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基于不同分辨率DEM数据提取流域边界的差别研究.rar

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    基于 不同 分辨率 DEM 数据 提取 流域 边界 差别 研究
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    编号:09009410615南阳师范学院 2013 届毕业生毕业论文(设计)题 目:基于不同分辨率 DEM 数据提取流域边界的差别研究 完 成 人: 胡明玉 班 级: 2009-06 学 制: 4 年 专 业: 测绘工程 指导教师: 戚鹏程 完成日期: 2013-04-25 目 录摘要 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)0 引言 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (1)1 研究区概况 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)2 数据的获取 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (2)3 研究方法 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.1 流域边界提取基本原理 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.2 流域边界提取的步骤∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.2.1DEM 预处理∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (3)3.2.2 水流的方向计算∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (8)3.2.3 流量累积量计算∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (9)3.2.4 选择出水点操作 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (11)3.2.5 流域提取操作 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (12)3.3 提取的丹江流域准确性验证 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (12)3.3.1 影像校准∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (13)3.3.2 汉江流域边界的矢量化 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (13)3.3.3 丹江流域与汉江流域边界的吻合度的比较 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (14)3.4 不同分辨率的 SRTM DEM 数据对丹江流域进行提取的比较分析 ∙∙∙ (15)4 讨论与分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (18)5 结论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (19)参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (19)Abstract ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ (20)第 0 页 (共 21 页)基于不同分辨率 DEM 数据提取流域边界的差别研究作 者:胡明玉指导老师:戚鹏程摘要:从数字高程模型(Digital Elevation Models,DEM)直接提取河网及相关流域信息,是分布式水文模型开发与应用的基础。本篇论文的研究目的是通过分辨率较高且在我国境内较容易获取的 SRTM DEM数据对丹江流域进行提取从而为南水北调水源水质的科学管理提供参考意见。论文中利用ArcGIS/Hydrology的水文分析功能实现丹江流域提取的具体步骤,从相关地理知识上来看本篇论文所提取的丹江流域边界基本上是合理的。由于在我国境内获取的是 90m分辨率的 SRTM,利用该分辨率的 SRTM数据在使用 ArcGIS进行流域边界的提取操作时处理速度太慢,所以我们可以进一步探究基于不同分辨率的 SRTM数据对丹江流域进行提取的结果有什么不同的影响,实验表明适当降低DEM的分辨率对于流域提取结果的准确性影响并不是十分明显而且能大大缩短操作的时间。关键词:SRTMDEM;丹江;流域提取;不同分辨率0 引言DEM(Digital Elevation Models)是通过有限的地面高程数据实现对地形曲面的数字化模拟或者说是地形表面的数字化,它具有便于存储、更新、传播和处理等许多优点。基于 DEM 可以方便进行坡度、坡向、水域提取和流域提取。集水流域是指水流及其他物质流向出口的过程中所流经的区域,即流向集水出口的水流所流经的整个地区。ArcGIS 软件提供的水文分析模块主要用于流域的提取与实现。目前在对于流域边界提取的研究中常用的数据有 SRTM DEM、ASTER GDEM 和 GTOPO 30。SRTM DEM 是目前全球范围内可用的具有较高分辨率的地形数据。一般来说对流域边界进行提取的方法有:1.通过对水系进行野外测量获取;2.通过在地形图上进行量测和分析来提取水体边界。显然,这两种方法都比较复杂,需要花费大量的人力和物力 [1]。随着地理信息技术和空间技术的迅速发展和广泛应用,从 DEM(数字高程模型)中提取水域边界是当今 GIS 空第 1 页 (共 21 页)间分析领域中的一个重要方面。本文以丹江流域为例研究基于 DEM 提取流域边界的问题。丹江是南水北调的源头,南水北调中线工程是国家重点工程项目,其建设目的就是为了保证华北地区(特别是京津唐地区)的生活、生产用水。高效、准确的获取该流域的边界对于南水北调水源区的科学管理有着重要意义 [2]。本研究之目的即是探索 DEM 空间分辨率对于提取该流域之边界的影响。1 研究区概况丹江是汉江的最大支流。丹江流域是南水北调中线工程水源区的重要组成部分。丹江发源于陕西省南部秦岭中段,流经伏牛山脉南麓,途径陕西省的商州、丹凤、商南县、河南省的淅川县后汇入在湖北省丹江口水库注入汉江,丹江河流域位于东经 109°30’~112°00’ ,北纬 32°30’~34°10’之间。河流方向自西北向东南方向而去,地势东低西高,丹江流域面积 16812km2,全长443 公里,干流全长 287km,其中在陕西省境内长 243.5km,河南省境内长 44km,全部为山区河道 [3]。