基于DEM的数字流域时空特征及提取研究

【摘要】数字流域特征是对自然界流域特征的数字化表达,是流域水文模型的数据基础,对于模拟流域水文过程、保护与治理流域生态环境具有重要的作用。因此,数字流域特征提取是地理信息系统领域的一个重要问题。随着测绘技术、计算机技术、遥感技术的不断发展,基于DEM的数字流域特征提取取得了较大的进展。但由于自然界纷繁复杂,目前的研究还不能很好地反映自然界的实际流域情况,体现在：无法反映因河流分叉而形成的具有多重归属的流域情况；无法反映受时相影响而导致河流流向动态变化所形成的具有动态归属的流域情况(流域时相特征)；没有深入研究内流流域特征及其提取方法。此外,现有的数字流域特征提取方法效率较低,尤其是在海量数据处理时,效率问题甚至成为了数字流域分析的瓶颈问题。本文对数字流域分析中的洼地填平、流向分析、汇流分析、虚拟水系提取以及流域划分等问题进行了全面的研究,并重点对以下五个方面进行了深入的研究：(1)针对由河流分叉所造成的具有多重归属属性的流域,本文将这种流域定义为公共流域,并提出了公共流域的提取方法：首先对河流进行拓扑关系构建,然后对河流归属地进行地理编码,并将编码值赋予直接汇入归属地的河流；在此基础上,以被赋予编码的河流为“种子河流”,根据河流之间的拓扑关系,将编码值从下游河流传递至上游河流,确定具有多重归属属性的河流；最后结合从DEM中提取的流向信息,提取公共流域。(2)针对河流流向动态变化所造成的具有动态归属属性的流域,本文将这种流域定义为动态流域,并提出了动态流域提取方法：将相互连通的流向动态变化的河流集合抽象为“节点”,与流向固定的河流共同构成河流网络拓扑结构；在此基础上,对河流归属地进行地理编码,并将编码值赋予直接汇入归属地的河流；根据拓扑关系,将编码值从下游河流传递至上游河流,确定具有动态归属属性的河流；最后结合从DEM中提取的流向信息,提取动态流域。(3)针对因地表径流无法流入海洋而形成的内流流域,本文根据影响内流流域的主要因素,将内流流域分为：地形型内流流域(在DEM中以洼地的形式存在)和气候型内流流域(在DEM中不以某种特殊的形式存在,但通常包含内流河),并提出了内流流域提取方法：首先利用实测内流河对DEM进行地形约束,降低内流河所在栅格点高程,增大内流河与周围区域的高程差,使内流河所在区域形成洼地,统一气候型内流流域与地形型内流流域在DEM中的表现形式(洼地)；然后对地形约束后的DEM进行洼地填平,并识别内流流域所在平地,识别规则为：平地中包含内流河或平地中所包含的洼地面积超过设定闽值；进而将内流流域所在平地的高程恢复至洼地填平前(将平地退化为洼地),并以洼地为内流流域种子区域,结合从DEM中提取的流向信息,提取内流流域。(4)针对数字流域特征提取中洼地与平地处理效率较低的问题,提出了快速洼地与平地处理方法：该方法在洼地填平的同时,记录水流从洼地(平地)内部以最短路径流至出口的流向,在平地增高处理中,利用该流向以水流追踪的方式快速确定平地内部栅格点与出口的距离；并且,采用距离转换计算平地内部栅格点与边界的距离；从而大幅减少了随机搜索与迭代处理,提高了处理效率。(5)针对数字流域特征提取中汇流分析效率较低的问题,提出了快速汇流分析方法：该方法首先搜索得到流域出水口,然后以出水口为种子点,以流向的反向为搜索方向,向流域内部进行搜索,构建流域“汇流树”(汇流树的叶节点为水流源头,根节点为出水口)；最后通过对汇流树进行反向遍历计算汇流累积量。该方法对目标区域内的流域进行分而治之,缩小了每一个流域汇流分析的搜索范围,高效利用了内存,并且,通过汇流树有效避免了汇流累积量计算中对数据的随机搜索,从而提高了汇流分析的效率。本文的主要创新点包括：(1)首次提出了公共流域及其提取方法。(2)首次提出了动态流域及其提取方法。(3)首次对基于DEM的内流流域提取方法展开深入研究。(4)提出了快速洼地与平地处理方法、快速汇流分析方法,提高了数字流域特征提取的效率。实验结果表明,本文所提出的方法能够有效提取公共流域、动态流域、内流流域及树状流域特征,并且提高了数字流域特征提取的效率。
【作者】俞伟斌；
【导师】章孝灿；
【作者基本信息】浙江大学，地球探测与信息技术，2014，博士
【关键词】数字流域；时空特征；DEM；洼地；平地；汇流分析；快速；

【参考文献】
[1]林岚.论房屋承租人保护制度[D].南京大学,民商法学（专业学位）,2013,硕士.
[2]陈兴.金螳螂集团财务管理体制研究[D].苏州大学,会计（专业学位）,2013,硕士.
[3]薛群.超千水库工程地质研究及建坝适宜性分析[D].吉林大学,岩土工程,2013,硕士.
[4]朱帆.浙江上市企业转型及其绩效的实证研究[D].浙江工业大学,技术经济及管理,2012,硕士.
[5]王超1,陈静1,陈红丽1,侯育冬2,朱满康2.纳米铌酸钾钠陶瓷的制备及性能[J].无机材料学报,2015,01:.
[6]程媛.中日共识思想的桥梁及中国诗歌文化影响下的创新[D].首都师范大学,日语语言文学,2013,硕士.
[7]程华兵.基于Web服务的水文时空数据集成方法研究[D].华中科技大学,空间信息科学与技术,2013,硕士.
