S技术在水文学中的应用

'第五章3S技术在水文学中的应用 3S技术概述RS在水文模拟中的应用DEM在水文模拟中的应用5.15.25.3第五章3S技术在水文学中的应用主要内容 5.13S技术概述5.1.1遥感（RS）技术5.1.1.1遥感基本概念遥感技术是一种以非直接接触方法对远距离目标进行探测的技术。遥感技术系统由遥感平台、传感器、遥感介质、数据处理和应用五部分组成。遥感的物理基础是：“一切物体，由于其种类及环境条件的不同，因而具有反射或辐射不同波长电磁波的特性”。 由于描述水文过程的数据有两种：一种是描述水循环本身的数据；另一种是描述水循环环境的数据。而这两种数据本身都具有空间性和时间性，因此遥感数据也具有空间和时间的特性。5.1.1.2遥感数据的特点遥感数据结构类型转换具有下述三方面含义：第一，扫描影像数据的结构呈栅格型；第二，在信息系统中，矢量型数据结构与栅格型数据结构可以相互转换；第三，位于每一栅格上的事物特征与属性都可以数字化，以适应水文计算的需要。 5.1.2全球定位系统（GPS）技术5.1.2.1GPS基本系统GPS的基本系统由GPS卫星星座、地面监控系统和GPS信号接收机三部分构成。GPS卫星星座共有24颗卫星，其中21颗是工作卫星，3颗是在轨的备用卫星。这些卫星分布在6个倾角为55度的圆形轨道上。卫星的运行周期为12恒星时（718分钟）。星座的这种分配可以确保地球上任何地点，都能同时在地平线10度以上区域内接收到导航定位必需的4颗卫星的GPS信号，从而实现全球的三维定位和导航。 5.1.2.2GPS导航、定位原理在地面监控系统的支持下，GPS星座的卫星向广大用户连续不断地发送导航定位信号并报告自己和其他卫星的位置。由于GPS卫星在空中的位置是已知的，这样用户只需用GPS接收机同时测得某一时刻接收机到视场中三颗GPS卫星的距离，就可以用距离交会的方法求解用户所在地的三维坐标。因此，全球定位系统是一种采取距离交会法的卫星导航定位系统。 5.1.2.3GPS测距码GPS通过比较卫星和接收机在各自时钟控制下所产生的具有相同结构的测距码和本地码，来确定信号传播时间，从而确定距离。GPS测距码分为粗码和精码。粗码的码元长度（每个码所持续的时间与光速的乘积）为293m，精码的码元长度为29.3m。由于相关处理的精度大约为码元长度的1/100左右。因此用精码测距可以获得更高的精度。 5.1.3地理信息系统（GIS）技术5.1.3.1GIS的基本概念广义的地理信息系统包括：①管理和使用地理信息系统的人；②描述地球表面空间分布事物的地理数据；③管理与分析空间数据的软件；④输入、存储、处理和输出地理数据的硬件。狭义的地理信息系统是一个具有多种功能的计算机软、硬件系统。它是一个“具有空间数据的采集、存储、检索、分析和可视化的数据库管理系统”。 5.1.3.2GIS的主要功能地理信息系统的基本功能有5项：数据采集与编辑功能。地理数据库管理功能。制图功能。空间查询与空间分析功能。地形分析等多种功能。 5.2RS在水文模拟中的应用5.2.1水文遥感数据由于水体在可见光、近红外、热红外、微波等波段上具有独特的光谱特性在遥感图像上很容易被识别出来。同时，水体内所含的物质如泥沙、矿物质、氧化物等，可以使遥感图像发生变化，也能被识别出来。与水有关的土壤、岩层、植被等也因受水体影响，很容易在遥感图像上识别出来。遥感技术在水文学中的应用具有得天独厚的优势（魏文秋，1995）。遥感探测水文要素大体有以下几种类型：地表水、土壤及地下水、雪与冰、水质、流域特征（流域面积、坡面汇流长度、表面坡度、地面覆盖类型、土地利用、地面反射率等）、气象水文要素（降水、土壤蒸发与植被蒸腾、水面蒸发等）等。 5.2.2水文气象遥感水文气象遥感包括：降水遥感，蒸发遥感，积雪遥感，地表水遥感，土壤水遥感，地下水遥感。1972年Priestley和Taylor提出了一种直接利用卫星遥感数据计算潜在蒸发的公式。（5.2.1）式中：Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率；γ为湿度计常数；Rn为净辐射；L为汽化潜热。 5.2.3地表特征遥感地表特征也称水文下垫面，它影响着径流、泥沙及污染物的形成、运移及存储过程。地表特征遥感包括：地貌形态，植被类型，土壤类型。 