DEM数据在流域水文分析与模拟中的尺度效应研究

发布时间：2020-04-06 06:41

【摘要】：DEM数据是流域水文分析和模拟的基础,不同来源的DEM数据具有不同的精度和分辨率尺度,深刻影响水文分析和水文过程模拟的结果。论文以鹤壁市汤河上游流域为研究区,以机载LiDAR技术获取的DEM数据为基础,对比SRTM DEM和ASTER GDEM数据,分析了不同分辨率和不同来源DEM在地形表达因子提取、水文指数分析和流域特征参数提取中的差异及产生原因;基于SWAT分布式水文模型,模拟研究了不同分辨率和不同来源DEM数据的水文效应。主要研究内容分为五部分。(1)DEM数据预处理。论文研究了机载LiDAR数据处理的技术流程,选定了适用于研究区的点云数据粗差去除、滤波和插值等处理方法,完成了研究区170Km~2LiDAR数据处理与DEM构建,基于重采样方法生成了1-100m100种不同分辨率的DEM数据。收集了研究区的SRTM DEM和ASTER GDEM数据,为后续研究提供基础数据。(2)地形表达因子分析。针对不同尺度和不同来源DEM数据,分别提取坡度、坡向和高程等地形因子,统计其变化特征。试验表明,随着LiDAR DEM分辨率的降低,研究区坡度均值、最大值、标准差均出现减小。当DEM分辨率从1m降低到100m时,平均值的由9.47°变化到4.51°,变化率达52.37%,表明随分辨率的降低,地形细节信息丢失,导致坡度统计值降低。而分辨率的变化对高程和坡向的表达影响较小。不同来源DEM数据统计表明,与LiDAR DEM数据相比,相同分辨率SRTM DEM数据提取的高程值偏大,坡度值偏小,表明该数据整体精确度较高,但对地形细节信息的表达有损失,而ASTER GDEM数据提取的高程值偏小,数据精确度偏低,伪地形噪声严重,导致坡度提取不够准确,整体偏高。不同数据源对坡向的提取影响很小,平均值相差小于0.15。(3)地形水文指数分析。论文研究了TWI、SPI和LSF等地形水文指数提取方法,对比分析了多尺度DEM数据提取结果。结果表明,DEM分辨率越高,其TWI平均值越小,SPI平均值越大,对地形细节的表达和对径流沉积物运移能力的表达越好,而LSF值则是在10m分辨率下最大,描述土壤侵蚀的潜力值最大。不同来源DEM提取结果显示,ASTER GDEM与SRTM DEM提取的LSF和SPI均小于LiDAR DEM,而提取的TWI大于LiDAR DEM,且ASTER GDEM提取值与LiDAR DEM提取值更接近。(4)流域特征参数提取分析。对河网水系的提取进行了研究,并对提取的特征参数进行了对比分析。实验结果表明:DEM空间分辨率对流域面积的影响不大,河道长度和河网密度则是随分辨率的降低而减小。不同来源DEM数据实验表明,与同分辨率下的LiDAR DEM提取的流域面积相比,ASTER GDEM提取的流域面积较小,SRTM DEM提取的偏大,相差分别为3.92km~2和0.11 km~2,这与ASTER GDEM数据整体精确度较低,SRTM DEM数据整体精确度较高有关。ASTER GDEM和SRTM DEM提取的河道长度和河网密度均小于LiDAR DEM提取的值。(5)SWAT模型模拟与分析。论文分别建立了基于不同分辨率和不同数据源DEM的SWAT流域水文模型,统计分析了蒸散发、土壤渗漏、地下径流、地表径流深等的模拟结果的变化情况。实验结果表明,随分辨率的降低,坡度值的变小,导致地形湿度指数变大,进一步导致蒸散发量增加,地表径流深减小,而土壤渗漏量和地下径流量则是先减小后增加,10m处为拐点所在。不同来源DEM数据结果表明,与同分辨率下的LiDAR DEM数据相比,ASTER GDEM和SRTM DEM提取的蒸散发量偏大,提取的地表径流深、土壤渗漏量和地下径流量偏小,整体而言,不同分辨率和不同数据源都会对SWAT模型模拟产生影响。
【图文】：

房屋建筑,TM数据,影像,位置

研究区概况取鹤壁市汤河上游流域作为研究对象。该流域位于鹤壁市鹤山区和山流域卫河上游水系。研究区位于鹤壁市中部，地处太行山东麓，南北靠安阳市，东接汤阴县。经纬度为东经 114°08′45.0″~114°18′33″，′33″~36°00′53″。究区内地形复杂多样，主要以低山丘陵为主，中下游分布河流冲积盖类型多样，，包括耕地、房屋建筑区、水体、草地、乔木林、灌木地等土地利用类型。研究区属于北温带大陆性气候，浅山丘岭地貌。常年四季分明，光照暖，年平均气温在 14℃左右，无霜期大概为 220 天；年日照时数平均日照率为 53.2%；属西北高、东南低地势，海拔高度为 150m-400m为汤河和凌河，两河流在东部的汤阴县境内汇合后流入了卫河。区，土层深厚。如图 2-1 所示为研究区位置。

工作机制

机载 LiDAR 系统是以飞机为载体的机载激光探测系统，其原理为：装在飞的激光器向地面发射脉冲信号，测量脉冲往返回激光系统的准确时间，联合器的高度、激光的扫描角度、在 GPS 中读取的激光器位置、从惯性导航系统取的激光发射方向等，就可以快速、准确的计算出地面每个光斑的坐标，从得高精度的三维数据。与其他遥感技术相比，机载 LiDAR 系统具有自动化程、生产周期短、精度高、受天气影响小等技术优点，是目前能够快速获取地维空间信息和影像的航空遥感系统。机载 LiDAR 又被称为机载激光雷达，是激光探测和测距系统的简称[54]。 LiDAR 系统是近年来发现的高新技术系统之一[55]，可生成地球表面和三维数据。机载激光测图系统由三部分组成，即激光测距优化仪、高精度惯性参统（IMU）和全球定位系统（GPS），其工作流程如图 2-2 所示。机载 LiD以生成数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM）和数字城市模型（DC]。LiDAR 数据处理包括数据预处理和数据后处理两个阶段[57-61]。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P333

【参考文献】