3S技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用

1、第五章3S技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用,3S技術(shù)概述,RS在水文模擬中的應(yīng)用,DEM在水文模擬中的應(yīng)用,5.1,5.2,5.3,第五章 3S技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用,主要內(nèi)容,5.1 3S技術(shù)概述,5.1.1 遙感（RS）技術(shù), 遙感基本概念 遙感技術(shù)是一種以非直接接觸方法對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行探測的技術(shù)。 遙感技術(shù)系統(tǒng)由遙感平臺、傳感器、遙感介質(zhì)、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用五部分組成。 遙感的物理基礎(chǔ)是：“一切物體，由于其種類及環(huán)境條件的不同，因而具有反射或輻射不同波長電磁波的特性”。,由于描述水文過程的數(shù)據(jù)有兩種：一種是描述水循環(huán)本身的數(shù)據(jù)；另一種是描述水循環(huán)環(huán)境的數(shù)據(jù)。而這兩種數(shù)據(jù)本身都具有空間性和時間

2、性，因此遙感數(shù)據(jù)也具有空間和時間的特性。, 遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn),遙感數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)換具有下述三方面含義： 第一，掃描影像數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)呈柵格型； 第二，在信息系統(tǒng)中，矢量型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與柵格型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以相互轉(zhuǎn)換； 第三，位于每一柵格上的事物特征與屬性都可以數(shù)字化，以適應(yīng)水文計算的需要。,5.1.2 全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù), GPS基本系統(tǒng) GPS的基本系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號接收機(jī)三部分構(gòu)成。GPS衛(wèi)星星座共有24顆衛(wèi)星，其中21顆是工作衛(wèi)星，3顆是在軌的備用衛(wèi)星。這些衛(wèi)星分布在6個傾角為55度的圓形軌道上。衛(wèi)星的運(yùn)行周期為12恒星時（718分鐘）。

3、星座的這種分配可以確保地球上任何地點(diǎn)，都能同時在地平線10度以上區(qū)域內(nèi)接收到導(dǎo)航定位必需的4顆衛(wèi)星的GPS信號，從而實(shí)現(xiàn)全球的三維定位和導(dǎo)航。, GPS導(dǎo)航、定位原理,在地面監(jiān)控系統(tǒng)的支持下，GPS星座的衛(wèi)星向廣大用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導(dǎo)航定位信號并報告自己和其他衛(wèi)星的位置。由于GPS衛(wèi)星在空中的位置是已知的，這樣用戶只需用GPS接收機(jī)同時測得某一時刻接收機(jī)到視場中三顆GPS衛(wèi)星的距離，就可以用距離交會的方法求解用戶所在地的三維坐標(biāo)。因此，全球定位系統(tǒng)是一種采取距離交會法的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。, GPS測距碼,GPS通過比較衛(wèi)星和接收機(jī)在各自時鐘控制下所產(chǎn)生的具有相同結(jié)構(gòu)

4、的測距碼和本地碼，來確定信號傳播時間，從而確定距離。,GPS測距碼分為粗碼和精碼。粗碼的碼元長度（每個碼所持續(xù)的時間與光速的乘積）為293m，精碼的碼元長度為29.3m。由于相關(guān)處理的精度大約為碼元長度的1/100左右。因此用精碼測距可以獲得更高的精度。,5.1.3 地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù), GIS的基本概念,廣義的地理信息系統(tǒng)包括：管理和使用地理信息系統(tǒng)的人；描述地球表面空間分布事物的地理數(shù)據(jù)；管理與分析空間數(shù)據(jù)的軟件；輸入、存儲、處理和輸出地理數(shù)據(jù)的硬件。,狹義的地理信息系統(tǒng)是一個具有多種功能的計算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)。它是一個“具有空間數(shù)據(jù)的采集、存儲、檢索、分析和可視化的數(shù)