5.3DEM在水文模拟中的应用5.3.1关于DEM的概述数字高程模型DEM（DigitalElevationModel）是由美国麻省理工学院ChairesL.Miller教授于1956年提出来的，其目的是用摄影测量或其他技术手段获得地形数据，在满足一定精度的条件下，用离散数字的形式在计算机中进行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。DEM作为地理信息系统的基础数据，已在测绘、地质、土木工程、水利、建筑等许多领域得到广泛应用。 5.3.1.1DEM的基本知识（1）地形的数字描述1958年Miller和Laflamme提出了数字地形模型DTM(DigitalTerrainModel)的概念，并给出了定义：“数字地形模型是利用一个任意坐标场中大量选择的已知X、Y、Z的坐标点对连续地面的一个简单的统计表示”。它的更通用的定义是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。它的本质共性是二维地理空间定位和数字描述。 从数学的角度，DEM可以用以下二维函数系列来概括地表示数字地形模型的丰富内容和多样形式：（5.3.1）式中，Kp——第p号地面点（可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元）上的第k类地面特性信息的取值；up,vp——第p号地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；m——地面特性信息类型的数目（m≥1）；n——地面点的个数。 （2）DEM的含义和特点DEM是构成DTM的基础，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表示。实际上，在式（5.3.1）中，当m=1且f1为地面高程的映射，（up，vp）为矩阵行列号时，式（5.3.1）表达的数字地面模型即所谓的数字高程模型DEM。显然，DEM是DTM的一个子集，用函数的形式描述为：（5.3.2）式（5.3.2）中，Xi，Yi是平面坐标，Zi是（Xi，Yi）对应的高程。 DEM作为地形表面的一种数字表达形式，有如下特点：①容易以多种形式显示地形信息；②精度不会损失；③容易实现自动化和实时化。概括起来，数字高程模型具有以下显著特点：便于存储、更新、传播和计算机自动处理；具有多比例尺特性，如1m分辨率的DEM自动涵盖了更小分辨率如10m和100m的DEM内容；特别适合于各种定量分析与三维建模。 （3）DEM的分类根据不同的分类标准，DEM具有以下几种类型：根据大小和覆盖范围分类：局部的DEM（Local）；全局的DEM（Globel）；地区的DEM（Regional）。根据DEM数据的规则性分类：直测型DEM，计算型DEM。根据模型的连续性分类：不连续的DEM，连续的DEM。 （4）DEM数据生成DEM数据包括平面位置和高程数据两种信息，可以直接在野外通过全球仪或者GPS、激光测距仪等进行测量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以及现有的地形图上得到。目前，大规模采集DEM数据最有效的方式是摄影测量和地形图数字化。 （5）DEM的数据格式在流域地形分析中，常用的DEM有三种格式：栅格型（Grid）、不规则三角网（TIN，TriangularIrregularNetwork）和等高线（Contour）。其中栅格DEM的计算处理方法较简单，在结构上容易与遥感数据相匹配，缺点在于对复杂的地形难于确定合适的格网大小。格网太小，容易产生大量的数据冗余；格网太大，难于反映复杂的地形。DEM的三种数据格式在GIS的软件中都可以互相转换。 5.3.1.2流域地形因子计算坡度和坡向是两个最常用的基本地形因子，在DEM应用中担当着十分重要的角色。地面上某点的坡度是表示地表面在该点倾斜程度的一个量。因此，它是一个既有大小又有方向的矢量。坡度矢量从数学上来讲，其模等于地表曲面函数在该点的切平面与水平面夹角的正切，其方向等于在该切平面上沿最大倾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向（亦即坡向）。可以证明：任一斜面的坡度等于它在该斜面上两个互相垂直方向上的坡度分量的矢量和。 