通過地形指數提取流域自由水蓄水容量空間分布的方法與流程

本發明屬于水文技術領域，具體指的是一種通過地形指數提取流域自由水蓄水容量空間分布的方法。

背景技術：

隨著遙感、地理信息以及數字流域等技術的發展，基于柵格數字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)的分布式水文模型以其充分考慮降雨和下墊面條件空間變化的特點，現已成為流域水文模型的發展趨勢。在分布式水文模型建模時，其主要難點在于如何獲取模型參數的空間分布。為了進一步促進流域水文模型的發展，需要更深入研究參數空間分布的提取方法。

自由水蓄水容量是國內進行產流計算與水源劃分中關鍵的參數。在以DEM柵格為計算單元，采用分布式水文模型的建模方式進行流域產流與分水源計算時，自由水容量空間分布的合理與否對計算結果有著重要影響。然而，目前的確定方法大多具有主觀性和經驗性，不能從參數物理意義的角度通過流域物理特性客觀地確定參數，實際應用中還處于感性居多、理性居少的狀態。此外，現行方法基本都是以集總的方式確定參數，即假定參數在空間上是均勻的，而不考慮自由水容量的空間變異性，不能提取出合理的空間分布，從而限制了這個參數在分布式建模中的應用，不利于國內分布式水文模型的發展。

針對以上不足，如何考慮自由水容量在空間上的變異性，提取其客觀合理的空間分布，正是發明人需要解決的問題。

技術實現要素：

發明目的：本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提出一種利用地形指數提取流域自由水蓄水容量空間分布的方法。

技術方案：本發明提供的利用地形指數提取流域自由水蓄水容量空間分布的方法，包括如下步驟：

步驟1，提取目標流域的DEM柵格數據；

步驟2，利用提取出來的DEM柵格數據計算地形指數柵格；

步驟3，統計地形指數柵格累計曲線，利用地形指數累計曲線與張力水蓄水容量曲線之間的維布爾函數關系計算得到地形指數曲線方程；

步驟4，將地形指數曲線方程與自由水蓄水容量方程聯立，求解出地形指數與自由水蓄水容量之間的函數關系；

步驟5，根據地形指數與自由水蓄水容量之間的函數關系求解出地形指數柵格單元上對應的自由水蓄水容量，從而得到目標流域的自由水蓄水容量空間分布。

具體地，所述步驟1中利用地形信息系統軟件ArcGIS構建地理處理工作流，包括以下步驟：

1.1填洼；

1.2計算流向；

1.3設定流量閾值，計算匯流流量；

1.4確定流域出口站點；

1.5提取目標流域。

具體地，所述步驟2中地形指數計算步驟包括：

2.1由流域DEM數據經過填洼，計算流向，計算匯流得到累計流量柵格Acc；

2.2由流域DEM數據計算得到坡度柵格grad；

2.3由公式計算得到目標流域地形指數柵格。

具體地，所述步驟3中計算地形指數方程的步驟包括：

3.1統計地形指數累計頻率曲線；

3.2利用地形指數累計頻率曲線與張力水蓄水容量曲線所成的維布爾函數關系與張力水蓄水容量方程所組成的方程組解出地形指數曲線方程ln(Ti-Timin+1)＝α×{-ln[(1-a)^1/b-1]｝^1/β；

式中：Wi是單個網格張力水蓄水容量；Wmm是流域最大張力水蓄水容量；Ti為網格單元地形指數值；Timin為流域最小地形指數值；α為反映網格大小的尺度參數；β為形狀參數；a是流域中小于等于Wi的面積比例；b為張力水蓄水容量曲線方次。

具體地，所述步驟4中建立地形指數與自由水蓄水容量函數關系的方法，是地形指數曲線方程與自由水蓄水容量方程聯立，解出地形指數與自由水蓄水容量函數關系：

式中：Si是單個網格自由水蓄水容量；Smm是流域最大自由水蓄水容量；EX為流域自由水蓄水容量方次。

發明原理：本發明的通過地形指數提取流域自由水蓄水容量空間分布的方法具體包括以下步驟：

S1、提取目標流域的DEM柵格數據，利用地形信息系統軟件ArcGIS構建地理處理工作流，其中包括：

1)填洼；

2)計算流向；

3)設定流量閾值，計算匯流流量；

4)確定流域出口站點；

5)提取目標流域。

S2、利用提取出來的DEM柵格數據計算地形指數柵格，地形指數計算步驟包括：

1)由流域DEM數據經過填洼，計算流向，計算匯流得到累計流量柵格(Acc)。

2)由流域DEM數據計算得到坡度柵格(grad)。

3)由公式計算得到目標流域地形指數柵格。

S3、統計地形指數柵格累計曲線，利用地形指數累計曲線與張力水蓄水容量曲線之間的維布爾函數關系計算得到地形指數曲線方程，計算地形指數方程的步驟包括：

1)統計地形指數累計頻率曲線；

2)利用地形指數累計頻率曲線與張力水蓄水容量曲線所成的維布爾函數關系與張力水蓄水容量方程所組成的方程組解出地形指數曲線方程ln(Ti-Timin+1)＝α×{-ln[(1-a)^1/b-1]}^1/β。

