TOPMODEL中地形指数ln 的新算法

TOPMODEL中地形指数ln (α/tanβ)被用来近似表征流域径流源面积和地下水水位的空间分布特征,目前广泛使用的计算地形指数的方法为多流向算法 (FD8算法)。本文首先介绍了多流向算法的基本原理,并基于此对流动累积分配中的有效等高线长度精确计算提出了几何锥面内切圆算法,同时改进了传统的地形指数中单位等高线汇流面积α的计算方法,增强了多流向算法对DEM中异常栅格的处理能力。改进后的地形指数新算法在两个不同流域和不同分辨率DEM上与传统多流向算法进行了对比分析。结果表明新算法在原理上更符合地形指数物理意义,实际应用中其计算结果更准确。这种地形指数新算法的提出对于流域水文过程机理分析及陆面过程定量化研究具有一定的现实意义。     

DEM流径算法的相似性分析

流径算法是分布式水文模型、土壤侵蚀模拟等研究中的关键技术环节,决定着汇水面积、地形指数等许多重要的地形、水文参数的计算。本文以黄土高原两个典型样区的不同分辨率DEM为研究对象,对常用的五种流径算法(D8、Rho8、Dinf、MFD和DEMON)通过相对差系数、累积频率图、XY散点分布图等进行了定量的对比分析。结果表明:算法的差异主要集中在坡面区域,汇流区域各类算法的差别较小;算法差异在不同DEM尺度下都有所体现,但高分辨率下的差异会更明显;在地形复杂区域,多流向算法要优于单流向算法。研究也进一步指出汇水面积、地形指数等水文参数对流径算法具有强烈的依赖性。     

一种融合Priority-Flood算法与D8算法特点的河网提取方法

基于数字高程模型(Digital Elevation Models)进行河网提取是数字地形分析的重要研究内容和水文分析的关键步骤,而流向算法是其中最重要的部分。然而,传统的流向算法在平坦地形区域容易形成平行河网。为解决平行河网问题,该文提出了一种结合Priority-Flood算法漫水思想和改进D8算法的流向算法。借助Priority-Flood算法的漫水思想,可以保证流向符合宏观地形特征;同时将地形划分为上坡、平地和下坡3种类型,辅以PriorityFlood算法可以实现在不填洼的基础上计算流向,而且针对不同地形,采用相应的改进D8流向算法,从而保证流向符合微观地形特征。通过这两种算法的结合,可以直接使用原始DEM提取河网,消除了填洼过程,提高了流向计算效率,同时消除了填洼造成的大量平地,有效地解决了平地区域平行河网问题。最后,选取全球不同区域SRTM数据对JD算法与新算法进行对比实验,结果表明,新算法能够有效地改善平行河网问题。     

基于改进型多流向算法的地形指数空间尺度变化分析

地形指数ln(α/tanβ)是流域径流源面积和地下水水位空间分布特征的近似表征,是地形特征参数化的重要指标。基于改进后的地形指数多流向计算方法,在0.5×0.5°的区域气候模式尺度框架下,探讨了地形离散和平滑效应分别对地形指数尺度变化的影响程度;研究了地形指数在100和1000m栅格尺度上的相关性,给出两者在空间尺度上的转换关系;分析区域尺度和全球尺度下地形指数尺度转换的差异及原因。研究结果可以增强地形信息在大尺度水文模型及陆面水文过程中的适用能力。     

基于无人机摄影测量的地形变化检测方法与小流域输沙模型研究

流域输沙过程是地貌学和地表动力学的重要研究内容,但传统的输沙过程监测方法仅能得到某个区域的总输沙率,无法推算其空间分布。论文以黄土高原绥德县窑家湾小流域为例,利用无人机摄影测量技术得到其2006年和2019年2期数字高程模型(DEM)并计算地形变化量;然后,根据质量守恒原理和多流向算法建立泥沙在空间上的输送模型,进而计算小流域输沙率的空间分布。实验结果表明,该模型能有效模拟泥沙在空间上的输送情况,输沙率出现质量不守恒的区域面积占比小于4%,且不守恒区域多为人类活动影响区。同时,论文讨论了DEM的选择和不同地形变化检测水平对模型结果的影响。当使用第一期DEM进行泥沙搬运路径推算时,质量不守恒区域的面积显著降低。使用误差空间分布图进行地形变化检测得到的输沙率结果鲁棒性更强。使用中误差进行地形检测得到的结果在不同置信度下变化较大。基于无人机地形变化检测的空间输沙模型能方便、快捷地提供详尽的输沙率空间分布,为地表过程研究带来了新的机遇。     

