本科毕业论文-沟谷网络分析 - 图文

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摘 要

沟谷网络的提取是GIS水文分析的主要内容，对于沟谷网络的空间信息提取与专题特征分析是水文分析和沟谷网络形态特征研究的主要内容。DEM是目前主要的空间数据类型，也是进行地形、水文等专题空间分析的主要数据源。基于DEM数据进行沟谷网络的提取与分析是目前的一个研究热点；然而，由于地形地貌的复杂性与区域性特征、DEM数据的多尺度、综合性特征的原因，基于DEM进行沟谷网络的提取和分析亟待进行深入的特征分析与探讨。

在论文中，首先获取了不同区域DEM数据，根据论文研究的需要，完成了DEM数据的格式、投影转换等预处理操作；运用GIS的追踪分析、水文分析方法，完成了基于DEM的沟谷网络空间数据计算，同时计算获取了不同空间区域的水文属性信息；基于获取的不同空间区域的水文信息，运用空间统计和数理统计方法，分析了不同地貌区的沟谷网络结构与水文特征。

论文采用的研究方法和取得的研究成果是GIS空间分析方法应用于沟谷特征研究的重要实践，具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

关键词：DEM；沟谷分级；水文分析；汇流累积量.

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ABSTRACT

Valley network extraction is the main content of GIS hydrological analysis. The main contents of the hydrological analysis is to extract the valley networks and thematic characteristics of spatial information analysis. DEM is one of the main spatial data currently. Also, it is the main data source of the topographical, hydrological and other topics spatial analysis. Currently, DEM data extraction and analysis of valley networks is a hot research topic. However, because of the complexity of the topography, the integrated of DEM data, resulting in many problems that DEM data used to solve the problem of valley in the features. In the paper, first get the different regions of the DEM data. According to the needs of thesis, completed the DEM data format conversion preprocessing operations projection. Using tracking analysis and hydrological analysis of GIS, to solve the problem of coordinate conversion on DEM data. While computing the hydrological properties of the different space area information. Based on different space area of hydrological information, using mathematical statistics method, analyzed the network structure and hydrological characteristics of different landscape areas in valleys.

Paper use the research methods and research results is the gulch features of GIS space analysis method is applied to study the important practice, has an important significance in theory research and practical application value.

Key Words：DEM; Valley classification; Hydrological analysis; Flow

accumulati

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目 录

摘 要 ..................................................................................................................................... I ABSTRACT ........................................................................................................................... II 目 录 .................................................................................................................................... 3 1 引言 .................................................................................................................................... 4

1.1 基本概念 ................................................................................................................. 4 1.2 研究目的及意义 ..................................................................................................... 5 1.3 国内外研究现状 ..................................................................................................... 6 1.4 研究的主要内容 ..................................................................................................... 7 1.5 研究采取的主要方法及路线 ................................................................................. 7 2 研究基础 .......................................................................................................................... 10

2.1 沟谷网络分级及相关知识 ................................................................................... 10 2.2 实验区域及数据简介 ........................................................................................... 11 2.3 软件简介 ............................................................................................................... 12 3 基于DEM的沟谷网络空间信息提取 ........................................................................... 14

3.1 实验数据的预处理 ............................................................................................... 14 3.2 水流方向提取 ....................................................................................................... 16 3.3 无洼地DEM生成 ................................................................................................ 18 3.4 汇流累计量与沟谷的计算 ................................................................................... 22 4 不同空间区域的沟谷网络特征分析 .............................................................................. 28

4.1 基于分级沟谷网络提取基本信息数据 ............................................................... 28 4.2 结果分析 ............................................................................................................... 29 5 结论和相关问题分析 ...................................................................................................... 35

5.1结论 ........................................................................................................................ 35 5.2 设计过程中主要问题及解决方案 ....................................................................... 35 参考文献 .............................................................................................................................. 37 致谢 ...................................................................................................................................... 39 附录 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。

附录1：英文原文 ....................................................................... 错误！未定义书签。 附录2：中文译文 ....................................................................... 错误！未定义书签。

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1 引言

1.1 基本概念

1.1.1 DEM

地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。是描述、存储、和输出空间信息的理论和方法，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。数字高程模型（Digital Elevation Model),简称DEM【1】。它是用一组有序数值阵列形式表示地 面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子 在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。 1.1.2 河网分级和流域

