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1、沟谷网络GIS水文分析本科毕业论文摘 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D

2、EM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.ABSTRACTValley network extraction is the main content of GIS hydrological analysis. The main contents of the hydrological analys

3、is 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 vall

4、ey 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 o

5、f 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 d

6、ifferent 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 app

7、lied to study the important practice, has an important significance in theory research and practical application value.Key Words：DEM; Valley classification; Hydrological analysis; Flow accumulation.目 录摘 要 IABSTRACT II目 录 31 引言 41.1 基本概念 41.2 研究目的及意义 51.3 国内外研究现状 61.4 研究的主要内容 71.5 研究采取的主要方法及路线 72 研究基

8、础 102.1 沟谷网络分级及相关知识 102.2 实验区域及数据简介 112.3 软件简介 123 基于DEM的沟谷网络空间信息提取 143.1 实验数据的预处理 143.2 水流方向提取 163.3 无洼地DEM生成 183.4 汇流累计量与沟谷的计算 224 不同空间区域的沟谷网络特征分析 284.1 基于分级沟谷网络提取基本信息数据 284.2 结果分析 295 结论和相关问题分析 345.1结论 345.2 设计过程中主要问题及解决方案 34参考文献 36致谢 38附录 39附录1：英文原文 40附录2：中文译文 411 引言1.1 基本概念1.1.1 DEM地理信息系统（Geogr

9、aphical 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

10、，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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、些国家和地区已制定了共享数据的标准，并完善、整合数据库中已存储的水文数据，提供了高效的水文水资源信息服务平台，从而为我国水文数据共享和水文数据库的建设提供宝贵资料，促进水文信息化的发展。 1.4 研究的主要内容不同空间区域DEM数据的获取与预处理：主要包括DEM数据的来源获取，转换数据格式，投影坐标，分辨率等前期工作1、基于DEM的沟谷网络空间信息提取主要指基于DEM提取沟谷网络的方法与基本步骤，主要包括：水流方向提取、洼地计算、洼地深度计算、洼地填充、汇流累计量的计算，计算沟谷长度，沟谷的生成和提取，沟谷分级的生成。2、不同空间区域的沟谷网络特征分析基于获取的沟谷网络特征参数，运用空间统计的

17、方法研究沟谷网络的结构特征；同时，对于不同地貌区的沟谷进行深入的分析与探讨。从而得出最终结果，然后进行分析工作，最终得出结论。1.5 研究采取的主要方法及路线1.5.1 研究方法1、GIS的空间分析空间分析是对分析空间数据有关技术的统称。根据作用的数据性质不同，可以分为：1.基于空间图形数据的分析运算；2。基于非空间属性的数据运算；3.空间和非空间数据的联合运算。空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库，其运用的手段包括各种几何的逻辑运算、数理统计分析，代数运算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到地理空间的实际问题，提取和传输地理空间信息，特别是隐含信息，以辅助决策。2、GIS水文分析方法

18、Gis水文分析方法使用DEM数据派生其他水文特征：提取河流网络，自动划分流域，这是描述某一地区水文特征的重要因素。水文分析是DEM 数据应用的一个重要方面。利用DEM 生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等。3、空间统计和数理统计方法 数学的一门分支学科。它以概率论为基础运用统计学的方法对数据进行分析、研究导出其概念规律性(即统计规律)。它主要研究随机现象中局部(字样)与整体(母体)之间。以及各有关因素之间相互联系的规律

19、性。它主要是利用样本的平均数、标准差、标准误、变异系数率、均方、检验推断、相关、回归、聚类分析、判别分析、主成分分析、正交试验、模糊数学和灰色系统理论等有关统计量的计算来对实验所取得的数据和测量、调查所获得的数据进行有关分6f研究得到所需结果的一种科学方法。它要求具有随机性，而且数据必须真实可靠，这是进行定量分析的基础。这种方法不可借助计算机来进行，亦更能达到快速、准确和实施大量计算的目的。 1.5.2 技术路线图1-1 技术路线图2 研究基础2.1 沟谷网络分级及相关知识2.1.1沟谷网络分级沟谷网络分级是对一个线性的沟谷网络以数字标识的形式划分级别。在地貌学中，对沟谷的分级是根据沟谷的流量

20、、形态等因素进行。不同级别的沟谷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，而那些级别较低的沟谷网络则是支流。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。2.1.2 沟谷分级的具体分类方法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系（3rdorde

21、r 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，两条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。 图2-1 strahler分级和shreve分级示意图2.2 实验区域及数据简介2.2.1 实验区介绍实

22、验数据选取的是全国范围内的几个重点区域，经纬度起始点分别如表2-1所列。涉及东北地区、华北地区、华南地区几乎包括全国范围。表2-1 实验研究区域地理位置信息表编号纬度精度地区1N22-N23E114-E115广东南部2N23-N24E115-E116广东东部3N25-N26E112-E113湖南省4N27-N28E100-E101四川云南交界5N34-N35E116-E117山东省6N35-N36E111-E112山西省7N35-N36E107-E108陕西北部8N42-N43E116-E117内蒙古北部2.2.2 实验数据简介试验所用数据为Aster DEM数据，栅格数据栅格数为3601*3

23、601，数据格式为Grid，所采用的投影坐标是西安80坐标系，数据空间分辨率大小为30米。2.3 软件简介2.3.1 ArcGISArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台。ArcObjects包含了大量的可编程组件，从细粒度的对象（例如，单个的几何对象）到粗粒度的对象（例如与现有ArcMap文档交互的地图对象）涉及面极广，这些对象为开发者集成了全面的GIS功能。每一个使用ArcObjects建成的ArcGIS产品都为开发者提供了一个应用开发的容器，包括桌面GIS（ArcGIS Desktop），嵌入式GIS（ArcGIS Engine）以及服务端GIS（ArcGIS Serv

