地球信息科学学报 ›› 2021, Vol. 23 ›› Issue (3): 385-394.doi: 10.12082/dqxxkx.2021.190811
孔乔1(), 韩露2,3, 刘兴坡1,3,4, 丁永生1,4,*(
), 王一帆1
收稿日期:
2019-12-29
修回日期:
2020-03-22
出版日期:
2021-03-25
发布日期:
2021-05-25
通讯作者:
丁永生
E-mail:qiao199571218@163.com;ysding@shmtu.edu.cn
作者简介:
孔 乔(1995- ),男,山东曲阜人,硕士生,主要从事水文水资源研究。E-mail: qiao199571218@163.com
基金资助:
KONG Qiao1(), HAN Lu2,3, Liu Xingpo1,3,4, DING Yongsheng1,4,*(
), WANG Yifan1
Received:
2019-12-29
Revised:
2020-03-22
Online:
2021-03-25
Published:
2021-05-25
Contact:
DING Yongsheng
E-mail:qiao199571218@163.com;ysding@shmtu.edu.cn
Supported by:
摘要:
数字高程模型(DEM)包含的信息常作为重要的水文水动力研究基础数据,但是由于公共源DEM数据精度不能完整表达河床地形,所以无法应用于河流泛洪分析等研究工作。因此,本研究开展了基于DEM数据构建数字河床的工作,首先对提取的纵向河网高程数据引入了强局部加权回归算法进行平滑处理以消除畸点;然后以河面要素文件为掩膜,采用反距离加权方法进行横向的空间插值得到3D数字化河面;最后结合河面高程与河深数据完成河床的整体构建。本研究以SRTM DEM为数据地形基础,以位于我国吉林省永吉县境内的温德河为研究实例,对其下游局部区域内的河段重构了矩形、梯形和V型 3种河床断面数字地形。为评价重构数据的合理性,分别对所得到的数字河面进行等值线分析;对河床构建前后DEM水文分析提取的河网进行河道偏移量计算;对构建的地形数据进行河流水动力模拟应用分析,结果表明:① 应用反距离加权插值可以很好地实现河网高程向河面高程的横向延展;② 基于河床重构DEM数据的水文分析误差得到了很好地消除;③ 本研究的重构数据在河流分析中具有较好地应用性和可靠性。
孔乔, 韩露, 刘兴坡, 丁永生, 王一帆. 一种采用SRTM DEM重构河床数字地形的方法[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(3): 385-394.DOI:10.12082/dqxxkx.2021.190811
KONG Qiao, HAN Lu, Liu Xingpo, DING Yongsheng, WANG Yifan. Methodology of Digital Riverbed Reconstruction based on SRTM DEM Data[J]. Journal of Geo-information Science, 2021, 23(3): 385-394.DOI:10.12082/dqxxkx.2021.190811
表2
特征点河道偏移量结果及误差"
特征点编码 | 原始DEM | 矩形河床融合DEM | 梯形河床融合DEM | V形河床融合DEM |
---|---|---|---|---|
1 | 80.90 | 16.11 | 0.31 | 0.26 |
2 | 35.97 | 5.66 | 0.06 | 0.16 |
3 | 30.30 | 4.73 | 2.16 | 0.15 |
4 | 47.31 | 1.88 | 1.17 | 0.02 |
5 | 68.61 | 6.83 | 0.09 | 0.38 |
6 | 516.65 | 32.81 | 9.93 | 1.36 |
7 | 277.69 | 33.90 | 22.78 | 20.89 |
8 | 12.13 | 26.58 | 12.38 | 12.10 |
9 | 52.96 | 31.92 | 21.87 | 24.16 |
10 | 278.79 | 28.97 | 16.15 | 0.00 |
平均偏移量 | 140.13 | 18.94 | 8.69 | 5.95 |
总体方差 | 24 404.66 | 156.74 | 76.05 | 81.49 |
总体标准差 | 156.22 | 12.52 | 8.72 | 9.03 |
[1] | 李照会, 郭良, 刘荣华, 等. 基于DEM数字河网提取时集水面积阈值与河源密度关系的研究[J]. 地球信息科学学报, 2018,20(9):1244-1251. |
[ Li Z H, Guo L, Liu R H, et al. The relationship between the threshold of catchment area for extraction of digital river network from DEM and the river source density[J]. Journal of Earth Information Science, 2018,20(9):1244-1251. ] | |
[2] | 马永明, 张利华, 张康, 等. 基于SWAT模型和多源DEM数据的流域水系提取精度分析[J]. 地球信息科学学报, 2019,21(10):1527-1537. |
[ Ma Y M, Zhang L H, Zhang K, et al. Accuracy analysis of watershed system extraction based on the SWAT model and multi-source DEM data[J]. Journal of Earth Information Science, 2019,21(10):1527-1537. ] | |
[3] | 赵远洋, 丁永生, 孙丹, 等. 基于Arcpy编程修正的数字高程模型小流域水文分析[J]. 大连海事大学学报, 2016,42(4):55-60. |
