算法同时对洼地和平地进行处理.     

处理DEM中闭合洼地和平坦区域的一种新方法

数字高程模型(DEM)中的闭合洼地和平坦区域影响着流域排水网络的自动提取.目前已提出很多方法来处理这两种地形,但均针对已经形成的DEM单元网格进行处理,结果往往生成伪河道及平行河道.在回顾分析了这些方法存在的问题后,提出了一种新的处理方法,该法认为DEM中的闭合洼地和平坦区域是由于低质量的资料输入、生成DEM时的内插误差等引起的.通过增加输入地形高程信息,避免了DEM中平坦区域和闭合洼地的生成,从而使由DEM生成的河网与实际河网能够精确拟合.实例分析表明,该方法效果明显.     

利用DEM提取流域水系时洼地与平地的处理方法

在利用数字高程模型(DEM)模拟坡面流提取流域水系特征过程中,对洼地和平地的处理是首先需要解决的关键问题。针对现有方法对复杂地形DEM中平地、洼地及其复合情形处理效率和效果的不佳,提出了洼地的分类与归并、有效填洼、平地的分类、基于出流代价的河谷平地排水流向构建等新的处理方法,并在开发的软件系统中得到实现。实验结果表明:采用该方法可对复杂洼地进行有效处理,构建的河谷平地水流流向在顾及周边地形的同时向可能形成的河道收敛,避免了平行河道、伪河道等奇异河道的产生,由此提取的流域水系与实际自然水系基本一致。     

数字高程模型在流域水文模型应用中的若干问题

数字高程模型(DEM)在流域水文模型中得到了广泛应用,主要是因为DEM能够自动提取流域水文模型所需要的确定流域排水结构的水文信息。回顾并讨论了DEM在流域水文模型应用中的几个问题,主要包括河网自动提取的方法、DEM中排水方向的确定以及封闭洼地的处理,同时还包括在流域水文模型中应用时DEM的结构类型及尺度问题。由于由DEM生成的模拟河网与流域实际河网间存在一定的差别,最后还讨论了如何对模拟河网进行矫正的问题。     

分布式流域水文模型的DEM数据处理

分布式流域水文模型从DEM数据中提取河流,由于地图数据的比例尺、DEM网格的分辨率等原因,生成的河流可能与真实的河流不重合,流域内的径流可能汇集不到出口断面,必须对DEM数据进行处理。目前GIS软件中常用的处理方式是将河流经过的网格高程普遍降低,这种方法还不够理想。理想的DEM数据处理方法应满足以下原则:修改后生成的河流与真实的河流重合,流域内的径流能够汇入河道到达流域出口断面;DEM数据中网格的高程来自实测地图,最能代表网格的高程,只是由于对网格高程的插值滤掉了一些地形细节,因此高程修改的网格数目应达到最小。基于这个原则,提出DEM数据修改方法,平滑掉河流经过的凸起网格并且填充流域内的洼地,修改最少的网格高程,使由DEM数据生成的河流能够与真实的河流重合,达到模拟真实的径流流动路径的目的。     

基于地图代数的数字地表流线模拟研究

降雨在地表上随地形流动自然形成沟谷线、汇流区、分水岭等流域形态,研究地表流水线的数字模拟对数字流域水文分析具有重要意义.提出数字地表流线模型的概念,只考虑地形因素,利用等高线图建立一个能获得区域内每滴雨水沿地表流动的轨迹模型.并运用地图代数的距离变换对等高线及所在空间进行全方位的距离度量,研究了数字地表流线模型的建立方法.实验表明,该模型利用距离变换信息而不是高程计算流向,可避免DEM高程误差对流向、流线的影响,且不需要在DEM上进行复杂的洼地、平地的识别与处理.该模型对原始数据要求不高,能有效应用于沟谷线的自动提取、汇流区自动分割和分水线网络的自动提取.     

基于DEM与实测河网的流域编码方法

借助于GIS技术对大流域进行划分与编码.修正实测河道上部分栅格单元的高程,以避免大面积“伪洼地”的出现,从修正后的栅格型数字高程模型(DEM)提取出与实测河网比较一致的模拟河网.提取出模拟河网后,再进行河网的编码,以及流域的划分与编码.提出了一种对Pfafstetter规则的改进方法,并且按照改进后的Pfafstetter规则来对河网与流域进行编码.所有编码工作是由本次研究中专门编制的程序来自动完成.将提出的方法应用于黄河流域,将整个黄河流域划分为8 255个子流域并赋予了Pfafstetter编码.     

