基于DEM的分布式流域水文物理模型

SWAT模型下基于DEM的水文响应单元划分——以濂水流
域为例
李志强;朱超霞;刘贵花
【期刊名称】《江西水利科技》
【年(卷),期】2017(043)006
【摘要】本文在SWAT模型的基础上,以赣江上游濂水流域为研究区域,设计了中小流域水文响应单元的划分方法.研究以DEM数据为基础,利用TM影像和Google Earth的矢量化数据为参考,采用适度指数法模拟出符合濂水流域的函数拟合,确定河网划分阈值,保障河网划分的准确度.结合土地利用数据、土壤数据和坡度数据将濂水流域划分为49个子流域和181个水文响应单元.通过对濂水流域水文响应单元的划分,避免了人为经验生成河网而导致子流域和水文响应单元划分的不准确性,为濂水及赣江上游子流域的分布式模型模拟提供参考.
【总页数】5页(P438-442)
【作者】李志强;朱超霞;刘贵花
【作者单位】江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022;江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022;江西师范大学地理与环境学院,江西南昌330022【正文语种】中文
【中图分类】TV12
【相关文献】
1.SWAT模型辅助下的生态恢复水文响应——以陇西黄土高原华家岭南河流域为例 [J], 宋艳华;马金辉
2.快速城市化条件下基于SLEUTH-SWAT模型的济南市水文响应分析 [J], 冯雷; 倪红珍; 陈根发
3.水文响应单元划分对SWAT模型总氮模拟效果的影响 [J], 郑思远;王飞儿;俞洁;董秋仪
4.GIS支持下的基于DEM的水文响应单元划分——以洞庭湖为例 [J], 张旭;蒋卫国;周廷刚;唐宏
5.水文响应单元空间离散化及SWAT模型改进 [J], 宁吉才;刘高焕;刘庆生;谢传节因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