5、據(jù)庫管理系統(tǒng)”。, GIS的主要功能,地理信息系統(tǒng)的基本功能有5項： 數(shù)據(jù)采集與編輯功能。 地理數(shù)據(jù)庫管理功能。 制圖功能。 空間查詢與空間分析功能。 地形分析等多種功能。,5.2 RS在水文模擬中的應(yīng)用,5.2.1 水文遙感數(shù)據(jù),由于水體在可見光、近紅外、熱紅外、微波等波段上具有獨(dú)特的光譜特性在遙感圖像上很容易被識別出來。同時，水體內(nèi)所含的物質(zhì)如泥沙、礦物質(zhì)、氧化物等，可以使遙感圖像發(fā)生變化，也能被識別出來。與水有關(guān)的土壤、巖層、植被等也因受水體影響，很容易在遙感圖像上識別出來。遙感技術(shù)在水文學(xué)中的應(yīng)用具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢（魏文秋，1995）。,遙感探測水文要素大體有以下幾種類型

6、：地表水、土壤及地下水、雪與冰、水質(zhì)、流域特征（流域面積、坡面匯流長度、表面坡度、地面覆蓋類型、土地利用、地面反射率等）、氣象水文要素（降水、土壤蒸發(fā)與植被蒸騰、水面蒸發(fā)等）等。,5.2.2 水文氣象遙感,水文氣象遙感包括：降水遙感 ，蒸發(fā)遙感 ，積雪遙感 ，地表水遙感 ，土壤水遙感，地下水遙感 。,1972年P(guān)riestley 和Taylor 提出了一種直接利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)計算潛在蒸發(fā)的公式。,（5.2.1）,式中：為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率；為濕度計常數(shù)；Rn為凈輻射；L 為汽化潛熱 。,5.2.3 地表特征遙感,地表特征也稱水文下墊面，它影響著徑流、泥沙及污染物的形成、運(yùn)移及存儲過

7、程。,地表特征遙感包括：地貌形態(tài)，植被類型，土壤類型。,5.3 DEM在水文模擬中的應(yīng)用,5.3.1 關(guān)于DEM的概述,數(shù)字高程模型DEM（Digital Elevation Model）是由美國麻省理工學(xué)院Chaires L.Miller教授于1956年提出來的，其目的是用攝影測量或其他技術(shù)手段獲得地形數(shù)據(jù)，在滿足一定精度的條件下，用離散數(shù)字的形式在計算機(jī)中進(jìn)行表示，并用數(shù)字計算的方式進(jìn)行各種分析。DEM作為地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，已在測繪、地質(zhì)、土木工程、水利、建筑等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。, DEM的基本知識,（1）地形的數(shù)字描述 1958年Miller和Laflamme提出

8、了數(shù)字地形模型DTM(Digital Terrain Model)的概念，并給出了定義：“數(shù)字地形模型是利用一個任意坐標(biāo)場中大量選擇的已知X、Y、Z的坐標(biāo)點(diǎn)對連續(xù)地面的一個簡單的統(tǒng)計表示”。,它的更通用的定義是描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列。它的本質(zhì)共性是二維地理空間定位和數(shù)字描述。,從數(shù)學(xué)的角度，DEM可以用以下二維函數(shù)系列來概括地表示數(shù)字地形模型的豐富內(nèi)容和多樣形式：,（5.3.1）,式中，Kp第p號地面點(diǎn)（可以是單一的點(diǎn)，但一般是某點(diǎn)及其微小 鄰域所劃定的一個地表面元）上的第k類地面特性信息的取值； up,vp第p號地面點(diǎn)的二維坐標(biāo)，可以是采用任一地圖投影的平面坐標(biāo)，或者

