發(fā)布時間：2020-04-06 06:41

【摘要】：DEM數(shù)據(jù)是流域水文分析和模擬的基礎(chǔ),不同來源的DEM數(shù)據(jù)具有不同的精度和分辨率尺度,深刻影響水文分析和水文過程模擬的結(jié)果。論文以鶴壁市湯河上游流域為研究區(qū),以機載LiDAR技術(shù)獲取的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對比SRTM DEM和ASTER GDEM數(shù)據(jù),分析了不同分辨率和不同來源DEM在地形表達因子提取、水文指數(shù)分析和流域特征參數(shù)提取中的差異及產(chǎn)生原因;基于SWAT分布式水文模型,模擬研究了不同分辨率和不同來源DEM數(shù)據(jù)的水文效應(yīng)。主要研究內(nèi)容分為五部分。(1)DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理。論文研究了機載LiDAR數(shù)據(jù)處理的技術(shù)流程,選定了適用于研究區(qū)的點云數(shù)據(jù)粗差去除、濾波和插值等處理方法,完成了研究區(qū)170Km~2LiDAR數(shù)據(jù)處理與DEM構(gòu)建,基于重采樣方法生成了1-100m100種不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)。收集了研究區(qū)的SRTM DEM和ASTER GDEM數(shù)據(jù),為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(2)地形表達因子分析。針對不同尺度和不同來源DEM數(shù)據(jù),分別提取坡度、坡向和高程等地形因子,統(tǒng)計其變化特征。試驗表明,隨著LiDAR DEM分辨率的降低,研究區(qū)坡度均值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差均出現(xiàn)減小。當(dāng)DEM分辨率從1m降低到100m時,平均值的由9.47°變化到4.51°,變化率達52.37%,表明隨分辨率的降低,地形細節(jié)信息丟失,導(dǎo)致坡度統(tǒng)計值降低。而分辨率的變化對高程和坡向的表達影響較小。不同來源DEM數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明,與LiDAR DEM數(shù)據(jù)相比,相同分辨率SRTM DEM數(shù)據(jù)提取的高程值偏大,坡度值偏小,表明該數(shù)據(jù)整體精確度較高,但對地形細節(jié)信息的表達有損失,而ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取的高程值偏小,數(shù)據(jù)精確度偏低,偽地形噪聲嚴(yán)重,導(dǎo)致坡度提取不夠準(zhǔn)確,整體偏高。不同數(shù)據(jù)源對坡向的提取影響很小,平均值相差小于0.15。(3)地形水文指數(shù)分析。論文研究了TWI、SPI和LSF等地形水文指數(shù)提取方法,對比分析了多尺度DEM數(shù)據(jù)提取結(jié)果。結(jié)果表明,DEM分辨率越高,其TWI平均值越小,SPI平均值越大,對地形細節(jié)的表達和對徑流沉積物運移能力的表達越好,而LSF值則是在10m分辨率下最大,描述土壤侵蝕的潛力值最大。不同來源DEM提取結(jié)果顯示,ASTER GDEM與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提取值與LiDAR DEM提取值更接近。(4)流域特征參數(shù)提取分析。對河網(wǎng)水系的提取進行了研究,并對提取的特征參數(shù)進行了對比分析。實驗結(jié)果表明:DEM空間分辨率對流域面積的影響不大,河道長度和河網(wǎng)密度則是隨分辨率的降低而減小。不同來源DEM數(shù)據(jù)實驗表明,與同分辨率下的LiDAR DEM提取的流域面積相比,ASTER GDEM提取的流域面積較小,SRTM DEM提取的偏大,相差分別為3.92km~2和0.11 km~2,這與ASTER GDEM數(shù)據(jù)整體精確度較低,SRTM DEM數(shù)據(jù)整體精確度較高有關(guān)。ASTER GDEM和SRTM DEM提取的河道長度和河網(wǎng)密度均小于LiDAR DEM提取的值。(5)SWAT模型模擬與分析。論文分別建立了基于不同分辨率和不同數(shù)據(jù)源DEM的SWAT流域水文模型,統(tǒng)計分析了蒸散發(fā)、土壤滲漏、地下徑流、地表徑流深等的模擬結(jié)果的變化情況。實驗結(jié)果表明,隨分辨率的降低,坡度值的變小,導(dǎo)致地形濕度指數(shù)變大,進一步導(dǎo)致蒸散發(fā)量增加,地表徑流深減小,而土壤滲漏量和地下徑流量則是先減小后增加,10m處為拐點所在。不同來源DEM數(shù)據(jù)結(jié)果表明,與同分辨率下的LiDAR DEM數(shù)據(jù)相比,ASTER GDEM和SRTM DEM提取的蒸散發(fā)量偏大,提取的地表徑流深、土壤滲漏量和地下徑流量偏小,整體而言,不同分辨率和不同數(shù)據(jù)源都會對SWAT模型模擬產(chǎn)生影響。
【圖文】：

研究區(qū)概況取鶴壁市湯河上游流域作為研究對象。該流域位于鶴壁市鶴山區(qū)和山流域衛(wèi)河上游水系。研究區(qū)位于鶴壁市中部，地處太行山東麓，南北靠安陽市，東接湯陰縣。經(jīng)緯度為東經(jīng) 114°08′45.0″~114°18′33″，′33″~36°00′53″。究區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜多樣，主要以低山丘陵為主，中下游分布河流沖積蓋類型多樣，，包括耕地、房屋建筑區(qū)、水體、草地、喬木林、灌木地等土地利用類型。研究區(qū)屬于北溫帶大陸性氣候，淺山丘嶺地貌。常年四季分明，光照暖，年平均氣溫在 14℃左右，無霜期大概為 220 天；年日照時數(shù)平均日照率為 53.2%；屬西北高、東南低地勢，海拔高度為 150m-400m為湯河和凌河，兩河流在東部的湯陰縣境內(nèi)匯合后流入了衛(wèi)河。區(qū)，土層深厚。如圖 2-1 所示為研究區(qū)位置。

機載 LiDAR 系統(tǒng)是以飛機為載體的機載激光探測系統(tǒng)，其原理為：裝在飛的激光器向地面發(fā)射脈沖信號，測量脈沖往返回激光系統(tǒng)的準(zhǔn)確時間，聯(lián)合器的高度、激光的掃描角度、在 GPS 中讀取的激光器位置、從慣性導(dǎo)航系統(tǒng)取的激光發(fā)射方向等，就可以快速、準(zhǔn)確的計算出地面每個光斑的坐標(biāo)，從得高精度的三維數(shù)據(jù)。與其他遙感技術(shù)相比，機載 LiDAR 系統(tǒng)具有自動化程、生產(chǎn)周期短、精度高、受天氣影響小等技術(shù)優(yōu)點，是目前能夠快速獲取地維空間信息和影像的航空遙感系統(tǒng)。機載 LiDAR 又被稱為機載激光雷達，是激光探測和測距系統(tǒng)的簡稱[54]。 LiDAR 系統(tǒng)是近年來發(fā)現(xiàn)的高新技術(shù)系統(tǒng)之一[55]，可生成地球表面和三維數(shù)據(jù)。機載激光測圖系統(tǒng)由三部分組成，即激光測距優(yōu)化儀、高精度慣性參統(tǒng)（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS），其工作流程如圖 2-2 所示。機載 LiD以生成數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字城市模型（DC]。LiDAR 數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)后處理兩個階段[57-61]。
【學(xué)位授予單位】：河南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P333

【參考文獻】

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本文編號：2616160