24、er）。主要进行DEM数据的获取和格式转换。软件的作用：在本文中主要应用了ArcGis的水文分析模块。应用水文分析模块对所有实验数据进行水流方向，汇流累积量，河网以及流域的数据的提取，并且运用ArcGis中的栅格计算器模块进行计算分析。2.3.2 ENVI ENVI完整的遥感图像处理平台ENVI(The Environment for Visualizing Images)是美国Exelis Visual Information Solutions公司的旗舰产品。它是由遥感领域的科学家采用交互式数据语言IDL(Interactive Data Language)开发的一套功能强大的遥感图像处理

25、。它是快速、便捷、准确地从影像中提取信息的首屈一指的软件解决方案。今天，众多的影像分析师和科学家选择ENVI来从遥感影像中提取信息。ENVI已经广泛应用于科研、环境保护、气象、石油矿产勘探、农业、林业、医学、国防&安全、地球科学、公用设施管理、遥感工程、水利、海洋、测绘勘察和城市与区域规划等领域。软件的作用：在本文中主要运用ENVI软件进行原始数据投影坐标的转换，由于原始数据的投影坐标是WGS-84，与我们数据处理所要求的投影坐标并不一致，所以需要进行投影坐标的转换。而ArcGis软件并不能很好的完成这一目标，所以用ENVI软件进行这一项目。2.3.2 EXCEL软件Microsoft Exc

26、el是微软公司的办公软件Microsoft office的组件之一，是由Microsoft为Windows和Apple Macintosh操作系统的电脑而编写和运行的一款试算表软件。Excel 是微软办公套装软件的一个重要的组成部分，它可以进行各种数据的处理、统计分析和辅助决策操作，广泛地应用于管理、统计财经、金融等众多领域。Excel中大量的公式函数可以应用选择，使用Microsoft Excel可以执行计算，分析信息并管理电子表格或网页中的数据信息列表与数据资料图表制作，可以实现许多方便的功能，带给使用者方便。与其配套组合的有：Word、PowerPoint、Access、InfoPath

27、及Outlook,Publisher现在Excel2013、20101、2007和老一点的Excel2003较为多见，Excel2002版本用的不是很多。比Excel2000老的版本很少见了。最新的版本增添了许多功能。使Excel功能更为强大。Excel2003支持VBA编程，VBA是Visual Basic For Application的简写形式。VBA的使用可以达成执行特定功能或是重复性高的操作。软件的作用：由于本论文的后期需要运用数理统计方法进行大批量数据的统计分析工作，而这一方面就要用Excel软件进行。包括数据的统计，分析，函数的运算，折线图趋势图的绘制等。3 基于DEM的沟谷网络

28、空间信息提取要实现沟谷网络的提取分析需要先对数据进行河网的分析提取等前期工作，然后进行strahler分级和shreve分级，最后进行分析。3.1 实验数据的预处理3.1.1 实验区数据的获取本研究课题所需要的数据为DEM数字高程数据，主要来源为网上获取国外网站来源有2009NASA发布的最新Aeter DEM数据 采样精度达到30m分辨率https:/wist.echo.nasa.gov/wistbin/api/ims.cgi?mode=MAINSRCH&JS=1国内网站来源为用户已经整理好的国内Aster DEM数据下载的DEM数据是tiff格式 坐标系为WGS84 分辨率2030米不等

29、16Bite 3601*3601，一共下载了8组数据，数据基本信息表2.1内容所列。3.1.2坐标系的转换本研究进行转换坐标系是在ENVI中进行的，转换的内容是WGS84坐标系转成西安80坐标系，具体操作步骤如下：1、添加椭球体语法为 ,。这里将“Krasovsky，6378245.0，6356863.0”和“IAG-75，6378140.0，6356755.3”加入ellipse.txt末端。注：ellipse.txt文件中已经有了克拉索夫斯基椭球，由于翻译原因，这里的英文名称是Krassovsky，为了让其他软件平台识别，这里新建一个Krasovsky椭球体。第二步、添加基准面语法为,。这

30、里将“D_BEIJING_1954, Krasovsky, -12, -113, -41”和“D_Xian_1980,IAG-75,0,0,0”加入datum.txt 末端。 第三步、定义坐标在ENVI任何用到投影坐标的功能模块中都可以新建坐标系(在任何地图投影选择对话框中，点击“New”按钮。)，这里我们选择Map-Customize Map Projection，添加一个20度带（6度）的坐标，添加的参数如下图所示。图3-1 定义坐标纬度带选择Projection-Add New Projection, 将投影添加到 ENVI 所用的投影列表中。选择 File Save Projectio

31、ns，存储新的或更改过的投影信息。这样一个新的投影坐标就新建完成。打开map_proj.txt，可以看到新建的坐标信息已经自动加入。第四步 使用坐标系利用自定义坐标系将一副WGS84坐标系转化为西安80坐标系。由于数据的投影信息不是国际标准或者说其参数名称不是标准的，所以在ENVI中有可能不能读取数据的投影信息，这个时候就需要重新设定投影信息。打开数据文件，在Available Bands List中选择文件，点击右键打开Header Info，在Edit Attributes中选择Map Info。选择Change Projection，将前面定义好的WGS84坐标选上。这样在影像的map info里面就可以看到投影信息了。选择Map-Convert Map Projecton,进行西安80的坐标转换。打开转换后的结果，可以看到Map Info中投影信息已经更新，起始点的坐标也不一样，有几米的差别，这也符合WGS84和西安80存在百米范围内的系统误差。3.1.3 格式转换TIFF转换GRID格式由于应用要求需要GRID格式文件，而下载的文件格式为Tiff格式，所以需要进行格式