9、是經(jīng)緯度和矩陣的行列號等； m 地面特性信息類型的數(shù)目（m1）； n 地面點(diǎn)的個數(shù)。,（2）DEM的含義和特點(diǎn),DEM是構(gòu)成DTM的基礎(chǔ)，它是對地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)字表示。實(shí)際上，在式（5.3.1）中，當(dāng)m=1且f1為地面高程的映射，（up，vp）為矩陣行列號時，式（5.3.1）表達(dá)的數(shù)字地面模型即所謂的數(shù)字高程模型DEM。顯然，DEM是DTM的一個子集，用函數(shù)的形式描述為：,（5.3.2）,式（5.3.2）中，Xi，Yi是平面坐標(biāo)，Zi是（Xi，Yi）對應(yīng)的高程。,DEM作為地形表面的一種數(shù)字表達(dá)形式，有如下特點(diǎn)：容易以多種形式顯示地形信息；精度不會損失；容易實(shí)現(xiàn)自動化和實(shí)時化。,

10、概括起來，數(shù)字高程模型具有以下顯著特點(diǎn)：便于存儲、更新、傳播和計算機(jī)自動處理；具有多比例尺特性，如1m分辨率的DEM自動涵蓋了更小分辨率如10m和100m的DEM內(nèi)容；特別適合于各種定量分析與三維建模。,（3）DEM的分類,根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，DEM具有以下幾種類型： 根據(jù)大小和覆蓋范圍分類：局部的DEM（Local）；全局的DEM（Globel）；地區(qū)的DEM（Regional）。 根據(jù)DEM數(shù)據(jù)的規(guī)則性分類：直測型DEM，計算型DEM 。 根據(jù)模型的連續(xù)性分類：不連續(xù)的DEM，連續(xù)的DEM 。,（4）DEM數(shù)據(jù)生成,DEM數(shù)據(jù)包括平面位置和高程數(shù)據(jù)兩種信息，可以直接在野外通過全球儀或者GP

11、S、激光測距儀等進(jìn)行測量，也可以間接地從航空影像或者遙感圖像以及現(xiàn)有的地形圖上得到。 目前，大規(guī)模采集DEM數(shù)據(jù)最有效的方式是攝影測量和地形圖數(shù)字化。,（5）DEM的數(shù)據(jù)格式,在流域地形分析中，常用的DEM有三種格式：柵格型（Grid）、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN，Triangular Irregular Network）和等高線（Contour）。,其中柵格DEM的計算處理方法較簡單，在結(jié)構(gòu)上容易與遙感數(shù)據(jù)相匹配，缺點(diǎn)在于對復(fù)雜的地形難于確定合適的格網(wǎng)大小。格網(wǎng)太小，容易產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余；格網(wǎng)太大，難于反映復(fù)雜的地形。DEM的三種數(shù)據(jù)格式在GIS的軟件中都可以互相轉(zhuǎn)換。, 流域地形

12、因子計算,坡度和坡向是兩個最常用的基本地形因子，在DEM應(yīng)用中擔(dān)當(dāng)著十分重要的角色。,地面上某點(diǎn)的坡度是表示地表面在該點(diǎn)傾斜程度的一個量。因此，它是一個既有大小又有方向的矢量。坡度矢量從數(shù)學(xué)上來講，其模等于地表曲面函數(shù)在該點(diǎn)的切平面與水平面夾角的正切，其方向等于在該切平面上沿最大傾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向（亦即坡向）?？梢宰C明：任一斜面的坡度等于它在該斜面上兩個互相垂直方向上的坡度分量的矢量和。,計算坡度的方法可歸納為五種：四塊法、空間矢量分析法、擬合平面法、擬合曲面法、直接解法。經(jīng)證明，發(fā)現(xiàn)擬合曲面法是求解坡度的最佳方法。,擬合曲面法一般采用二次曲面，即33的窗口（如圖5.3.2