[ ZhaoY Y, Ding Y S, Sun D, et al. Hydrological analysis of small watershed based on digital elevation model modified by arcpy programming[J]. Journal of Dalian Maritime University, 2016,42(4):55-60. ] | |
[4] | 李晶, 张征, 朱建刚, 等. 基于DEM的太湖流域水文特征提取[J]. 环境科学与管理, 2009,34(5):138-142. |
[ Li J, Zhang Z, Zhu J G, et al. Hydrological feature extraction of Taihubasin based on DEM[J]. Environmental Science and Management, 2009,34(5):138-142. ] | |
[5] | 刘佳嘉, 周祖昊, 贾仰文, 等. 河网提取算法中河道断裂现象原因剖析及算法改进[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2013,11(3):195-200. |
[ Liu J J, Zhou Z H, Jia Y W, et al. The reason analysis of the phenomenon of “disconnection” in the DEM river extraction and method improving[J]. Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research, 2013,11(3):195-200. ] | |
[6] | 郑倩, 史海滨, 李仙岳, 等. 基于AGREE算法与BURN-IN算法的平原灌区DEM河网提取问题剖析[J]. 灌溉排水学报, 2019,38(5):122-128. |
[ Zheng Q, Shi H B, Li X Y, et al. Identifying the sources of errors in using DEM to extract irrigation-drainage network in plain areas using AGREE and BURN-IN algorithm[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019,38(5):122-128. ] | |
[7] | Callow J N, Van Neil K P, Boggs G S. How does modifying a DEM to reflect known hydrology affect subsequent terrain analysis[J]. Journal of Hydrology, 2007,332:30-39. |
[8] | 彭培, 林爱文. 基于AGREE算法的河流水系提取[J]. 水电能源科学, 2015,33(4):27-29. |
[ Peng P, Lin A W. River system extraction based on agree algorithm[J]. Water Resources and Power, 2015,33(4):27-29. ] | |
[9] | 刘佳嘉, 周祖昊, 贾仰文, 等. 河道烧录算法提取出断裂河网的必要条件探究[J]. 水利水电技术, 2015,46(9):21-22,36. |
[ Liu J J, Zhou Z H, Jia Y W, et al. Study on necessary conditions for extracting phenomenon of disconnection with stream burning method[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2015,46(9):21-22,36. ] | |
[10] | Cleveland WS. Robust locally weighted regression and smoothing scatterplots[J]. Journal of the American Statistical Association, 1979,74:829-836. |
[11] | Cleveland W S, Devlin S J. Locally weighted regression: an approach to regression analysis by local fitting[J]. Journal of the American Statistical Association, 1988,83:596-610. |
[12] | Wolfgang S, Dirk S. Bumps in river profiles: Uncertainty assessment and smoothing using quantile regression techniques[J]. Earth Surface Dynamics, 2017,5(4):821-839. |
[13] | 王光朋, 查小春, 黄春长, 等. HEC-RAS模型在汉江上游洪水演进和流量重建中的应用[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2017,45(12):129-137. |
[ Wang G P, Cha X C, Huang C C, et al. Application of HEC-RAS model in flood routing and discharge reconstruction of the upper reaches of Hanjiang River[J]. Journal of Northwest A&F University (Natural Science Edition), 2017,45(12):129-137. ] | |
[14] | 宁聪, 傅志敏, 王志刚. HEC-RAS模型在二维溃坝洪水研究中的应用[J]. 水利水运工程学报, 2019(2):86-92. |
[ Ning C, Fu Z M, Wang Z G. Application of HEC-RAS for the research of 2D dam-break flood[J]. Hydro-Science and Engineering, 2019(2):86-92. ] | |
