基于DEM的水系/河网提取方法、流程学习笔记

DTA-数字地形分析

基于DEM的水系/河网提取方法、流程学习笔记

1. 水系提取

汤国安等，数字高程模型及地学分析的原理和方法，p243

1.1 概述

  1. 集水流域：水流及其他物质流向流域出口的过程中所流经的区域，即流向集水出口的水流所流经的整个地区
  2. 集水出口：水流离开集水流域的点，是集水流域边界上的最低点
  3. 子流域：较大的集水流域结构中的一部分
  4. 分水岭：两个集水流域的边界
  5. 水流网络：流水到达集水出口所流经的网络结构，可视为一树状结构，根节点为集水出口，两支流的交点成为水流网络节点

流域

2. 基于地表径流漫流模型的水系提取

地表径流漫流模型：模拟地表径流在地表的的流动来产生水系。基本原理是根据DEM栅格单元和八个相邻单元之间的最大坡度来确定水流方向，即D8算法，然后计算每个单元格的上游汇水面积，接着确定一个汇水面积阈值，不低于该阈值的单元格标记为水系的组成部分。

2.1 四个基本问题：

  1. 洼地处理
  2. 平地处理
  3. 水流方向及水流累积量确定
  4. 水道真实位置确定

2.2 洼地处理

洼地是局部的最低点，由于水往低处流，故无法确定该点的水流方向，因此需要在提取水系之前对其进行无洼地化处理。
常用方法有两种：

  1. 平滑处理：对原始数据平滑处理，只能处理较浅和小范围的洼地，改变了原始数据。
  2. 填平处理：将洼地内部高程增加至洼地出水口的高程。

李志林（1999）、Martez和Garbrecht等提出了多种填平处理方法。李志林（1999）将洼地分为单格网洼地、独立洼地（只有一个谷底点）、复合洼地（有多个谷底点，且各洼地区域相邻接）。

2.3 平地处理

包括原始数据中的平地和填洼处理之后产生的平地。平地区域对水流方向确定有重要影响，可能生成平行状河流（平行河网）。
Martez和Garbrecht（1992）用高程增量叠加算法设定平坦格网内水流方向。即对平地范围内的单元格增加一微小增量，每个单元格的增量都不一样。

2.4 流向及水流累积量确定

水流方向指水流离开单元格时的指向。主要有 单流向算法（SFD） 和 多流向算法（MFD） 等类。单流向算法将某格网上产生的水流都流向一个最低的相邻单元格；多流向算法是将径流按一定的比例流向若干相对较低的相邻单元格。多流向算法分析评价可参考 秦承志等（2006） 的 《基于栅格DEM的多流向算法述评》 一文。

分类主要算法
单流向算法SFD最大坡降算法D8(Deterministic eight-node)(O’Callaghan and Mark, 1984)
随机四方向算法Rho4(random four-node)（Fairefield et al.,1991）
随机八方向算法Rho8（Fairefield et al.,1991）
流向驱动法(aspect driven)(Lea,1992)
多流向算法MFD基于坡度的MFD (Quinn et al. 1991)
基于坡度指数的MFD（Freeman ，1991);
流管法DEMON（Coast-Cabral et al.,1994）
无穷向算法Dinf（Tarboton，1997）
形态算法（Pilesjo et al.,1998）
水流分配策略随下坡坡度变化的多流向算法MFD-md(Qin et al., 2007)
其他混合算法
多级骨架算法

其中，MFD-md (Qin et al., 2007)以局域最大下坡的线性函数 来计算随局域地形条件自适应的水流分配指数。

2. ArcHydro Tools 及多源 DEM 提取河网

2.1 缺乏辅助信息下的河网提取划分

曾红伟等，ArcHydro Tools 及多源 DEM 提取河网与精度分析——以洮儿河流域为例

  1. 填洼
  2. 流向 Flow Direction
  3. 汇流累积（矩阵）生成 Flow Accumulation - 汇流累积栅格图
  4. 河流栅格图生成 Stream Definition 给定最小汇水面积阈值，并采用 Stream Segmentation 方法建立栅格河段上下游拓扑关系
  5. 流域边界生成 Catchment Grid Delineation，使用 Catchment Polygon Processing 方法, 生成的流域整体边界 Catchment
  6. 河网矢量化 Drainage Line Processing

2.2 辅助信息下河网提取

流域内真实河流

增加步骤：

  1. 河网校正 DEM Reconditioning
  2. 流域边界校正 Build Walls
  3. 划分流域与子流域: 以水文站点为流域出口, 划分各流域和子流域（Watershed & Subwatershed）。

GIS环境下流域提取

  • 对DEM数据进行填洼和削峰,
  • 确定每个栅格单元的水流方向,
  • 根据各栅格单元的水流方向,计算出每个栅格 单元的汇流能力
  • 根据汇流能力采用阈值法确定河流网络
  • 通过河流网络和流域出水口,快速识别出所有子流域。

ARC/ INFO GRID 中的水文分析模块函数：

  1. FILL 填洼、削峰dem-f
  2. FlowDirection(dem-f) 确定水流方向栅格dem-dir
  3. FlowAccumulation(dem-dir) 产生流域汇流栅格dem-a
  4. Basin(dem-dir) 确定流域边界dem-b1
  5. CON(dem-a > 10000 , 1) 确定河流网络dem-net
  6. StreamLink(dem-net , dem-dir) 产生流域出水口dem-out
  7. Watershed(dem-dir , dem-out) 确定子流域边界 dem-b2
  8. 选择大于阈值的流域 dem-b
  9. GridPoly(dem-b) 将流域 GRID 转换为COVERAGE

参考文献：

宋晓猛等，基于DEM的数字流域特征提取研究进展，2013
刘学军等，基于DEM的河网提取算法的比较，2006
汤国安等，数字高程模型及地学分析的原理和方法，2005
秦承志等，水流分配策略随下坡坡度变化的多流向算法，2010
秦承志等，基于栅格DEM的多流向算法述评，2006
曾红伟等，ArcHydro Tools 及多源 DEM 提取河网与精度分析——以洮儿河流域为例，2011
徐新良等，GIS环境下基于DEM的中国流域自动提取方法，2004

本文标题:基于DEM的水系/河网提取方法、流程学习笔记

文章作者:侯志伟 - houzhiwei

发布时间:2016-10-20, 23:22:34

最后更新:2016-11-19, 20:24:29

原始链接:houzw.github.io.git/2016/10/20/基于DEM的河网提取流程-1/

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文章目录
  1. 1. 基于DEM的水系/河网提取方法、流程学习笔记
    1. 1.1. 1. 水系提取
      1. 1.1.1. 1.1 概述
      2. 1.1.2. 2. 基于地表径流漫流模型的水系提取
        1. 1.1.2.1. 2.1 四个基本问题：
        2. 1.1.2.2. 2.2 洼地处理
        3. 1.1.2.3. 2.3 平地处理
        4. 1.1.2.4. 2.4 流向及水流累积量确定
    2. 1.2. 2. ArcHydro Tools 及多源 DEM 提取河网
      1. 1.2.1. 2.1 缺乏辅助信息下的河网提取划分
      2. 1.2.2. 2.2 辅助信息下河网提取
    3. 1.3. GIS环境下流域提取
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