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。     

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。     

TOPMODEL中地形指数ln(α/tanβ)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.     

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。     

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。     

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SINMAP模型的区域滑坡危险性定量评估及模型验证

利用稳定态水文学理论与无限斜坡稳定性模型,构建分布式斜坡稳定性定量评估模型SINMAP,以坡体滑塌十分发育的陕西省略阳县为试验区,利用Grid DEM提取坡度、流向、地形湿度指数和有效汇水面积等流域地形水文数据,将GIS专题图、遥感数据等作为模型输入数据,获得地表斜坡稳定性分级专题图,实现滑坡危险性定量评估;将模型模拟结果与目前国内最具有权威性的中国县(市)地质灾害调查结果进行对比分析,发现两者在稳定性分级标准划分、滑坡点定性评价、滑坡危险性分区等方面都具有很好的相似性和可比性,说明模型的模拟结果能够客观反映研究区地表滑坡危险性,对可能出现的滑坡具有一定的预测精度。因此,该模型的研究有望为定量分析区域滑坡与环境因子的关系、区域滑坡预测等工作奠定基础。     

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。     

单流向法地形湿度指数尺度效应的不同地形区差异分析

利用DEM提取地形湿度指数(Topographic Wetness Index,TWI),以满足既定地理模型构建,需考虑不同地形区TWI提取的尺度效应。该文根据实际应用中的DEM分辨率尺度,生成1m、2.5m、5m、10m、20m、30m分辨率尺度的6景DEM;利用单流向算法提取研究区TWI;通过定性和定量方法分析了在不同DEM分辨率尺度中,居民地、梯田、湖泊和自然地形区4种地形区域中TWI值分布特征。结果表明:不同地形区TWI的尺度效应差异较大;随着DEM尺度增大,TWI值域逐渐缩小,变异程度逐渐增强,反映地表形态变化的能力逐渐减小;当DEM尺度大于5m时,TWI基本不能反映人工地形区域;自然地形区的TWI变化规律与研究区整体TWI变化规律相当,居民地与梯田的TWI变化规律大致相同,湖泊区域的TWI变化相对稳定。     

大尺度分布式水文模型数字流域 提取方法研究

构建大尺度分布式水文模型是当前大气水文模型耦合研究的一项重要内容。本文介绍一 种根据1km DEM 生成更大网格尺度DEM 数据, 同时可以保持流域河网信息并减缓高程、坡度 等地貌参数信息量衰减速度的有效方法———ZB算法。利用该方法和常规的网格平均法生成黄河 唐乃亥以上流域的5km、10km、15km 和20km 两套DEM 数据, 分别提取高程、坡度、地形指数、河 网密度、主河道长度、流域面积等流域特征参数, 并与1km DEM 提取的上述参数进行比较, 对两 种方法作出评价。结果显示, 随着网格尺度的增大, ZB 算法获得的DEM 数据可以保持河网的连 续性, 提取出合理的流域范围, 减缓地形信息量的衰减速度。该方法满足构建大尺度分布式水文 模型提取数字流域的需要。     

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...     

Pre-processing algorithms and landslide modelling on remotely sensed DEMs

Terrain analysis applications using remotely sensed Digital Elevation Models (DEMs), nowadays easily available, permit to quantify several river basin morphologic and hydrologic properties (e.g. slope, aspect, curvature, flow path lengths) and indirect hydrogeomorphic indices (e.g. specific upslope area, topographic wetness index) able to characterize the physical processes governing the landscape evolution (e.g. surface saturation, runoff, erosion, deposition). Such DEMs often contain artifacts and the automated hydrogeomorphic characterization of the watershed is influenced by terrain analysis procedures consisting in artificial depression (pit) and flat area treatment approaches combined with flow direction methods.In shallow landslide deterministic models, when applied using topographic dataset at medium scale (e.g. 30 m of resolution), the choice of the most suitable DEM-processing procedure is not trivial and can influence model results. This also affects the selection of most critical areas for further finer resolution studies or for the implementation of countermeasures aiming to landslide risk mitigation.In this paper such issue is investigated using as topographic input the ASTER DEMs and comparing two different combinations of DEM correction and flow routing schemes. The study areas comprise ten catchments in Italy for which hydrogeomorphic processes are significant. Aims of this paper are: 1) to introduce a parameter estimation procedure for the physically-based DEM correction method PEM4PIT (Physical Erosion Model for PIT removal); 2) to investigate the influence of different terrain analysis procedures on results of the slope stability model SHALSTAB (SHAllow Landsliding STABility) using remotely-sensed ASTER DEMs; 3) trying to assess which of terrain analysis methods is more appropriate for describing terrain instability.     