基于ArcGIS的DEM流域划分

从数字高程模型DEM(Digit Elevation Models)直接提取河网及流域信息,是分布式水文模型开发与应用的基础.本文利用ArcGIS中的水文分析工具从DEM中提取了流域水文特征.主要包括:DEM的预处理、水流方向的确定、水流累积量提取、河网的提取、集水区的提取和流域的划分.本文探讨了两种不同划分流域的方法...     

动态链表在提取数字流域排水结构中的应用研究

本文具体介绍了一种结合DEM和实际数字河网确定流域排水结构的方法。该方法引入了链表的概念,在利用流域实际数字河网从流域的出口向上游搜索的过程中,对于湖泊水库等宽度大于一个栅格的河网地区建立链表,通过图的遍历来确定有河网流过的栅格的水流方向。并对无河网地区进行相应处理,保证无河网地区流向的合理性。这样提取的河网可以保证是连续的,提取的模拟河网与实际河网的吻合显示出了高度的一致,并在一定程度上解决了实际洼地和伪洼地的判别。经过黄河流域的算例验证,表明该法简单可行。     

考虑水力连通的羌塘内流区洼地单元提取与分类

羌塘内流区是青藏高原面积最大的内流区,气候变化正在加剧其湖泊水系结构与水量的演变,开展内流区流域调查并科学估算其水资源的变化具有重要意义。本文提出一种新型内流区流域划分方法,该方法通过引入高程-面积联合阈值,以解决由气候变化与数字高程模型分辨率等因素引起的洼地单元提取难题。基于已监测的羌塘内流区流域重组与湖泊水位的变动幅度,确定了高程-面积联合阈值分别为10 m和50 km²,并对洼地单元进行划分,共识别出163个具有合理集水面积、永久性分水岭的封闭内流区洼地单元。引入多个相关数据集及已有算法评估本方法,结果表明：该方法适用于大尺度内流区洼地单元提取,提取精度优于现有算法及数据产品;依据洼地单元间水力连通特征,将全区163个洼地单元划分为5种主要类型,其中以“上下游互通型”(Ⅱ型)、“高山型”(Ⅳ型)洼地单元为主,“凹陷型”(Ⅴ型)洼地单元则多与其他类型复合存在,受气候条件的影响更加显著。     

粗粒料多边形表征及二维FEM/DEM分析

考虑到颗粒形状对粗粒料的力学特性有重大影响,提出了一种新的表征颗粒形状的方法,即在椭圆上随机选取一系列点连接成多边形颗粒,表征狭长扁平的颗粒。新方法较圆上取点的方法能代表更多类型的颗粒形状,适用范围更广。提出了一种新的粗粒料投放算法,即先缩小颗粒,然采用随机算法将缩小的颗粒投放至给定区域,对颗粒划分好网格后,将颗粒放大到原来的大小,然后采用有限元-离散元(FEM/DEM)方法计算稳定后即生成了相应的试样。通过将上述颗粒生成及投放算法与FEM/DEM结合,应用于粗粒料的数值模拟。分析表明,FEM/DEM是研究粗粒料力学性质的较好方法,对复杂的颗粒形状也可简单建模,且因在颗粒内部划分了有限元网格,复杂的接触判断及接触力计算转化为标准统一的三角形和三角形之间的接触判断及接触力计算,所有的计算均可标准化、统一化。同时因为颗粒是可以变形的,依然保留了连续介质力学中应力和应变的概念,无须像PFC那样需通过测量圆来间接表示某点的应力、应变。最后,通过粗粒料的侧限压缩试验的数值模拟,展现了文中提出的一整套解决方案在模拟粗粒料方面的巨大潜力。     

基于栅格DEM的多流向算法述评

基于栅格DEM的流向算法是数字地形分析的重要研究内容之一。在分布式水文模型、土壤侵蚀等领域中,当需要获取与流向直接相关的水文参数(如汇流面积、地形指数等)的详细空间分布时,多流向算法(MFD)明显优于单流向算法(SFD)。根据所采用的水流分配策略,将现有MFD分为四类:(1)固定水流分配权重的MFD;(2)水流分配权重随汇流面积变化的MFD;(3)水流分配权重随局域地形特征变化的MFD;(4)基于局域形态单元的MFD。从模型合理性、算法复杂度和易用性、对DEM误差的敏感性等方面进行的分析表明,水流分配权重随局域地形特征变化的MFD优于其他三类MFD。目前对MFD采用人造DEM数据集的直接定量评价研究还十分不足,文章以一个例子来体现直接定量评价MFD的可行性及有效性,同时也定量反映出水流分配权重随局域地形特征变化的MFD具有更低的计算误差。目前通用的针对流向算法的DEM洼地平区预处理算法多针对SFD而设计,不适合MFD的实际应用,本文对适用于MFD的DEM预处理算法所应具有的特征也进行了讨论。     