ArcGIS教程之DEM应用——水文分析DEM（数字高程模型）是一种地理信息系统（GIS）中常用的数据模型，它表示了地表的高程信息。

DEM数据可应用于水文分析中，用于了解地形变化，确定流域边界，计算高程梯度和流量以及生成洪水模型等。

首先，使用DEM数据可以帮助我们了解地形变化。

通过DEM数据，可以直观地显示出地表高程的变化情况，包括山脉、河谷和平原等。

通过分析DEM数据，可以揭示出地表的坡度、高程和凹凸等特征，从而帮助我们理解地势状况，为水文分析提供基础。

其次，DEM数据还可以用于确定流域边界。

流域是指一个水系集合区域，包括了这个区域内所有的河流和支流。

通过DEM数据，我们可以提取出流域的边界，确定流域的大小和范围。

这对于水文分析非常重要，因为流域的大小和范围会直接影响水文过程和水资源管理。

此外，DEM数据还可以用于计算高程梯度和流量。

高程梯度指的是地表高程变化的速率，通过计算DEM数据中相邻单元格之间的高程差，可以得到各个区域的高程梯度。

高程梯度的大小可以用来评估地表坡度的陡峻程度，对于水文分析中的洪水预测和土壤侵蚀等有重要作用。

而流量是指单位时间内流过其中一点的水的体积，通过计算DEM数据中各个单元格的高程和相邻单元格之间的高程差，可以估算出流量的大小，有助于相关水文过程的分析和模拟。

最后，DEM数据还可以用于生成洪水模型。

洪水模型是一种基于地理信息的模拟模型，通过模拟区域内降雨过程、地表径流和河流洪水来预测洪水的发生和扩展情况。

DEM数据是洪水模型中必不可少的输入数据，通过DEM数据可以确定地势状况、流域范围和河道网络等信息，从而建立准确的洪水模型，并进行相关的洪水分析和预测。

DEM是数字高程模型的英文简称(Digital Elevation Mode)，是流域地形、地物识别的重要原始资料。

自20世纪60年代以来,在利用数字高程模型DEM提取流域水文特征,模拟地表水文过程方面,国内外都开展了大量的研究。

1.1基于DEM进行流域分析的原理从DEM提取流域特征，一个良好的流域结构模式是确定算法的前提和关键。

1967年ShreveL¨描述的流域结构模式一直被后来的水文学者所引用．并设计了一些成熟的算法。

Shreve使用一个具有一个根的树状图来描述流域结构(如图1 流域结构模式图所示)。

在这个结构中，主要包括两个部分，一部分是结点集，一部分是界线集。

沟谷结合点和沟谷源点共同组成一个沟谷结点集。

所有的沟谷段组成沟谷段集，形成一个沟谷网络；所有的分水线段组成分水线段集，形成一个分水线网络；沟谷段集和分水线段集共同组成界线集。

沟谷网络中的每一段沟谷都有一个汇流区域，这些区域由流域分水线集来控制。

外部沟谷段有一个外部汇流区．而内部沟谷段有两个内部汇水区，分布在内部沟谷段的两侧。

整个流域被分割成一个个子流域．每个子流域好象是树状图上的一片“叶子”。

Shreve的树状图流域结构模型是简单明确的．虽然沟谷网络的结点模型和线模型与在栅格DEM中用于表示沟谷结点和沟谷线的栅格点和栅格链之间存在着拓扑不一致性。

但它给出了沟谷网络、分水线网络和子汇流区的定义，明确表达了它们之间的相关关系，成为设计流域特征提取技术的基础。

1.2 常用算法流向判定建立在3×3 的DEM 栅格网的基础上，其方法有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确定简单、应用方便而应用广泛。

1.2.1 单流向法单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出栅格，然后根据栅格高程判断水流方向。

目前应用的单流向法是D8法。

此外，还有Rho8 方法、DEMON 法、Lea 法和D∞ 法等。

最常用的是D8 法：假设单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8 个栅格中。

分布式水文模型研究简况由于传统的流域水文模型本身所具有的局限性，同时随着水文循环中各个组成要素的深入研究，以及计算机、地理信息系统<GIS）和遥感技术的迅速发展，使构造具有一定物理基础的流域分布式水文模型成为可能。

流域分布式水文模型充分考虑流域下垫面空间分布不均对水文循环的影响。

在水平方向上将流域划分成许多单元网格和子流域<一般基于DEM），在垂直方向上将土壤分层，并依据流域产汇流的特性，使用一些物理的、水力学的微分方程<如连续方程与动量方程）求解径流的时空变化。

与传统的流域概念性集总水文模型相比具有以下显著的优点：①具有物理机理，能描述流域内水文循环的时空变化过程；②其分布式结构，容易与GCM嵌套，研究自然和气候变化对水文循环的影响；③由于建立在DEM基础之上，所以能及时地模拟人类活动和下垫面因素变化对流域水文循环过程的影响。

下面我简单介绍一下国内外的著名的分布式水文模型。

主要从模型名称，模型结构，输入输出变量，网格还是子流域为计算单元，适用性和范围等方面来描述。

一、分布式水文模型研究的发展现状----国际在国外，分布式水文模型的研究可以认为始于 Freeze 和 Harlan 于 1969 年发表的《一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图》这篇文章。

该文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。

随后，Hewlett 和 Troenale 在 1975 年提出了森林流域的变源面积模拟模型(简称 VSAS>。

1979 年 Bevenh 和 Kirbby 提出了以变源产流为基础的TOPMODEL 模型<TOPgraphy based hydrological MODEL）。

1 TOPMODEL 模型［1]<TOPgraphy based hydrological MODEL）该模型基于DEM推求地形指数，并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。

环境保护·ENVIRONMENTAL PROTECTION基于DEM的丹江口湿地保护区水文分析杨君怡（广州大学地理科学学院，广东　广州　５１０００６）摘要：数字高程模型(Digital Elevation Model)提供了丰富的地质、地貌和水文等相关流域的特征信息，是流域分析的主要数据源。

本文以丹江口湿地保护区部分区域为例，基于DEM 数据并结合D8(deterministic eight node)水文分析算法，对研究区进行水文模拟分析，包括水流方向、汇流累积量和水流长度等水文参数的计算。

结果表明：（1）研究区最大水流长度为335599m，与研究区内堵河长度相近；（2）研究区水系河道分为6个等级，主要以1～3级支流河道为主，占河道总数的89%，其余3个等级水系河道只占总数的11%，反映了研究区水系的空间分布规律。

上述研究结果可为进一步研究丹江口库区湿地保护区的植被生态环境演变提供基础数据和有益参考。

关键词：数字高程模型；水文分析；流域特征；丹江口湿地保护区引言：数字高程模型（ＤＥＭ）由于包含了地表高程信息，并且能够近似的模拟真实的地表，反映地表的地形地貌和水文环境的变化，因此在水文分析中得到了广泛的应用［１－２］。