S4、將地形指數曲線方程與自由水蓄水容量方程聯立，解出地形指數與自由水蓄水容量函數關系：

S5、根據地形指數與自由水蓄水容量之間的函數關系求解出地形指數柵格單元上對應的自由水蓄水容量，從而得到目標流域的自由水蓄水容量分布。

有益效果：與現有技術相比，本發明根據自由水蓄水容量的物理意義，推求了其與地形指數間的函數關系，進而提取了自由水蓄水容量的空間分布，這樣既保證了計算結果的精度與可靠性，同時解決了無資料地區自由水蓄水容量空間分布的計算問題，且本方法以地形指數為基礎，數據來源穩定可靠，方法中變量之間的函數關系明確，有利于流域自由水蓄水容量的自動化生成，提高了計算效率，考慮自由水蓄水容量在空間上的變異性，從參數物理意義的角度提取了自由水蓄水容量的空間分布，通過數字流域技術以簡化提取步驟，同時，保證了結果的客觀合理性，有利于分布式水文模型的直接調用，可以進一步促進數字水文學以及概念性分布式模型的深入發展。

附圖說明

圖1是本發明的計算流程示意圖。

圖2為本發明計算地形指數柵格的地理信息系統工作流示意圖。

圖3為本發明提取出的流域DEM柵格示意圖。

圖4為本發明計算出的地形指數柵格示意圖。

圖5為本發明中統計出的地形指數頻率曲線示意圖。

圖6為本發明中地形指數與張力水蓄水容量關系曲線示意圖。

圖7為本發明計算出的流域自由水蓄水容量分布示意圖。

圖8為本發明的驗證結果示意圖。

具體實施方式

如圖1至圖8所示，本發明一種利用地形指數提取流域自由水蓄水容量空間分布的方法，包括以下步驟：

S1、利用地形信息系統軟件ArcGIS構建地理處理工作流提取目標流域的DEM柵格數據如圖2，其中包括：

1)填洼；

2)計算流向；

3)設定流量閾值，計算匯流流量；

4)確定流域出口站點；

5)提取目標流域。

S2、利用提取出來的DEM柵格數據計算地形指數柵格，地形指數計算步驟包括：

1)由流域DEM數據經過填洼，計算流向，計算匯流得到累計流量柵格(Acc)。

2)由流域DEM數據計算得到坡度柵格(grad)。

3)由公式計算得到目標流域地形指數柵格。

S3、統計地形指數柵格累計曲線，利用地形指數累計曲線與張力水蓄水容量曲線之間的維布爾函數關系計算得到地形指數曲線方程，計算地形指數方程的步驟包括：

1)統計地形指數累計頻率曲線；

2)利用地形指數累計頻率曲線與張力水蓄水容量曲線所成的維布爾函數關系與張力水蓄水容量方程所組成的方程組解出地形指數曲線方程ln(Ti-Timin+1)＝α×{-ln[(1-a)^1/b-1]｝^1/β。

S4、將地形指數曲線方程與自由水蓄水容量方程聯立，解出地形指數與自由水蓄水容量函數關系：

S5、根據地形指數與自由水蓄水容量之間的函數關系求解出地形指數柵格單元上對應的自由水蓄水容量，從而得到目標流域的自由水蓄水容量分布。

以陜西省黑河流域中的陳河流域為例，研究區DEM原始數據采用美國太空總署(NASA)與國防部國家測繪局(NIMA)聯合提供的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)數據；軟件平臺采用Visual Basic 6.0。

步驟一、提取目標流域的DEM柵格數據。利用地形信息系統軟件ArcGIS構建地理處理工作流(圖2)。，其中包括：

1)填洼；

2)計算流向；

3)設定流量閾值，計算匯流流量；

4)確定流域出口站點；

5)提取目標流域(圖3)。

步驟二、利用提取出來的DEM柵格數據計算地形指數柵格(圖4)，地形指數計算步驟包括：

1)由流域DEM數據經過填洼，計算流向，計算匯流得到累計流量柵格(Acc)。

2)由流域DEM數據計算得到坡度柵格(grad)。

3)由公式計算得到目標流域地形指數柵格。

步驟三、統計地形指數柵格累計頻率曲線(圖5)，利用地形指數累計曲線與張力水蓄水容量曲線之間的維布爾函數關系(圖6)計算得到地形指數曲線方程，計算地形指數方程的步驟包括：

1)統計地形指數累計頻率曲線；

2)利用地形指數累計頻率曲線與張力水蓄水容量曲線所成的維布爾函數關系與張力水蓄水容量方程所組成的方程組解出地形指數曲線方程ln(Ti-Timin+1)＝α×{-ln[(1-a)^1/b-1]}^1/β。

步驟四、將地形指數曲線方程與自由水蓄水容量方程聯立，解出地形指數與自由水蓄水容量函數關系：

步驟五、根據地形指數與自由水蓄水容量之間的函數關系求解出地形指數柵格單元上對應的自由水蓄水容量分布，從而得到目標流域的自由水蓄水容量柵格(圖7)，并且將計算的自由水蓄水容量累計頻率曲線與率定得到的自由水蓄水容量累計頻率曲線作比較(圖8)，以驗證本方法的正確性。

以上詳細描述了本發明的實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。