平缓地区地形湿度指数的计算方法

地形湿度指数( topographic wetness index) 可定量模拟流域内土壤水分的干湿状况, 在流域 的土壤及分布式水文模型等研究中具有重要的意义。但现有的地形湿度指数计算方法在应用于 地形平缓地区时会得到明显不合理的结果, 即在河谷地区内, 地形湿度指数仅在狭窄的汇水线上 数值较高, 而在汇水线以外的位置则阶跃式地变为异常低的地形湿度指数值。本文针对此问题对 地形湿度指数的计算方法提出改进: 以多流向算法MFD- fg 计算汇水面积, 相应地以最大下坡计 算地形湿度指数, 再基于一个正态分布函数对河谷平原地区内的地形湿度指数进行插值处理。应 用结果表明, 所得地形湿度指数的空间分布不但能合理地反映平缓地区坡面上的水分分布状况, 并且在河谷地区内地形湿度指数值也都比较高, 其空间分布呈平滑过渡, 因而整个研究区域的水 分分布状况得到了比较合理的反映。     

等高线内插DEM算法的质量评价

以北方农牧交错带典型丘陵、山地及丘间盆地混合地带为研究区,利用国家测绘局提供的1∶5万地形图,比较ANUDEM方法与生成DEM常用的内插算法TIN、NNI、Kriging和IDW之间的精度。DEM质量评价采用数值精度指标验证,并辅以地形属性可视化分析、等高线分析和不同算法插值结果差异分析等,结果表明不同算法内插高程误差较大的区域主要分布在地形结构线附近;且ANUDEM方法生成的DEM精度较高,在其上提取的等高线与原始等高线吻合度高,能较好地反映研究区的真实地形。     

基于不同算法等高线曲率的提取与分析

等高线曲率是一个重要的地形属性，反应了地形表面在水平方向的凹凸性，表达了地表物质运动的发散和汇合模式。基于安塞县县南沟小流域的矢量等高线数据和DEM，分别利用圆拟合算法（相邻三点法、间隔三点法和最小二乘法）和曲面拟合模型（E模型、S模型和Z模型）提取等高线曲率，通过对实地地形的对比分析，结果表明：（1） 在矢量等高线数据的计算结果中，三点拟合法计算结果相比最小二乘法结果差异大，对等高线曲率空间格局分布描述更准确；（2） 最小二乘法计算的结果频数分布集中程度最高，两种三点拟合法计算结果频数曲线差别微小；（3） 在栅格数字高程模型的计算结果中，基于S模型计算结果在空间格局上较E模型和Z模型的结果差别大，基于E模型的计算结果对等高线曲率描述效果更好。结果能准确说明采用不同算法计算等高线曲率的差别，对在实际数字地形分析中有重要的意义，可为等高线曲率计算提供重要参考。     

基于局部地表形态的可变过水宽度多流向算法

流向是地形分析中的重要内容之一,在分布式水文模型等研究中起着重要作用。文章提出基于局部地表形态的多流向算法,即对每一个DEM栅格,在以其为中心的3×3窗口中进行局部地形分析,确定基于随坡度和过水宽度而变化的水流分配系数。该方法被应用在实际数字地形模型上,并以汇水面积和比汇水面积为研究指标,与目前流行的D8、Dinf等算法进行了相似性分析。结果表明,该方法能够获得更为符合实际的水流汇集的空间分布。     

基于DEM的地形湿度指数及其应用研究进展

地形湿度指数以数字高程模型（DEM）为基础,综合考虑了地形和土壤特性对土壤水分分布的影响,在流域土壤水分空间分布的研究中具有重要的理论与应用价值。根据对汇流面积时空变化的分析,地形湿度指数可分为静态、半动态和动态地形湿度指数等类型。在利用该指数评价土壤水分空间分布状况时,需要考虑计算方法与DEM网格单元大小的影响及其普遍适应性等问题。同时,针对黄土高原干旱半干旱区实际的水分循环过程和产流机制与现有地形湿度指数假设条件的差异,提出了地形湿度指数在黄土高原地区的研究设想与应用途径,以期为该区的水土保持和植被恢复研究提供理论和实践支持。     

地形湿度指数算法误差的定量评价

地形湿度指数(TWI)能够定量指示地形对土壤湿度空间分布的控制,是一种应用广泛的地形属性.目前基于栅格DEM的TWI计算方法结果各异,因此有必要对'TWI算法进行定量评价.对TWI算法通常是应用实际DEM数据进行评价.但实际DEM中存在的数据源误差会干扰对算法误差的评价.针对该问题,本文介绍了一种用不含数据源误差的人造...     

基于数字高程模型自动提取水系的若干问题

在分析对比基于数字高程模型(DEM)自动提取水系算法的基础上,针对地表径流模型数据预处理中存在的问题,提出了相应的解决方案。该方案根据现实可得DEM数据的精度,指出DEM中“数字负地形”来自真实的地形和伪地形;伪凹陷来自数据单元的低估或高估;伪平原区的流向是一种汇聚模式的流向。通过对ARC／INFO的样本数据进行实验,该方案有效解决了数据预处理中存在的问题。     

基于DEM 的数字降水径流模型在黄河小花间的应用

DEM是目前用于流域地形分析的主要数据，在流域地形分析及水质构建等方面形成了比较成熟的算法，基于DEM的水文模拟技术的应用给传统的水文模拟方法带来了根本性的变化，基于栅格型DEM，应用最新引进的WMS专业水文处理软件，结合Arc/info、Areview地理信息系统工具，以黄河小花间（小浪底-花园口区间）卢氏以上流域作为研究区，进行了数字降水径流模型的应用研究。     

流域水系自动提取在西苕溪流域的应用

论述了如何基于栅格DEM自动提取流域自然水系的原理、方法和流程.以西苕溪中上游流域为例,根据DEM精度、上游集水区面积阈值和下垫面地形的不同,对所提取水系进行了比较.针对在平均地形坡度小于3°的平坦区域所提取水系与实际河网偏差较大的问题,提出了利用主干河道和平原水系数字化作为约束条件生成河网的新方法.     