在结合ＤＥＭ及地形资料进行水文分析方面，前人开展了很好的研究［３－６］。

比如，Ｍａｒｔｚ等利用ＤＥＭ数据对沟谷地形进行提取研究，发现沟谷中的平地难以有效提取，经过对数据方法的大量研究并结合ＤＥＭ和平原地区数据，最后提出了优化流域模拟的方法［７］。

张国珍等利用ＤＥＭ数据和传统地形数据，研究了东江湖风景区的水文特征，探究东江湖流域水系的空间分布规律和特征［８］。

谢顺平等在进行水文分析时，针对河谷平地流向难以提取的问题，引入了出流代价法，有效地计算了河谷平地栅格的流向［９］。

俞志强等针对ＤＥＭ数据提取水文信息时出现的伪河道和河道穿梭居民区的问题，提出了地物要素与ＤＥＭ融合的水文信息提取方法，在一定程度上减少了水文信息被提取时的误差问题等［１０］。

分布式流域水文模型原理与实践一、引言随着水资源管理的重要性日益凸显，流域水文模型成为了研究流域水循环和水资源管理的重要工具。

传统的流域水文模型通常基于集中式的计算框架，但随着计算能力的提升和云计算等技术的广泛应用，分布式流域水文模型逐渐成为研究的热点。

本文将介绍分布式流域水文模型的原理与实践。

二、分布式流域水文模型原理分布式流域水文模型是一种将流域划分为多个子流域，并在每个子流域内进行水文过程模拟的方法。

其原理是通过将流域划分为多个小区域，每个小区域内考虑地形、土壤、植被等因素的空间变异性，以及降雨、蒸发等水文过程的时间变异性，从而更准确地模拟流域水循环的各个环节。

分布式流域水文模型通常基于物理过程描述和统计学方法，通过建立水文模型方程组来模拟流域内的水文过程。

三、分布式流域水文模型实践1. 数据准备：分布式流域水文模型需要大量的输入数据，包括降雨数据、地形数据、土壤参数、植被参数等。

这些数据可以通过观测站点、遥感技术等手段获取，并进行预处理和插值处理，以满足模型的要求。

2. 子流域划分：将流域划分为多个子流域是分布式流域水文模型的核心步骤之一。

常用的方法包括根据地形的坡度、地貌的特征、土地利用类型等进行划分。

划分后的子流域应具有相对独立的水文特征，以便进行独立的水文模拟。

3. 模型参数估计：分布式流域水文模型需要估计一系列的模型参数，包括土壤水分保持能力、蒸发抑制因子、径流产生系数等。

这些参数可以通过实地观测、实验室试验等手段获得，并结合模型的优化算法进行估计。

4. 模型求解：在得到模型输入数据和参数后，可以使用数值方法求解分布式流域水文模型方程组。

常用的求解方法包括有限元法、有限差分法、蒙特卡洛方法等。

通过迭代计算，可以得到各个子流域的水文过程模拟结果。

5. 模型评估与应用：对分布式流域水文模型进行评估是验证模型可靠性的重要步骤。

常用的评估指标包括径流系数、水平分布误差、峰值流量误差等。

在模型得到验证后，可以应用模型进行流域水资源管理、洪水预报、干旱监测等工作。

基于ArcGIS的DEM流域划分程峥;李永胜;高微微【摘要】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,为流域划分及水文分析提供参考.【期刊名称】《地下水》【年(卷),期】2011(033)006【总页数】3页(P128-130)【关键词】DEM;流域;河网;水文分析【作者】程峥;李永胜;高微微【作者单位】西北大学城市与环境学院,陕西西安710127;西北大学城市与环境学院,陕西西安710127;西北大学城市与环境学院,陕西西安710127【正文语种】中文【中图分类】TV212.4自20世纪50年代后期以来，DEM在测绘、土木、地质、防洪、农业、景观建筑、道路设计、城市规划、军事工程与战场仿真等领域取得了广泛应用。

在水文分析中的应用虽相对较晚，但其发展却相当迅速。

从DEM直接提取河网及相关流域信息，是分布式水文模型开发与应用的基础。

由DEM自动获取水系和子流域特征，是流域参数化方便而迅速的一种途径。

河网生成的准确性直接影响水文模型模拟的精度，生成的河网需尽可能反映区域地形。

要在栅格DEM上提取流域信息，栅格间流向的判别是基础［1］。

本文利用 ArcGIS软件的水文分析工具以两种不同方法从DEM中提取流域单元，并对两种方法进行了简单的对比，为基于DEM的流域划分提供参考。

1 ArcGIS下的水文分析水文分析是DEM数据应用的一个重要方面。

利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。

表面水文分析模型应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等，应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。

