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        基于提高Arc Hydro的水文分析精度的研究進(jìn)展

        2016-07-05 16:22:06趙遠(yuǎn)洋戰(zhàn)一波上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院上海201306
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年14期
        關(guān)鍵詞:河網(wǎng)主干水文

        趙遠(yuǎn)洋,黃 平,戰(zhàn)一波(上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)

        基于提高Arc Hydro的水文分析精度的研究進(jìn)展

        趙遠(yuǎn)洋,黃 平,戰(zhàn)一波
        (上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306)

        提取合理的河網(wǎng)是建立流域水文模型的前提條件,是進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)計(jì)算的關(guān)鍵。由于ArcGIS軟件自帶的水文分析存在不足,后內(nèi)嵌于GIS的Arc Hydro Tools工具對提取河網(wǎng)進(jìn)行了改進(jìn)。隨著對流域水文模型的建模逐步深入,基于DEM提取到的河網(wǎng)已不能滿足建模的需要,本文介紹了基于GIS水文分析的幾種改進(jìn)手段:①以主干河道作為約束條件;②國際公認(rèn)的“Stream Burning”技術(shù)。這兩種手段,對于流域水文分析河網(wǎng)的提取,在一定程度上都得到了滿意的結(jié)果,為今后在該軟件下提取河網(wǎng)提供借鑒。

        ArcGIS;Arc Hydro Tools;主干河道 ;“Stream Burning”技術(shù)

        0 引言

        目前,流域河網(wǎng)提取及流域劃分的方法和工具較多,如ArcGIS[1]水文模塊、ArcSWAT、TOPZA分布試水溫模型等。其中,ArcGIS水文模塊是基于DEM進(jìn)行水文分析技術(shù)最廣泛的模塊應(yīng)用。由于對流域水文模型的要求越來越精確,使得GIS水文分析提取到的河網(wǎng)也在逐漸完善。盡管主干河道[2]作為約束條件以及“Stream Burning”[3]技術(shù)對DEM數(shù)據(jù)不完善方面都做到了完好的彌補(bǔ),得到了一定的效果。

        但是,隨著水文模型的建立,對水動(dòng)力學(xué)計(jì)算要求更為準(zhǔn)確,在水文分析中由于因經(jīng)驗(yàn)欠缺的疏忽往往會造成“偽信息”的摻入,因此,基于DEM數(shù)據(jù)來進(jìn)行水文分析提取到合理的河網(wǎng)還需要作進(jìn)一步研究。

        1 ArcGIS水文分析機(jī)理

        ArcGIS提供的水文分析模塊主要用來建立地表水的運(yùn)動(dòng)模型,同時(shí)通過水文分析工具的應(yīng)用,也可以有助于了解排水系統(tǒng)和地表水流過程的一些基本的概念和關(guān)鍵的過程,以及怎樣通過ArcGIS水文分析工具從DEM數(shù)據(jù)上獲取更多的水文信息。GIS中水文分析是DEM數(shù)字地形分析的一個(gè)重要方面?;贒EM的地表水文分析的主要內(nèi)容是利用水文分析工具提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網(wǎng)絡(luò)(包括河流網(wǎng)絡(luò)的分級等)以及對研究區(qū)的流域進(jìn)行分割等。通過對這些基本水文因子的提取和基本水文分析,可以在DEM表面之上再現(xiàn)水流的流動(dòng)過程,最終完成水文分析過程。

        Arc Hydro Tools[4]是由美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI)公司和美國德克薩斯州奧斯汀大學(xué)水資源研究中心(CRWR),基于Geo Database數(shù)據(jù)格式開發(fā)的水文數(shù)據(jù)模型,其內(nèi)嵌于ArcGIS軟件中,并內(nèi)置了豐富的流域輔助提取方法。本文中ArcGIS水文分析提取河網(wǎng)的改進(jìn)方法均以此工具來進(jìn)行河網(wǎng)提取及流域劃分。