[8]王博.磁性多孔碳球的制备与应用研究[D].西北师范大学,化学工程,2014,硕士.
[9]韦婷婷.乙肝肝硬化致上消化道出血1例报告并文献复习[D].兰州大学,内科学（专业学位）,2013,硕士.
[10]岳红云.几类非线性系统的自适应Backstepping模糊控制研究[D].西安电子科技大学,应用数学,2014,博士.
[11]苗玉峰.中国农业银行计算机网络的发展[J].信息系统工程.1997(07)
[12]于建刚.集中式预应力砖墙的抗侧强度及抗侧刚度计算方法的研究[D].重庆大学,结构工程,2003,硕士.
[13]朱旭.公共部门新闻发言人制度现状与对策研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[14]王蕴坤.脑损伤昏迷后丘脑连接结构变化与意识障碍的相关性研究[D].第二军医大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[15]王欢.网络时代背景下的政务微博研究[D].南京农业大学,公共管理,2013,硕士.
[16]萧洪恩.思的深邃与诗的澄明——评蒋成德的《思与诗——郁达夫研究》[J].江苏第二师范学院学报,2014,10:56-62+124.
[17]魏立岩.计算机辅助醇—水体系表面张力测算系统的设计与实现[D].河北科技大学,计算机技术,2014,硕士.
[18]唐晓萍.数据挖掘与知识发现综述[J].电脑开发与应用,2002,04:31-32+35.
[19]张慧茹.从操纵论看《大卫·科波菲尔》两译本[D].湖南工业大学,外国语言学及应用语言学,2012,硕士.
[20]刘朋鑫.基于物流化的铁路大宗货物运输组织优化研究[D].西南交通大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.
[21]李旭平.黄玉川煤矿奥灰水突水机理及其防治研究[D].内蒙古科技大学,采矿工程,2013,硕士.
[22]康进.医疗服务顾客满意度测评体系研究[D].浙江大学,2004.
[23]刘建彬.景德镇中小陶瓷企业产品设计与营销创新研究[D].南昌大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[24]毛文睿.玩具业资本循环与周转实证研究[D].中国政法大学,政治经济学,2013,硕士.
[25]王哲.碧流河水库考虑降雨预报信息的实时防洪预报调度研究[D].大连理工大学,水利工程（专业学位）,2013,硕士.
[26]吴晓峰,郄锡才.PLC在活性石灰竖窑控制系统中的应用[J].冶金自动化,1997,02:46-47.
[27]陆玉敏.人体脂肪含量及分布DEXA测量的可行性研究[D].广西医科大学,医学影像学,2004,硕士.
[28]郑和斌.网络军备控制的国际立法问题研究[D].湖南师范大学,国际法学,2013,硕士.
[29]黄宁.一种基于硬件的XML解析方法的设计与实现[D].西安电子科技大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[30]刘方.基于多元系统理论对《南京浩劫》翻译影响因素的研究[D].南京农业大学,英语语言文学,2012,硕士.
[31]吴森.云南省农业信息化评价研究[D].云南农业大学,农村与区域发展（专业学位）,2014,硕士.
[32]罗会仟.凝聚态物理:寻找自然美学中的真谛[J].物理,2014,08:555-558.
[33]薛珊珊.中国上市商业银行绩效评价研究[D].贵州财经大学,数量经济学,2013,硕士.
[34]刘红艳.基于风险偏好船舶融资租赁风险最优化分配[D].大连海事大学,交通运输工程,2014,硕士.
[35]黄雪霞.晋江市中小型服装企业内部激励机制探讨[D].华侨大学,工商管理,2013,硕士.
[36]徐德友,胡寿松.一种基于粗糙集的近似质量求取属性约简的决策算法[J].控制与决策,2003,03:313-316.
[37]李金辉.月壤采样器钻头与月壤接触作用仿真与试验研究[D].北华航天工业学院,航天工程,2014,硕士.
[38]张林.商品品牌与网络商城的品牌联合对消费者购买意愿的影响研究[D].江西财经大学,企业管理,2013,硕士.
[39]花万春.S公司生产运作管理优化研究[D].苏州大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[40]林晋辉.锦屏一级水电站G1002电塔塔基边坡失稳机理及防治对策研究[D].西南交通大学,地质工程,2014,硕士.
[41]吴兰婷.涉农小额信贷信用管理信息平台的研究[D].安徽农业大学,技术经济及管理,2012,硕士.
[42]李晶.木榄内生真菌的分离鉴定及其次级代谢产物的研究[D].江苏科技大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[43]龙倩雯.PAM联合生物—改性砂对氨氮的强化处理效果研究[D].广东工业大学,市政工程,2014,硕士.
[44]李志刚,吴文传,张伯明.消纳大规模风电的鲁棒区间经济调度(一)调度模式与数学模型[J].电力系统自动化,2014,20:33-39.
[45]张建伟.高中语文古典诗词教学案例研究[D].西北师范大学,教育,2014,硕士.
[46]王跃旗.清热利湿活血法治疗急性痛风性关节炎的临床研究[D].北京中医药大学,中医内科学,2013,硕士.
[47]舒杰明,高云玲,姚克俭,胡颖.香豆素类荧光传感器检测金属离子的研究进展[J].化工进展,2014,12:3144-3156.
[48]陈洪普.基于凸优化的模型预测控制在飞行器再入制导中的应用[D].哈尔滨工业大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[49]李丹.AM菌根真菌—植物—氮添加对石油污染盐渍土壤的联合修复[D].山东师范大学,环境工程（专业学位）,2013,硕士.
[50]赵汪洋,庄良杰,杨功流.自抗扰控制器在平台惯导系统动基座下初始对准应用[J].控制与决策,2007,02:179-183.