基于DEM提取流域水文信息的探讨与实践张力*，朱思蓉，曹曦，甘拯【摘要】摘要:简要介绍了利用数字高程模型(DEM)所表现的大量地表形态信息及进行水文分析工作的意义。

同时结合实例，阐述了水文地理数据模型Arc Hydro的部分原理和算法，完成了研究范围内的河网提取及出水口的流域面积计算。

【期刊名称】城市勘测【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4【关键词】关键词:数字高程模型(DEM);水文分析;Arc Hydro1 前言近几年，GIS技术和空间信息技术在数据处理、空间分析及可视化方面的应用为水文分析、水资源管理方面提供了有效的解决方法和科学的手段。

目前，水资源模型的研究重点已从单纯的函数模拟统计的数学模型转到与成熟的GIS软件相结合的具备空间分析能力的水文地理数据模型，其中基于DEM提取流域水文信息技术是这种研究的关键基础之一。

城市区域规划、农业及森林、交通道路、流域规划管理及工程设计等许多领域，需要了解所涉区域内的真实地形，进行水文分析研究地表水体在区域的空间分布及不同时间流经的状态，以便于规划设计工作中各种工程的合理布置、管理工作中高效便捷规则的制定运作。

在基础地形图缺乏的情况下，GIS可以利用表示地形地表的数字高程模型(DEM)来提取水系和划分水系子流域，作为支持水文模拟分析的重要工具。

2 水文地理数据模型Arc Hydro目前，与GIS结合的水文地理数据模型研究有很多，如美国地质调查局和环境保护局(USGS and EPA)开发的美国水文地理数据模型，美国陆军工程师兵团(U．S．Army Corps of Engineers)水文工程中心开展的水文水力学GIS工具的建模方法研究，丹麦水利研究院(DHI)的水与环境部开发的地理空间水文模拟模型MIKE BASIN，美国环境系统研究所(Esri)和美国得克萨斯州奥斯汀大学水资源研究中心(CRWR)研发的应用于水资源流域的数据模型Arc Hydro等。

水文分析DEM应用的原理1. DEM的概述数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是描述地表形状和地表高程的一种数学模型。