基于DEM的地形单元多样性指数及其算法

在阐述地形信息表达研究进展的基础上,提出基于DEM地形单元多样性指数的概念和算法。地形单元多样性指数综合了高程、坡度、坡位、坡向、汇流量和水域信息等要素。其算法集成地形位置指数和地形湿度指数算法,采用图层叠加分析,设定分类、分级指标,进行重分类组合,划分地形单元类型,利用窗口分析法计算地形单元多样性指数。以四川省为试验区,利用精度为100 m的DEM数据和水域分布数据进行模拟计算,地形单元划分为13种典型类型,统计窗口半径设为900 m,计算出的多样性指数值小于0.5的区域仅占总面积的11%,大于0.75的区域达57%,符合实验区地形特征,并对算法进行了可行性分析和验证。结果表明,该算法提取的地形单元多样性指数可以有效反映地表形态的多样性特征及其变化。该研究结果为进一步探讨基于DEM地表形态信息的概念体系,以及从微观到宏观的地形信息空间分析研究创造了条件。     

基于单位汇水面积的地形因子特征评价

探讨了典型黑土区基于单位汇水面积的LS因子算法与传统基于径流路径长度算法的差异。研究表明,在研究区坡长坡缓的地形条件下,基于单位汇水面积的LS因子算法值普遍要大于基于径流路径长度算法的LS因子值;在有限的坡度范围内,不同算法的坡度因子相差不大,与之相比,不同算法的坡长因子值差别明显,特别是对于坡长指数采用定值的Govers算法更是如此。这说明在研究区坡长坡缓的地形条件下,坡长因子对LS因子算法的响应更为敏感。同时,侵蚀机理分析得出,坡长因子指数采用与坡度有关的变值更为合理,特别是在采用DEM进行大范围土壤侵蚀量预测时更应如此。     

基于LiDAR数据的流域水系网络提取方法研究

LiDAR技术能够提供高分辨率DEM数据,可用于准确提取流域水系网络信息。研究中针对LiDAR系统提供的高精度DEM数据中存在的噪声,提出采用各向异性扩散滤波算法进行噪声平滑,与常用的DEM滤波算法比较,该方法既能有效去除噪声,同时又能保留高梯度的地形信息。在DEM噪声去除的基础上,采用基于局部地形曲面几何分析的Peuker&Douglas算法初步提取水系网络原型,进一步利用改进的基于坡面流物理模拟分析的加权D8算法提取水系网络,构建了基于LiDAR数据水系网络提取的技术流程。通过鹤壁市某小流域的LiDAR数据水系网络提取试验证明了该方法准确提取水系网络的有效性。     

基于等高线建立的TIN模型中平三角形区域的消除方法

本文分析了基于平三角形搜索消除平三角形的算法中存在的问题,通过对现有1∶1万基础地理信息数据特点的研究和对已有算法的改进,得到一种新的、基于等高线的TIN模型中平三角形处理算法,并阐述了其原理和思路。通过对在不同情况下的等高线反演DEM进行实验,证明了该方法对于消除平三角形、提高1∶1万比例尺DEM精度具有良好的效果。     

顾及局部微地形特征的DEM洼地处理算法

基于数字高程模型(DEM)的洼地处理过程是分布式水文建模的基础步骤,但也是极其耗时的环节。随着DEM数据量的不断提高,洼地处理的效率提升成为解决当前分布式水文分析的重要突破口。该文在对局部微地形特征剖析的基础上,提出了局部微地形漫水算法(MFF算法),该方法分析了洼地处理过程中的8种局部微地形模式,并提出了两种洼地处理过程中的冗余点判别方法。通过对微地形中冗余点、洼地、平地的优化处理,实现了算法效率的有效提升。最后,以70个不同数据量的DEM为实验数据,分析了MFF算法的正确性与计算效率。实验结果表明:MFF算法在保证运算正确性的基础上,相比WL算法,执行效率平均提高40.13%,最大提高57.21%,可望为DEM高效水文分析提供新的方法。     

地形指数的物理意义分析

地形指数模型 ( TOPMODEL)用地形指数在流域中的空间格局来确定流域饱和缺水量的空间分布和产流区的空间位置与范围 ,物理意义明确。本文介绍了地形指数的物理基础及其与土壤水分的关系。分析了地形指数空间变化与汇流面积 a及局地坡度空间变化的关系 ,a范围内有效汇流面积的变化 ,提出了一种确定 a上限值的方法。