        2 研究進(jìn)展

        2.1以主干河道作約束條件的應(yīng)用

        傳統(tǒng)的無地形修復(fù)方法無法正確計(jì)算河網(wǎng)流向,生成的河網(wǎng)與實(shí)際河網(wǎng)存在較大差異,提取到滿意的河網(wǎng)是流域水文模型的前提。康敏捷[5]等以遼寧省河流為例,采用較高分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以1:400萬地形圖的矢量和網(wǎng)數(shù)據(jù)作為輔助信息,對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,結(jié)果表明,基于Arc Hydro Tools地形修復(fù)的流域提取方法可以得到理想的流域提取結(jié)果。另外,曾宏偉等[6]也以洮兒河流域?yàn)槔謩e對無主干河道和有主干河道作輔助條件兩種情況進(jìn)行水文分析提取河網(wǎng),并進(jìn)行了對比,有主干河道作輔助提取到的河網(wǎng)與真實(shí)河網(wǎng)相似度很高。

        2.2“Stream Burning”技術(shù)的應(yīng)用

        由于現(xiàn)有的數(shù)字高程模型(即DEM)在自動(dòng)提取虛擬河網(wǎng)過程中易受洼地、平原地區(qū)的影響,產(chǎn)生不連續(xù)的或平行的錯(cuò)無河網(wǎng)的問題。黃玲等[7]在研究中以渤海地區(qū)為例,把Agree算法和”Stream Burning”方法進(jìn)行結(jié)合,并在Arc Hydro Tools工具下進(jìn)行河網(wǎng)的提取,分析了該方法下有無河網(wǎng)輔助信息情況下,對于提高虛擬河網(wǎng)的精度及準(zhǔn)確性是否有幫助。通過比較,改進(jìn)后的方法與實(shí)際河網(wǎng)分布較為吻合。

        3 結(jié)論

        雖然兩種改進(jìn)方法,都在一定程度上能夠提取到滿意的結(jié)果。但是,在DEM數(shù)據(jù)中,往往由于產(chǎn)生偽峰或偽谷[8]的現(xiàn)象,導(dǎo)致由于經(jīng)驗(yàn)不足而提取不到滿意的效果。另外,在該種現(xiàn)象中,提供約束條件或者是Stream Burning做法都改變了河網(wǎng)高程的真實(shí)情況,盡管對河網(wǎng)生成及流域劃分等精度提升會有一定幫助,但是因?yàn)楦淖兞撕拥赖恼鎸?shí)坡度,對水動(dòng)力計(jì)算是不能適用的。因此,運(yùn)用Arc Hydro進(jìn)行水文分析還需要做進(jìn)一步的研究。

        [1]Formetta G,Antonello A,F(xiàn)ranceschi S,al.Hydrological modeling with components:A GIS-based open-source framework[J].Environmental Modeling&Sofeware,2014.

        [2]劉遠(yuǎn),周買春等.基于不同DEM數(shù)據(jù)源的數(shù)字河網(wǎng)提取對比分析[J].地理科學(xué),2012.

        [3]Callow J N,Van Neil K P,Boggs G S.How does modifying a DEM to reflect known

        Hydrology affect subsequent terrain analysis[J].Journal of Hydrology,2007.

        [4]葛瑩,毛鵬宇等.利用ASTER GDEM提取甌江流域水系及精度評價(jià)[J].測繪地理信息,2015.

        [5]康敏捷,欒維新,王輝.Arc Hydro Tools流域提取方法應(yīng)用[J].中國科技論文,2012.

        [6]曾宏偉,李麗娟,柳玉梅.Arc Hydro Tools及多源DEM提取河網(wǎng)與精度分析[J].地理信息科學(xué)學(xué)報(bào),2011.

        [7]黃玲,黃金良.基于地表矯正和河道燒錄方法的河網(wǎng)提?。跩].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2012.

        [8]余鐘波.流域分布式水文學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

        10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.191

        趙遠(yuǎn)洋(1991-),男,河南固始人,碩士研究生,研究方向:航運(yùn)與海洋污染控制。

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