DEM是通过测量地面高程，并将其数字化表示为离散的高程点，从而形成一张高程图。

DEM可以提供地表高程、坡度、流向等信息，对水文分析具有重要的应用价值。

2. DEM在水文分析中的应用2.1 坡度分析DEM可以通过计算相邻高程点之间的高程差来获得地表的坡度。

坡度分析可以帮助我们确定地表的陡峭程度，进而推测地表的水流情况。

高坡度区域往往是水流速度较快、水流容易集中的区域，而低坡度区域则更容易形成积水区。

2.2 流域分析流域是指一个特定地区的所有水流都汇集到同一个出口处的区域。

通过DEM 数据，我们可以识别出特定的流域范围，并计算流域内的降水量、流量、径流等水文指标。

这对于水资源管理、洪水预警等具有重要意义。

2.3 洼地识别DEM中的高程数据可以用于识别地表上的洼地。

洼地通常对水文过程具有重要的影响，如在洪水期间可能变成积水区域，在干旱期间则可能成为水源补给地。

通过分析DEM，我们可以定位和分析洼地的分布和特征，为水文建模和资源管理提供基础数据。

2.4 河流网络提取DEM数据中可以提取出河流的分布和走向。

通过DEM的高程数据，结合地形特征和流动规律，我们可以提取出河流的路径和网络。

河流网络的提取对于水文模型和水资源管理非常重要，可以用于洪水预测、水质监测等工作。

3. DEM数据的获取和处理3.1 数据获取DEM数据可以通过多种方式获取，包括激光雷达测量、航空摄影测量、卫星遥感等。

这些数据通常以栅格形式存储，每个栅格单元包含一个高程值。

3.2 数据预处理获取到的DEM数据通常需要进行预处理，以适应后续的水文分析。

预处理包括去噪、填充空缺、投影变换、坐标系转换等步骤。

这些预处理步骤可以提高DEM数据的质量和准确性。

4. DEM与其他水文模型的结合DEM与其他水文模型的结合可以提高水文分析的准确性和可靠性。

成都信息工程学院资源环境学院《GIS原理》项目设计项目名称基于DEM的ArcGIS水文分析班级测绘工程组长2012045060 张明华成员2012045043 王泗凯2012045028 陈诗伟2012045035 李庭靖2012045051 蔡狄《基于DEM的ArcGIS水文分析》项目设计目录1 研究目的与意义 (1)2 主要技术路线 (1)3 主要数据及来源 (4)3.1 实验数据 (4)3.2 软件 (4)4 实现过程 (5)4.1 镶嵌 (5)4.2 栅格数据裁剪 (5)4.3 无洼地的流向分析 (6)4.4 计算汇流累积量 (9)4.5 计算水流长度（流程） (10)4.6 提取河流网络 (11)4.7 流域分析 (18)5 结果分析 (22)6 总结 (22)附：小组成员及任务分工 (23)1 研究目的与意义根据DEM数据提取河流网络，进行双流县河网分级，并且计算流水累积量、流向、水流长度、以及根据指定的流域面积大小自动划分双流区域的流域。

水文分析是DEM数据应用的一个重要方面。

而利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。

表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等。

2 主要技术路线水文分析基本步骤：①无洼地的DEMDEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形（如采石场或喀斯特地貌）的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。

这些区域在进行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，从而使得在进行水流流向计算时得到不合理的或错误的水流方向，因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。

②关键步骤：流向分析―――流向分析原理水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。

在ArcGIS中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码（D8算法），来确定水流方向。

学校代码：10410序号：本科毕业设计题目：基于DEM的鄱阳湖流域提取与分析学院：国土资源与环境学院姓名：吴燕锋赵京华学号：20103742 2010专业：地理信息系统年级：2010级指导教师：黄宏胜副教授二0一四年五月摘要：小流域是水文分析的基本单位，小流域划分对于水文研究具有重要的实践意义。

本设计以江西省30m分辨率DEM数据为基础，首先应用ArcGIS的水文分析模块进行江西省内三级河流网络的提取；然后对三级流域范围进行分析；最后以江西省三级以上河网基础数据进行河网提取误差分析，分析结果表明：通过DEM提取的河网与实际河流水系特征基本一致，研究结果可应用于水文分析。

关键词：水文分析；江西省；DEM；ArcGISThe Extraction and Analysis of Sub-Watershed in Jiangxi ProvinceBased on DEMAbstract:Sub-watershed is the basic unit of the hydrological analysis, and watershed partitioning has important practical significance in hydrology research. Based on the DEM data of 30 meters resolution in Jiangxi province, the design steps are as follows: first, three level river network in Jiangxi province has been extracted by the hydrological analysis module of ArcGIS, Secondly, the range of each sub-watershed was analyzed, Finally, analyze network extraction error based on three level above river network basic data of Jiangxi Province. The results show that the river networks extracted from DEM were consistent with the real river network. So, the results can be applied to hydrologic analysis.Key words: Hydrologic Analysis; Jiangxi Province; DEM; ArcGIS目录1引言 (1)1.1 研究区域概况 (1)1.2 数据来源 (1)1.3 数据处理工具与软件 (1)2设计过程 (2)2.1 DEM数据预处理 (2)2.1.1 洼地填充 (3)2.1.2 水流方向的确定 (4)2.1.3 汇流累积量计算 (5)2.1.4 河流长度计算 (6)2.2 河网提取 (7)2.2.1 Stream link 数据的生成 (9)2.3 流域提取﹑河网分级及赣江中游水系提取精度分析 (10)3结论与讨论 (15)参考文献 (17)1 引言1.1 研究区域概况江西省位于我国东海近南内陆，居我国第一大河流长江中下游南岸，全省国土面积为16.96×104km2，是长江流域的重要省份之一。