计算坡度的方法可归纳为五种：四块法、空间矢量分析法、拟合平面法、拟合曲面法、直接解法。经证明，发现拟合曲面法是求解坡度的最佳方法。拟合曲面法一般采用二次曲面，即3×3的窗口（如图5.3.2）。每个窗口中心为一个高程点。点e的坡度、坡向计算公式如下：坡度的计算公式：（5.3.3） 坡向的计算公式：（5.3.4）式中，Slope为坡度，Aspect为坡向，Slopewe为X方向上的坡度，Slopesn为Y方向上的坡度。 关于Slopewe、Slopesn的计算可采用以下算法：算法1（5.3.5） 算法2：（5.3.6）式中，cellsize为格网DEM的格网间隔。E．Hodgson对有关坡度计算的几种算法进行比较后，得出结论：算法1的精度最高，计算效率也是最高的，其次是算法2。 5.3.2流域河网结构提取5.3.2.1三个基本水文因子数字矩阵的生成（1）无洼地DEM的生成通过消除洼地的处理可以生成无洼地DEM。在无洼地DEM中，自然流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。因此，借助无洼地DEM可以对原数字模型区域进行自然流水模拟分析。目前，消除洼地的常用方法有滤波（Callaghan＆Mark，1984；Mark，1983）和填洼（Marks，1984；Jenson＆Domingue，1988）。滤波法可以消除孤立的、较浅的洼地，而保留较大的洼地；填洼法可以消除所有的洼地，但会产生大片平坦的地形。 DEM填洼效果 （2）水流方向矩阵的计算水流方向是指水流离开网格时的指向，它决定着地表径流的方向及网格单元之间流量的分配。目前，关于水流方向的确定方法有：D8方法（或单流向法）、Rh08方法、多流向法、Aspectdrive方法和DEMON方法等。应用比较广泛的是D8方法和多流向法。 ①单流向算法：D8（O’Callaghan&Mark，1984）是采用3×3的窗口，如方框图所示，8个方向分别赋不同的编码记录水流的方向，计算单元格与周围八个单元格的坡降，按最陡坡度原则确定单元格网的流向。 ②多流向法多流向法按照梯度比分配从较高格网到相邻较低格网的流量，具体的计算公式如下：（5.3.7）式中，fij——表示从格网i分给格网j的流量部分；p——无量纲常数；Sij——表示从格网i到格网j的方向坡度； （5.3.8）式中，x,y——格网单元的平面直角指标；Z——格网单元的高程。 （3）水流累积矩阵的计算水流累积矩阵表示区域地形每点的流水累积量，可以用区域地形曲面的流水模拟方法得到。而流水模拟又可用区域DEM的水流累积矩阵来进行。其基本思想是，以规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量，按照水从高处流向低处的自然规律，根据区域地形的水流方向矩阵计算每点处所流过的水量数值，便可以得到该区域水流累积数字矩阵。在此过程中，实际上使用了权值为1的权矩阵，如果考虑特殊情况（如降水不均匀），则可以使用特定的权矩阵，以更精确地计算水流累积值。 5.3.2.2流域边界、子流域划分和河网生成（1）流域边界的确定首先需要给定流域出口断面的大致位置，即出口断面所在栅格单元的行列坐标，以便由此准确地定位流域出口断面，一旦出口断面位置确定，就可按照一定的算法勾划出流域边界，最终获得一个定义流域内外的数阵。 （2）子流域的划分划分子集水流域的计算过程：定义限制子集水流域最小面积的阈值；将所有格网赋以-1值；计算每一格网的Δ值，Δ值通过从格网的方向累计值中减去它所流向的下一个格网的方向累计值来确定；对于方向累计值和Δ值都大于阈值的格网，根据起始数据中相应值对此格网指定唯一正值；记录子集水流域数目。 （3）河网的生成如果预先设定一个阈值，将水流方向累积矩阵中数据高于此阈值的格网连接起来，便可形成排水网络。当阈值减小时，网络的密度便相应增加。如果DEM经过填充处理，则以此方式得到的排水网络将是一完整连接的图形，对此图形进行从栅格到矢量的转化处理，便可得到矢量格式的数据。 图5.3.6某流域DEM模型及有关示意图：（a）流域DEM三维图；（b）流域DEM平面图；（c）基于DEM的河网生成图；（d）基于DEM的子流域划分图。a ThankYou!ZHENGZHOUUNIVERSITY'