[15] | Muthusamy M, Rivas Casado M, Salmoral G, et al. A remote sensing based integrated approach to quantify the impact of fluvial and pluvial flooding in an urban catchment[J]. Remote Sensing, 2019,11(5):577. |
[16] | Ogania J L, Puno G R, Alivio M B T, et al. Effect of digital elevation model's resolution in producing flood hazard maps[J]. Global Journal of Environmental Science and Management, 2019,5(1):95-106. |
[17] | 郭海燕, 陈军, 徐沅鑫, 等. 径流汇流模拟的河道高程修正方法研究[J]. 干旱气象, 2019,37(4):676-682. |
[ Guo H Y, Chen J, Xu Y X, et al. Study on method of river course elevation correction to improve accuracy of runoff confluence simulation[J]. Journal of Arid Meteorology, 2019,37(4):676-682. ] | |
[18] | Rangari V A, Sridhar V, Umamahesh N V, et al. Floodplain mapping and management of urban catchment using HEC-RAS: a case study of Hyderabad City[J]. Journal of The Institution of Engineers (India): Series A, 2019,100(1):49-63. |
[19] | Farooq M, Shafique M, Khattak M S. Flood hazard assessment and mapping of River Swat using HEC-RAS 2D model and high-resolution 12-m TanDEM-X DEM (WorldDEM)[J]. Natural Hazards, 2019,97(2):477-492. |
[20] | 俞茜, 陈永灿, 朱德军, 等. 基于DEM数据的河道水动力过程数值模拟[J]. 水力发电学报, 2014,33(3):133-137,157. |
[ Yu X, Chen Y C, Zhu D J, et al. River cross-section extraction from DEM for one-dimensional hydrodynamic modeling[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2014,33(3):133-137,157. ] | |
[21] | 卢敏, 靳甜甜, 尹婧, 等. 少资料河流一维水动力水质模型概化断面参数获取方法[J]. 科技导报, 2017,35(16):74-83. |
[ Lu M, Jin TT, Yin J, et al. Determination of river cross section for 1-D water quality model in area without observation data[J]. Science & Technology Review, 2017,35(16):74-83. ] | |
[22] | 戚晓明, 金菊良, 朱兰保, 等. 河道湖泊地形的数字重构研究[J]. 水利水电技术, 2014,45(9):12-14,18. |
[ Qi X M, Jin J L, Zhu L B, et al. Study on digital reconstruction of terrain of river channel and lake[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2014,45(9):12-14,18. ] | |
[23] | Yamazaki D, Baugh C A, Bates P D, et al. Adjustment of a spaceborne DEM for use in floodplain hydrodynamic modeling[J]. Journal of Hydrology, 2012,436-437(none):81-91. |
[24] | Aiken S J, Brierley G J. Analysis of longitudinal profiles along the eastern margin of the Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Journal of Mountain Science, 2013,10(4):643-657. |
[25] | 张锦明, 郭丽萍, 张小丹. 反距离加权插值算法中插值参数对DEM插值误差的影响[J]. 测绘科学技术学报, 2012,29(1):51-56. |
[ Zhang J M, Guo L P, Zhang X D. Effects of interpolation parameters in Inverse Distance Weighted method on DEM accuracy[J]. Journal of Geomatics Science and Technology, 2012,29(1):51-56. ] | |
[26] | 唐从国, 刘丛强. 基于Arc Hydro Tools的流域特征自动提取——以贵州省内乌江流域为例[J]. 地球与环境, 2006(3):30-37. |