基于D EM 的流域特征提取及应用秦福来,　王晓燕,　王丽华,　张美华(首都师范大学资源环境与旅游学院,北京　100037)摘要:依据数字高程模型(DEM )提取流域特征信息的基本原理,对DEM 在非点源污染研究领域的应用进行了有益的探索.应用密云水库北部流域的DEM 进行了流域的刻划及SWA T 模型运行单元水文响应单元(HRUs )的生成,在集水区面积阈值为2km 2的水平上得到的流域水系主河道与实际水分有最大相似性,共生成310个子流域和594个HRUs.从DEM 刻划结果准确性的检验等3个方面讨论并总结了应用结果.关键词:DEM ;流域特征;集水面积阈值;非点源污染中图分类号:X 11 文献标识码:A 文章编号:100025854(2006)0120109204大量研究表明,我国的非点源污染已经成为地表水体的主要污染源,针对不同流域非点源污染的研究正深入展开.由于非点源污染的发生及程度与流域的地表特征及水文循环有着密切的联系,而数字高程模型(digital elevation model ,简称DEM )能够反映一定分辨率的局部地形特征,因此,通过DEM 可提取大量的地表形态信息,为流域的非点源污染研究提供了必要的流域地形和水文特征基础数据.基于此,笔者将DEM 应用在非点源污染模拟模型中,以期对非点源污染研究起到一定推动作用.1　DEM 流域特征提取原理DEM 是用摄影测量或其他技术手段获得的地形数据,是表示某区域上的三维向量的有限序列,用函数的形式表示为 V i =(X i ,Y i ,Z i ),i =1,2,3,…,n.式中:X i ,Y i 是平面坐标;Z i 是(X i ,Y i )对应的高程值.通过DEM 特征提取进行流域水文分析,最重要的有2部分:一是地形特征的提取;二是水系特征的提取[1].目前国内外应用的大多数GIS 软件都支持对DEM 进行流域特征的提取操作(以ESRI 公司的Arc GIS 8.3为例).1.1　主要地形特征的提取通过对研究流域数字地形的分析,可以获得模型所需的流域各点的坡度/坡向及其变化率、高程、地表粗糙度、地表面积等;并且可以根据其水文分析所产生的流域水网进行河道表面性质的提取,如长度、河宽、河床粗糙度等.1.1.1　坡度/坡向的计算地面上某点的坡度表示的是地表面在该点倾斜程度的量,因此,它是一个向量,采用拟合曲线面法求解坡度是目前采用的最佳方法.拟合曲线面法采用二次曲面,每点的坡度/坡向的求解公式为S lope =tan S lope we 2+S lope sn 2,A spect =S lope sn /S lope we ,式中:S lope 为坡度;A spect 为坡向;S lope we 为X 方向上的坡度;S lope sn 为Y 方向上的坡度.1.1.2　表面积的计算由于使用的是规则格网的DEM ,将DEM 的每个网格分解成三角形,使用海伦公式计算三角形的面积,进而求和得到整个区域的地表面积.收稿日期:20050520;修回日期:20050910基金项目:北京市科技新星计划项目(953810300)作者简介:秦福来(1980),男,河北省临西县人,首都师范大学硕士研究生,研究方向为GIS 与流域非点源污染模拟.第30卷第1期2006年　1月河北师范大学学报(自然科学版)Journal of Hebei Normal University (Natural Science Edition )Vol.30No.1Jan.20061.2　主要水系特征的提取1.2.1　DEM “填洼”处理研究者普遍认为,被高程较高的区域围绕的洼地是使用DEM 进行水文分析的一大障碍,因为这些洼地的存在会阻碍自然水流朝流域出口的流动.因此,在DEM 水系特征提取之前要先进行“填洼”预处理,它将对每一个格网点进行搜索,找出凹陷点并使其高程等于周围点的最小高程值,用此类方法对原DEM 中存在的洼地及洼地区域进行填平,并得到一个与原DEM 对应的“无洼地”的DEM.1.2.2　水流方向和水流累积量的确定采用D8算法确定每个网格水流流出时的指向,D8算法认为,每个栅格单元水流的流向为其邻近8个栅格单元中距离权落差最大的那个单元,距离权落差通过中心网格与邻域网格的高程差值除以两格网间的距离决定.水流累积量表征流域地形每点的水量累积,可以用流域地形曲面的流水模拟获得.1.2.3　水系的生成首先要设定最小支流上游集水区的面积阈值,以上游集水区面积大于阈值面积的格网点作为该支流的起始点,流域内集水面积超过该阈值的网格点即定义为水道.对于给定的流域,集水面积阈值越小,河网越稠密,反之,则稀疏.调整该阈值使生成的流域水系尽可能地与实际相吻合,否则就会影响河道参数提取的精度.2　DEM 在非点源污染研究中的应用流域非点源污染的发生及程度都与该流域水文循环有密切关系,为了解和控制非点源污染,必须研究那些导致非点源污染的水文过程,并考虑污染物到达地表水之前所经过的各种途径[2].从DEM 提取的地形特征、集水流域和水流网络信息,将为非点源污染模型SWA T (Soil and Water Assessment Tool )模型进行非点源污染负荷的估算和预测提供高效的地形与水文基础数据.