河网分级是对一个线性的河流网络以数字标识的形式划分级别。在地貌学中，对河流的分级是根据河流的流量、形态等因素进行。不同级别的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流累积量越大，一般是主流，而那些级别较低的河网则是支流。这对于研究水流的运动、汇流模式，及水土保持等具有重要的意义。

流域（watershed）又称集水区域，是指流经其中的水流和其它物质从一个公共的出水口排出从而形成的一个集中的排水区域。也可以用流域盆

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地（basin）、集水盆地（catchment）或水流区域（contributing area）等来描述流域。Watershed数据显示了区域内每个流域汇水面积的大小【2】。汇水面积是指从某个出水口（或点）流出的河流的总面积。出水口（或点）即流域内水流的出口，是整个流域的最低处。流域间的分界线即为分水岭。分水线包围的区域称为一条河流或水系的流域，流域分水线所包围的区域面积就是流域面积。

1.1.3 STRAHLER和SHEVE分级方法

Strahler分级是指划分水系支流规模大小和相互关系的等级。在1：5万地形图或航空照片上可以辨认出的最小水系（大于1厘米）称为一级水系（1st order stream），两条以上一级水系或一级水系与二级水系汇合后构成的水系称为二级水系（2nd order stream）。这两级水系通常接近分水岭。两条二级水系或二级水系与三级水系汇合后构成的水系称为三级水（3rdorder stream）。这种命名方法使不同图幅上同一级别的水系可以互相比较，不会发生水系级别划分上的错误。

Shreve分级的第1级河网的定义与Strahler分级是相同的，所不同的是以后的分级，两级1级河网弧段汇流而成的河网弧段为2级河网弧段，那么对于以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是由其汇入河网弧段的级别之和，当一条3级河网弧段和一条4级河网弧段汇流而成的新的河网弧段的级别为7，这种河网分级到最后出水口的位置时，其河网的级别数刚好是该河网中所有的1级河网弧段的个数[3]。

1.2 研究目的及意义

数字高程模型（DEM）是地面高程属性空间分布的有序数值阵列，其中蕴含着丰富的地貌地形信息，能有效的反映区域的基本地形空间分布规律和地貌特征。利用DEM分析地形和水文的方法日益成熟，可以提取所研究区域的各种地形因子，沟谷水系和拓扑关系，并能够生成相应的水流累

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积来进行地表径流模拟研究。

基于DEM的沟谷网络的提取是GIS水文分析的主要内容，对于沟谷网络的空间信息提取与专题特征分析是水文分析和沟谷网络形态特征研究的主要内容。DEM是目前主要的空间数据类型，也是进行地形、水文等专题空间分析的主要数据源。基于DEM数据进行沟谷网络的提取与分析是目前的一个研究热点；然而，由于地形地貌的复杂性与区域性特征、DEM数据的多尺度、综合性特征的原因，基于DEM进行沟谷网络的提取和分析亟待进行深入的特征分析与探讨。

本研究基于多区域的DEM数据，在实现沟谷网络空间形态信息提取的基础上，分别计算和获取沟谷网络的多元专题信息，在此基础上，进行不同地貌区的沟谷网络结构与水文特征的分析。从而提取出各个河网分级与数目汇流累积量之间的相互关系。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内研究现状

在国内，近10多年来，我们做了很多相关的研究项目，很多研究机构也有与之相关的研究课题。同时，沟谷河网分析的延伸项目也一直蓬勃的发展，比如利用反向思维可以进行山脊线的提取研究，鞍部的提取等。 1.3.2 国外研究现状

在国外，主要是美国等国家在水文分析沟谷网络分析方面的发展进程 最近一段时期美国的水文分析方面已经可以做到精确评价区域地下水资源量，满足不断增长的供水需求；防治地下水开采所引发的各种环境问题 ,如地面沉降、海水入侵、地下水污染等。

鉴于我国水文数据库发展较慢．而国外发达国家已取得了一系列的成果。美国、俄罗斯、欧盟、澳大利亚等国家和地区的水文数据库建设现状及相应的产品已经发展到相当的阶段，通过整理和分析得出结论，这些国

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