13、）。每個窗口中心為一個高程點(diǎn)。點(diǎn)e的坡度、坡向計算公式如下：,坡度的計算公式：,（5.3.3）,坡向的計算公式：,（5.3.4）,式中，Slope為坡度，Aspect為坡向，Slope we為 X方向上的坡度，Slope sn為Y方向上的坡度。,關(guān)于Slope we、Slope sn的計算可采用以下算法：,算法1,（5.3.5）,算法2：,（5.3.6）,式中，cellsize為格網(wǎng)DEM的格網(wǎng)間隔。 EHodgson對有關(guān)坡度計算的幾種算法進(jìn)行比較后，得出結(jié)論：算法1的精度最高，計算效率也是最高的，其次是算法2。,5.3.2 流域河網(wǎng)結(jié)構(gòu)提取, 三個基本水文因子數(shù)字矩陣的生成,

14、（1）無洼地DEM的生成 通過消除洼地的處理可以生成無洼地DEM。在無洼地DEM中，自然流水可以暢通無阻地流至區(qū)域地形的邊緣。因此，借助無洼地DEM可以對原數(shù)字模型區(qū)域進(jìn)行自然流水模擬分析。,目前，消除洼地的常用方法有濾波（Callaghan Mark，1984；Mark，1983）和填洼（Marks，1984；Jenson Domingue，1988）。濾波法可以消除孤立的、較淺的洼地，而保留較大的洼地；填洼法可以消除所有的洼地，但會產(chǎn)生大片平坦的地形。,DEM填洼效果,（2）水流方向矩陣的計算,水流方向是指水流離開網(wǎng)格時的指向，它決定著地表徑流的方向及網(wǎng)格單元之間流量的分配。目前，關(guān)于水流

15、方向的確定方法有：D8方法（或單流向法）、Rh08方法、多流向法、Aspectdrive方法和DEMON方法等。應(yīng)用比較廣泛的是D8方法和多流向法。,單流向算法：D8（OCallaghan & Mark，1984）是采用33的窗口，如方框圖所示，8個方向分別賦不同的編碼記錄水流的方向，計算單元格與周圍八個單元格的坡降，按最陡坡度原則確定單元格網(wǎng)的流向。,多流向法 多流向法按照梯度比分配從較高格網(wǎng)到相鄰較低格網(wǎng)的流量，具體的計算公式如下：,（5.3.7）,式中，f ij 表示從格網(wǎng)i分給格網(wǎng)j的流量部分；p 無量綱常數(shù)；S ij 表示從格網(wǎng)i到格網(wǎng)j 的方向坡度；,（5.3.8）,式中，x ,y

16、 格網(wǎng)單元的平面直角指標(biāo)；Z 格網(wǎng)單元的高程。,（3）水流累積矩陣的計算,水流累積矩陣表示區(qū)域地形每點(diǎn)的流水累積量，可以用區(qū)域地形曲面的流水模擬方法得到。而流水模擬又可用區(qū)域DEM的水流累積矩陣來進(jìn)行。其基本思想是，以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點(diǎn)處有一個單位的水量，按照水從高處流向低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向矩陣計算每點(diǎn)處所流過的水量數(shù)值，便可以得到該區(qū)域水流累積數(shù)字矩陣。在此過程中，實(shí)際上使用了權(quán)值為1的權(quán)矩陣，如果考慮特殊情況（如降水不均勻），則可以使用特定的權(quán)矩陣，以更精確地計算水流累積值。, 流域邊界、子流域劃分和河網(wǎng)生成,（1）流域邊界的確定 首先需要給定流域出口斷面的大致位置，即出口斷面所在柵格單元的行列坐標(biāo)，以便由此準(zhǔn)確地定位流域出口斷面，一旦出口斷面位置確定，就可按照一定的算法勾劃出流域邊界，最終獲得一個定義流域內(nèi)外的數(shù)陣。,（2）子流域的劃分,劃分子集水流域的計算過程： 定義限制子集水流域最小面積的閾值； 將所有格網(wǎng)賦以-1值； 計算每一格網(wǎng)的值，值通過從格網(wǎng)的方向累計值中減去它所流向的下一個格網(wǎng)的方向累計值來確定； 對于方向累計值和值都大于閾值的格網(wǎng)，根據(jù)起始數(shù)據(jù)中相應(yīng)值對此格網(wǎng)指定唯一正值