图1　研究流域的DEM研究区域为北京密云水库北部集水区(密云县境内),DEM 由北京测绘院提供,比例尺为1∶1万,网格大小为5m ×5m ,整个研究流域共使用98幅分幅DEM ,应用Mosaic 技术,对单幅DEM 进行拼接融合成整图,按照研究区域边界对此进行切割后得到完整的研究流域DEM (见图1),整个流域面积为1194.17km 2.由于DEM 精度较高,过程运算数据量太大,另外对于中等尺度区域的非点源污染研究,本身就有许多地形因素需要概化,考虑到实际研究需要,对研究区原1∶1万的DEM 进行网格大小重定义,使用Resize cell 技术将5m ×5m表1　研究流域DEM 的部分地形特征值高程/m 坡度/(°)最高值最低值平均值1719.54139.8454.3379.08029.62的网格转换成25m ×25m 的网格.图1中深色代表实际高程较低处,白色代表当地海拔较高处.在SWA T 模型与ESRI 公司的Arcview GIS 软件集成模块Avswat 的支持下,对研究区DEM 进行流域的水文分析,该DEM 的部分地形特征值见表1.2.1　流域水系的提取先对融合好的DEM 进行填洼处理,生成新的“无洼地”DEM.考虑到“无洼地”DEM 中可能存在平坦区域或河道,实际工作中,采用“burn 2in ”算法[3],将实际1∶1万的水系经过数字化后转化成栅格形式,栅格大小为25m ×25m ,经过投影转换与“无洼地”DEM 纳入到统一的坐标系中,然后将实际水系叠加到该DEM 上,保持DEM 中河道所在格网的高程值不变,而其他非河道所在格网整体增加一个微小值,11河北师范大学学报(自然科学版)第30卷这样再用D8算法就可以比较准确地生成流域水系.集水面积阈值分别取8,4,2和1km 2进行实验,结果对比发现,当集水面积阈值等于2km 2时,由“无洼地”DEM 生成的水系,其主河道与实际水系有最大相似性(见图2).图2　实际水系与DEM 刻划的流域水系相似性比较图3　研究区子流域刻划结果2.2　子流域的刻划子流域是根据流域整体的地形特征而划分的,类似于地理、地貌研究中的实际子流域的概念.其边界是通过DEM 的数字地形分析来确定,按照生成的起始河道和流域水系,从最低一级的河道交叉点沿分水线勾绘出起始子流域,如此类推到高一级河道直至全流域.整个研究区域共划分出310个子流域(见图3).选择研究区域内的白马关河和潮河段进行子流域刻划准确度的检验,结果表现较好(见表2).2.3　水文响应单元(hydrologic response units ,表2　研究区域内实际流域与DEM 提取流域面积比较区域河流实际控制的流域面积/km 2DEM 提取的流域面积/km 2相对误差/%白马关河227.6220.5 3.1潮河(密云县内)451.3429.9 4.7HRUs )的生成SWA T 模型以HRUs 作为它的基本模拟单位,HRUs 是流域内单一地面覆盖、单一土壤类型和管理方式的具有水文意义的地块单元.在划分出的每个子流域中,可能存在多种土地利用方式和多种土壤类型,不同的土壤与植被组合也具有不同的水文响应,为了进一步反应这种子空间内部的类型差异,通过对子流域及其内部土地利用和土壤类型的叠加统计分析(必须保证3幅栅格图的网格大小、投影类型和范围都一致),就可以生成由单一土壤与植被组合而成的HRUs.基于以上方法,最终将流域划分出594个HRUs 用于SWA T 模型的非点源污染模拟.3　讨论3.1　对DEM 提取信息的准确性检验在非点源污染的研究过程中发现,基于GIS 在DEM 中自动提取的流域面积与实际的流域面积比较接近,在山地丘陵占优势的地区(白马关河小流域)刻划的效果和精度要高于较平坦地区(潮河流域),这主要是由于在平坦地区现有算法无法考虑随机因素对河流的影响,提取的水系一般比较平直,而实际的自然水系往往是随机地流过平原区,这就给流域的分布和面积量算带来一定的误差.许新良等[4]对中国流域的DEM 提取研究也证实了这一观点.3.2　DEM 精度对流域水文特征提取的影响赵牡丹等[5]在陕北黄土高原所提取的地面平均坡度随DEM 分辨率的降低而呈线性下降的态势,DEM 所提取地面坡度的误差与DEM 分辨率及沟壑密度呈较强的相关.郝芳华等[6]的研究也支持这一111第1期秦福来等:基于DEM 的流域特征提取及应用211河北师范大学学报(自然科学版)第30卷规律,他们认为DEM分辨率对流域范围、亚流域个数与面积、河网形状、河网密度等流域特征参数的提取基本不产生影响,但对坡度的影响显著,分辨率高的DEM计算出来的坡度大,分辨率低的DEM计算出来的坡度偏小.3.3　DEM刻划中集水面积阈值对流域水文分析的影响集水面积阈值的大小直接影响到DEM生成的水系的详细程度,以及子流域的划分数目,集水面积阈值越大,水系越稀疏,划分的子流域数目就越少,相对子流域的面积就越大.Fitzhugh等[7]研究发现流域的土壤侵蚀量与子流域面积有很大的相关性,子流域面积越小,整个流域的土壤侵蚀量就越大.