该区域属亚热带季风气候,温湿润,水份比较丰沛,年降水量 800 mm 以上 [4] ,年内分配不均,丹江流域多年平均径流量为 8.2 亿立方米,受季节性气候变化的影响,径流的年内分配不均,枯水期河水主要靠地下水补给,流量小而稳定,洪水期流量变化较大,5~10 月径流量占全年 75%左右,年际变化较大,最大年径流量 16.3 亿立方米,是最小年径流量(2.6 亿立方米)的 6~7 倍,是长江各大支流中变化最大的河流。2 数据的获取本篇论文中基于 SRTM DEM 数据对丹江流域边界进行提取。SRTM数据是由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的,SRTM 的全称是 Shuttle Radar Topography Mission,即航天飞机雷达地形测绘使命,2000 年 2 月 11 日上午 11 时 44 分,美国“奋进”号航天飞机在佛罗里达州卡那维拉尔角的航天发射中心发第 2 页 (共 21 页)射升空, “奋进”号上搭载的 SRTM 系统进行了 222 小时 23 分钟的数据采集工作,获取了北纬 60 度至南纬 56 度之间,面积超过 1.19亿 km2的 9.8 万亿字节的雷达影像数据,覆盖全球陆地表面的 80%以上,该计划共耗资 3.64 亿美元,获取的雷达影像数据经过两年多的处理,制成了数字地形高程模型,该测量数据覆盖中国全境。SRTM DEM 数据每经纬度方格提供一个文件,精度有 1 arc-second 和 3 arc-seconds 两种,称作 SRTM1 和 SRTM3,或者称作 30M和 90M 数据,SRTM1 的文件里面包含 3601*3601 个采样点的高度数据,SRTM3 的文件里面包含 1201*1201 个采样点的高度数据。目前能够免费获取中国境内的 SRTM3 文件,是 90 米的数据,每个 90 米的数据点是由 9 个 30 米的数据点算术平均得来的 [5-10]。3 研究方法3.1 流域边界提取基本原理流域边界提取基本原理:以规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个单位的水量,按照自然水流从高往低处的自然流律,根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值,根据汇流能力采用阀值法确定河流网络,根据出水点,即该集水区的最低点,然后结合水流方向,分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格,一直搜索到流域的边界。3.2 流域边界提取的步骤利用 ArcGIS Hydrology Tools 提取流域特征主要分为以下几步[11-16]:(1)DEM 预处理:实际地形由于存在真实的洼地,或因数据精度问题也会产生假的洼地,这样便会影响自然水流的正常流动。为了保证自然水流的正常流动,需要进行填洼处理,DEM 中任何认为或自然的洼地都必须用填洼功能进行处理去除洼地。洼地填充是一个不断反复的过程,直到所有的洼地都被填平、新的洼地不再产生为止。由于一幅影像不能完全包含丹江流域,所以我们需要对(srtm_59_05.tif,srtm_59_06.tif,srtm_59_05.tif,srtm_59_06.tif)四幅影像进行拼接处理。而且由于 SRTM DEM 的投影方式是第 3 页 (共 21 页)UTM/WGS84,是一种球面坐标且以度为单位,所以我们还需要对SRTM DEM 数据进行投影变换,选择的投影是 WGS1984 UTMZONE 49N。又由于丹江地区的图像数据量太大,所以我们进行 Extract by Mask 处理。栅格图像的拼接:在 ArcGIS 的 ArcTools 中选择 Data Tools/Raster/Mosaic To New Raster 工具打开后将四幅影像输入并进行拼接。图像的投影变换:在 ArcTools 中选择 Data Management Tools/Projections_And_Transformations/Raster/Define_Projection 工具打开后在 Input DataSet Or Feature Class 中输入拼接后的丹江地区的栅格图像,然后点击 Coordinate System 选择Select/Project Coordinate System/UTM/UTM WGS1984 UTMZONE 49N,便可进行投影变换。投影变换后可在 Spatial Reference Properties 中查看 WGS 1984 UTM_Zone 49N 的参数如表 1 所示。表 1 投影变换后的投影参数Projection Transverse_MercatorFalse_Easting 500000.000000False_Northing 0.000000Central_Meridian 111.000000Scale_Factor 0.999600Latitude_Of_Origin 0.000000Linear_Unit Meter (1.000000)Geographic_Coordinate_System GCS_WGS_1984Angular Unit Degree (0.017453292519943299)Prime Meridian Greenwich(0.000000000000000000)Datum D_WGS_1984第 4 页 (共 21 页)Spheroid WGS_1984Semimajor_Axis 6378137.000000000000000000Semiminor_Axis 6356752.314245179300000000Inverse_Flattening 298.257223563000030000拼接后经投影变换的丹江地区的 DEM 图像如图 1 所示。第 5 页 (共 21 页)图 1 投影变换后的丹江地区的 DEM 图像由于丹江地区的图像数据量太大,在进行填洼操作之前,我们进行 Extract by Mask 处理,将丹江流域地区的范围大致提取出来(依据地理常识) 。掩膜操作:打开 ArcGIS 的 ArcCatalog 在该界面中新建一个第 6 页 (共 21 页)ShapeFile 文件,由于我们研究的是对丹江流域地区大致提取所以该文件的类型是 Polyon 的面状。再打开 ArcGIS 的 ArcTools 选择Spatial Analysis Tools/Hydrology/Extract by Mask 在 Input raster Or Feature mask data 中放入在 ArcCatalog 界面中新建的ShapeFile 面状文件。掩膜处理后的丹江地区的 DEM 图像如图 2 所示。图 2 经裁剪后的丹江地区的 DEM 图像填洼操作:在 ArcTools 中选择 Spatial Analysis Tools/Hydrology/Fill 输入掩膜处理后的丹江流域的 DEM 影像,一般进行两到三次填洼操作即可,可用 Raster Calculation 工具进行检查,如图 3、4 所示。 (用经三次填洼后的图层图像减上一次填洼的图层图像,直至两幅图像的相减结果为零说明填洼已经完成。如图 4 说明填洼工作已经完成。 )第 7 页 (共 21 页)图 3 第一次填洼减原始 DEM 的图层图像图 4 第三次填洼减第二次的图层图像
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