[ Tang C G, Liu C Q. Automatic extraction of watershed characteristicsbased on ArcHydro Tools: A case study of Wujiangwatershed in Guizhou Province, Southwest China[J]. Earth and Environment, 2006(3):30-37. ] | |
[27] | 马珊, 刘昌军, 何秉顺, 等. 温德河流域暴雨洪水时空特征及模拟分析[J]. 水利水电技术, 2019,50(6):78-84. |
[ Ma S, Liu C J, He B S, et al. Analysis on temporal and spatial characteristics of rainstorm and flood simulation in Wendehe Watershed[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2019,50(6):78-84. ] | |
[28] | 要志斌, 周研, 王荣军, 等. 激光轮廓检测技术在镁合金管大曲率热弯工艺中的应用[J]. 热加工工艺, 2019(21):21. |
[ Yao Z B, Zhou Y, Wang R J, et al. Application of laser contour detection technology in hot bending process of magnesium alloy tube with large curvature[J]. Hot Working Technology, 2019(21):21. ] | |
[29] | 胡海松, 罗居刚, 邰洪生, 等. 不同断面形状的河段对整体河道水力特性影响研究[J]. 水利科学与寒区工程, 2018,1(10):19-22. |
[ Hu H S, Luo J G, Tai H S, et al. Study on the influence of different river section shapes on the hydraulic characteristics of the whole river[J]. Hydro Science and Cold Zone Engineering, 2018,1(10):19-22. ] |
[1] | 程建华, 黄孟远, 葛靖宇, 吕嘉正. 基于改进“移去-恢复”算法的海底地形构建方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(3): 377-384. |
[2] | 杨晨, 高鸿, 张丽莹, 胡旭, 俞肇元, 李冬双. 基于张量分解的AoT序列数据有损压缩方法[J]. 地球信息科学学报, 2021, 23(1): 134-142. |
[3] | 刘明杰, 徐卓揆, 郜允兵, 杨晶, 潘瑜春, 高秉博, 周艳兵, 周万鹏, 王凌. 基于机器学习的稀疏样本下的土壤有机质估算方法[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(9): 1799-1813. |
[4] | 王艳杰, 王卷乐, 魏海硕, Altansukh Ochir, Davaadorj Davaasuren, Sonomdagva Chonokhuu. 基于稀疏样点的蒙古国产草量估算方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(9): 1814-1822. |
[5] | 罗竹, 刘凯, 张春亢, 邓心远, 马荣华, 宋春桥. DEM在湖泊水文变化研究中的应用进展[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(7): 1510-1521. |
[6] | 王晓洁, 王卷乐, 薛润生. 基于普查和手机定位数据的乡镇尺度人口空间化方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(5): 1095-1105. |
[7] | 杨艳昭, 郎婷婷, 张超, 贾琨. 基于GIS的“一带一路”地区气温插值方法比较研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(4): 867-876. |
[8] | 张永军, 黄星北, 刘欣怡. 一种地形自适应的机载LiDAR点云正则化TPS滤波方法[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(4): 898-908. |
[9] | 李思进, 代文, 熊礼阳, 汤国安. DEM分辨率对黄土侵蚀沟形态特征表达的不确定性分析[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 338-350. |
[10] | 秦臣臣, 陈传法, 杨娜, 高原, 王梦樱. 基于ICESat/GLAS的山东省SRTM与ASTER GDEM高程精度评价与修正[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 351-360. |
[11] | 王春, 徐燕, 江岭, 赵明伟. 规则格网DEM局地坡面凸凹性精度分析[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 361-369. |
[12] | 赵尚民, 程维明, 蒋经天, 沙文娟. 资源三号卫星DEM数据与全球开放DEM数据的误差对比[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 370-378. |
[13] | 张鑫港, 闫浩文, 张黎明. 一种用于DEM数据认证与篡改定位的感知哈希算法[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 379-388. |
[14] | 赵明伟, 金永林, 江岭, 王春, 杨灿灿, 徐燕. 多模型协同下的城郊地区DEM构建方法研究[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 389-398. |
[15] | 黄楠, 杨昕, 刘海龙. 基于等高线空间关系的鞍部点提取方法[J]. 地球信息科学学报, 2020, 22(3): 410-421. |
|