空间分辨率与取样方式对DEM流域特征提取的影响

随着数字水文的兴起和分布式水文模型研究的发展, 利用DEM提取水文特征, 进而进行水文模拟的方法越来越广泛地为水文学者所采用. 空间分辨率的改变与DEM重新取样方式对水文模拟都会产生重要影响. 采取不同取样方法获得多种尺度的DEM, 对不同分辨率下的流域特征值进行了统计分析与比较, 引入熵的概念度量不同分辨率的DEM包含的信息量, 以及不同取样方式对信息量的影响. 并计算了以50 m DEM所包含的信息量为基准, 在不同的信息损失下所要求的最低分辨率.     

基于局部单元劈裂的FEM/DEM自适应分析方法

为了模拟岩体中裂纹的萌生、扩展,Munjiza提出了有限元法/离散元法(FEM/DEM)耦合分析方法。因为裂纹是沿单元边界进行扩展的,亦即裂纹扩展具有网格依赖性,为获得较好的裂纹扩展形态,需要划分密集的初始网格。为解决上述难题,基于FEM/DEM耦合分析方法,提出了基于局部单元动态劈裂的FEM/DEM自适应分析方法,以克服裂纹扩展形态对网格的依赖性。该方法在最初建模时无需划分很密的初始网格,随着荷载的施加,对裂纹尖端附近的局部单元进行动态劈裂,为裂纹的后续扩展提供了更多可能的扩展方向,使得裂纹扩展不必沿着初始网格的单元边界扩展,即可以沿着单元内部进行扩展,裂纹扩展形态更为平滑,与实际情况更为接近。同时相对原FEM/DEM耦合分析方法一开始就划分很密的网格而言,新方法可以划分较为稀疏的初始网格,计算成本降低。最后,通过巴西劈裂算例与原FEM/DEM耦合分析方法对比,分析表明,新方法在一定程度上克服了裂纹扩展形态对初始网格的依赖性。     

A modified HASM algorithm and its application in DEM construction

In many spatial interpolation fields, high accuracy surface modeling (HASM) has yielded better accuracy than classical interpolation methods. The Gaussian equation is the core of the HASM algorithm; The current version of the HASM method builds the Gaussian equation in Cartesian coordinates and, computes the two partial derivatives of the surface in the horizontal and vertical directions for each grid. In this paper, a modified HASM method is proposed that integrates flow paths to improve the original HASM methodology. The modified HASM approach involves two steps. The first step generates an initial DEM, which is used to compute the flow path. Then, the second step is conducted based on scatter points and the flow direction. The output from this step is better than the initial DEM. First, we used a theoretical mathematical surface to validate the correctness of the modified model. Then, we chose a small study area where the topography is affected by hydrological erosion for analysis. The test results showed that the modified HASM method constructed a DEM with low MAE and RMSE values compared to those of traditional methods, and it more accurately characterized topographic features. Finally, a relatively gently sloping area was selected to validate that the applicability of the new method in other areas.     

An efficient algorithm for assignment of flow direction over flat surfaces in raster DEMs based on distance transform

Flat surfaces or areas with no local gradient are general types of terrain in raster Digital Elevation Models (DEMs). When a DEM is used for automated hydrological analysis, it is necessary to assign flow directions over flat surfaces. This paper presents an improved algorithm for assigning flow directions over flat surfaces that builds on earlier work and offers efficiency improvements. The improved algorithm use distance transform method to calculate the distance values of cells in flat surfaces towards lower terrain and away from higher terrain, which can replace the recursive process in the earlier algorithm by a linear process, and reduce random data access. Furthermore, the improved algorithm assigns weights with different values and signs to the two distance values to guarantee that all flat surfaces are drained, which avoids the need to label each flat surface using the flood-fill algorithm in the earlier work. Comparisons of speed indicate that the improved algorithm is more efficient in assigning flow directions over flat surfaces.