An adaptive approach to selecting a flow‐partition exponent for a multiple‐flow‐direction algorithm

Most multiple‐flow‐direction algorithms (MFDs) use a flow‐partition coefficient (exponent) to determine the fractions draining to all downslope neighbours. The commonly used MFD often employs a fixed exponent over an entire watershed. The fixed coefficient strategy cannot effectively model the impact of local terrain conditions on the dispersion of local flow. This paper addresses this problem based on the idea that dispersion of local flow varies over space due to the spatial variation of local terrain conditions. Thus, the flow‐partition exponent of an MFD should also vary over space. We present an adaptive approach for determining the flow‐partition exponent based on local topographic attribute which controls local flow partitioning. In our approach, the influence of local terrain on flow partition is modelled by a flow‐partition function which is based on local maximum downslope gradient (we refer to this approach as MFD based on maximum downslope gradient, MFD‐md for short). With this new approach, a steep terrain which induces a convergent flow condition can be modelled using a large value for the flow‐partition exponent. Similarly, a gentle terrain can be modelled using a small value for the flow‐partition exponent. MFD‐md is quantitatively evaluated using four types of mathematical surfaces and their theoretical ‘true’ value of Specific Catchment Area (SCA). The Root Mean Square Error (RMSE) shows that the error of SCA computed by MFD‐md is lower than that of SCA computed by the widely used SFD and MFD algorithms. Application of the new approach using a real DEM of a watershed in Northeast China shows that the flow accumulation computed by MFD‐md is better adapted to terrain conditions based on visual judgement.     

山区地形开阔度的分布式模型

 地形开阔度是影响山地辐射平衡及其分量的重要地形因子,是山区散射辐射、地形反射辐射等计算的重要参数。在复杂的地形条件下,地形开阔度的计算很难用数学公式描述。 利用数字高程模型（DEM）,全面考虑了坡地自身遮蔽和周围地形相互遮蔽的影响,提出了山区地形开阔度的分布式模型和算法。以1 km×1 km分辨率的DEM数据作为地形的综合反映,计算了起伏地形下中国地形开阔度的空间分布。同时,利用100 m和1 km两个分辨率的DEM数据,从不同DEM分辨率和不同地貌类型两个方面探讨了地形开阔度的空间尺度效应,阐明了区域地形开阔度随地形地貌和空间分辨率的变化规律。所提供的山地开阔度的数据可作为基础地理数据供相关研究应用。     

地形信息对确定DEM适宜分辨率的影响

分辨率会直接影响基于栅格数字高程模型（DEM）的数字地形分析结果,因此在实际应用中,需要选择适宜的DEM分辨率。目前采取的基本方法,基于某种地形信息定量刻画尺度效应曲线,从而确定DEM适宜分辨率,但对于采用不同地形信息时所产生的影响尚缺乏研究。本文针对该方法中通常采用的坡度、剖面曲率、水平曲率等3 种地形信息,每种地形信息提取时,分别使用两种不同的常用算法,在3 个不同地形特征的研究区中,逐一计算其在不同分辨率下的局部方差均值,以刻画尺度效应曲线,确定相应的DEM适宜分辨率,并进行对比分析。结果表明：① 采用剖面曲率或水平曲率所得适宜分辨率结果基本相同,但采用坡度所得出的适宜分辨率结果则有明显差别,后者所得的适宜分辨率更粗;② 采用不同地形信息时,越是在平缓地形为主的研究区,所得的适宜分辨率结果越相近,在复合地形特征的研究区所得到的适宜分辨率区间均明显较宽;③ 地形属性计算时所用的算法对适宜分辨率结果的影响不明显。     

DEM与地形分析的并行计算

总结了数字高程模型构建、特征提取等并行算法的研究进展,概述了不同并行算法的主要内容;探讨了DTA并行技术在海量地形数据可视化和高性能地学计算的应用,随着DEM的需求日益增大,高精度、高分辨率DEM产品及其附加服务也逐步产品化。最后,通过分析并行计算发展的关键问题,提出DTA并行技术的研究趋势及研究意义,合适的数据划分和结果融合策略、通用并行算法、容错机制和负载均衡策略的设计是今后研究的重要内容,尤其是如何在多种计算模式共同发展的背景下利用并行计算解决地学难题,从而得到更接近现实世界地理环境的模拟,并扩大数字地形分析的应用范围。     

Comparison of routing algorithms for digital elevation models and their implications for predicting ephemeral gullies

ABSTRACT

Six routing algorithms, describing how flow (and water borne material) will be routed over Digital Elevation Models, are described and compared. The performance of these algorithms is determined based on both the calculation of the contributing area and the prediction of ephemeral gullies. Three groups of routing algorithms could be identified. Both from a statistical and a spatial viewpoint these groups produce significantly different results, with a major distinction between single flow and multiple flow algorithms. Single flow algorithms cannot accommodate divergent flow and are very sensitive to small errors. Therefore, they are not acceptable for hillslopes. The flux decomposition algorithm, proposed here, seems to be preferable to other multiple flow algorithms as it is mathematically straightforward, needs only up to two neighbours and yields more realistic results for drainage lines. The implications of the routing algorithms on the prediction of ephemeral gullies seem to be somewhat counterintuitive: the single flow algorithms that, at first sight, seem to mimic the process of overland flow, do not yield optimal prediction results.     

基于矩匹配算法的山区影像地形辐射校正方法研究

针对山区遥感影像地形辐射校正问题,应用现有模型(如C校正)进行地形辐射校正很难达到理想效果。引入矩匹配算法,利用DEM数据计算坡度、坡向等地形信息,以特定坡度和坡向数据为参考依据,对影像进行地形辐射校正。通过北京房山区SPOT5影像进行试验,表明该方法能在很大程度上消除地形阴影,更好地反映阴影区域的细节信息,同时光谱特性保真程度较好,原模糊的影像区域通过处理基本上达到有效识别地物的要求。