任希岩等[8]的研究也得出类似结论,认为子流域的划分水平对流域的土壤侵蚀计算有较大的影响,相对误差最大可以达到60%,但对流域的径流计算影响较小.4　小　结应用DEM进行非点源污染模拟所需的地形与水文信息提取,主要体现在流域水系和子流域面积的准确性上,这是进行非点源污染径流模拟和流域控制的地形与水文数据基础.研究结论是:1)在比例尺为1∶1万的条件下,上游最小集水面积阈值为2km2时,由DEM自动生成的水系与实际水系有最大的相似性.2)由DEM刻划生成的子流域面积,经过使用研究区2个小流域的实际面积检验,相对误差都控制得较好,均在5%以内.3)结合SWA T模型要求,基于在子流域进行水文响应单元的叠加生成,共形成594个HRUs,为本流域非点源污染模拟的下一步研究奠定了地形与水文基础.参考文献:[1]　李志林,朱庆.数字高程模型[M].武汉:武汉大学出版社,2001.1452158.[2]　王晓燕.非点源污染及其管理[M].北京:海洋出版社,2003.25228.[3]　WILL IAN K S,DAV ID R M.A GIS Assessment of Nonpoint S ource Pollution in the San Antonio2Nueces Coastal Basin[R].The University of Texas at Austin:Center for Research in Water Resources,1996.[4]　许新良,庄大方,贾绍凤.GIS环境下基于DEM的中国流域自动提取方法[J].长江流域资源与环境,2004,13(4):3432348.[5]　赵牡丹,陈正江,晋锐.DEM提取地面平均坡度误差的量化模拟[J].水土保持通报,2002,22(3):55257.[6]　郝芳华,张雪松,程红光,等.分布式水文模型亚流域合理划分刍议[J].水土保持学报,2003,17(4):75278.[7]　FITZHU GH T W,MACK AY D S.Impsct of subwatershed partitioning on m odeled s ource and trans port2limited sediment yieldsin an agricultural nonpoint s ource pollution m odel[J].Journal of S oil and Water C onservation,2001,56(2):1372144.[8]　任希岩,张雪松,郝芳华,等.DEM分辨率对产流产沙模拟影响研究[J].水土保持研究,2004,11(1):224.Extracting Topographic Structure from DEM and ApplicationQ IN Fu2lai,　WAN G Xiao2yan,　WAN G Li2hua,　ZHAN G Mei2hua(College of Resource Environment and Tourism,Capital Normal University,Beijing　100037,China) Abstract:The development of DEM(Digital Elevation Model,DEM)and the principle and method to extract topographic structure are generalized.Based on the need of watershed non2point source pollution simulation research,and under the support of non2point source model SWA T,the DEM of the north of Miyun reservoir is delimitated.By using the catchment threshold value of2km2,the watershed model the most similarly to the reality,there are310sub2watershed and594HRUs.Finally,the utilization of DEM in the research of non2point source pollution is concluded three aspects:the test of the veracity of DEM delimi2 tations results,the influence of DEM precision on the extractions of watershed hydrological characters,and the influence of drainage area threshold value in DEM delimitations to watershed hydrological analysis.K ey w ords:DEM;watershed character;drainage area threshold;non2point source pollution(责任编辑　蔡丹英)。