本文選題：數(shù)字高程模型 + 自適應(yīng)　； 參考：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：基于 DEM進(jìn)行數(shù)字流域河網(wǎng)提取是數(shù)字流域地形分析的核心任務(wù),是分布式模型建立的首要條件,也是地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。人類(lèi)對(duì)流域的認(rèn)識(shí)由來(lái)已久,積累了大量?jī)?yōu)秀的基于坡面徑流模擬的河網(wǎng)提取算法。盡管不同的算法在一定的地形條件下取得了一定的效果,但現(xiàn)有算法大都存在一個(gè)共同的缺陷,就是對(duì)單一的山地或者平原區(qū)域進(jìn)行分析和提取,這在描述真實(shí)地形上的河網(wǎng)時(shí)存在一定的片面性和主觀(guān)性,沒(méi)有考慮山地和平原地區(qū)河網(wǎng)差異性,導(dǎo)致提出的流域河網(wǎng)與實(shí)際情況出現(xiàn)較大的差異。而流域河網(wǎng)的形態(tài)、級(jí)別和密度等特征是由集水面積閩值決定的�，F(xiàn)有的閾值設(shè)定方法很少系統(tǒng)分析集水面積閡值與地形、地貌、地質(zhì)、土壤、降水及植被等氣候下墊面因子間的關(guān)系。在下墊面復(fù)雜的情況下,單一流域集水面積閾值嚴(yán)重影響流域河網(wǎng)分布結(jié)果和河網(wǎng)提取精度。流域河網(wǎng)提取算法復(fù)雜度高且大都為串行實(shí)現(xiàn)的迭代算法,耗時(shí)臣大。計(jì)算效率的限制已經(jīng)成為阻礙流域水系特征提取應(yīng)用的瓶頸之一,如何提高流域河網(wǎng)的執(zhí)行效率也是亟待解決問(wèn)題之一。同時(shí),如何將流域河網(wǎng)與洪水演進(jìn)模型結(jié)合,優(yōu)化河網(wǎng)漫頂洪水演進(jìn)模擬精度；以及如何將其與區(qū)域地球化學(xué)勘查中的水系沉積物布置融合,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的水系沉積物布置,滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用需求也是至關(guān)重要的。因此,論文以研究流域河網(wǎng)在氣象、地球化學(xué)等方面的應(yīng)用為目的,以解決洪水演進(jìn)、水系沉積物布置存在的問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn),通過(guò)對(duì)現(xiàn)有基于坡面徑流模擬法的流域河網(wǎng)提取的分析和優(yōu)化,重點(diǎn)闡述了文中提出的地形自適應(yīng)的高精度流域河網(wǎng)提取模型以及在洪水演進(jìn)和化學(xué)勘查中的應(yīng)用。以DEM數(shù)據(jù)及其派生的多種宏觀(guān)和微觀(guān)地形因子為研究對(duì)象,通過(guò)基于統(tǒng)計(jì)分析的模糊地貌分類(lèi)法,將地形從宏觀(guān)上自動(dòng)劃分為山地和平原兩類(lèi),根據(jù)其地貌特點(diǎn),自動(dòng)篩選最佳流域河網(wǎng)提取算法。平原區(qū)域選擇基于啟發(fā)式信息的多流向算法提取河網(wǎng),山地區(qū)域則采用多流向淹沒(méi)算法提取流域河網(wǎng)。針對(duì)地形自適應(yīng)的流域河網(wǎng)提取模型中的精度要求,結(jié)合不同氣候和下墊面的條件,研究集水面積閾值與流域降水、地形和地表覆被之間的關(guān)系,得到各因子與閾值間的多元線(xiàn)性回歸方程,實(shí)現(xiàn)閾值自主設(shè)定。同時(shí),針對(duì)流域河網(wǎng)的實(shí)時(shí)性要求,將原有串行實(shí)現(xiàn)的算法,結(jié)合計(jì)算機(jī)并行技術(shù),發(fā)展流域河網(wǎng)算法的并行化,在保證算法精度的同時(shí),提高了算法執(zhí)行的效率。最后,將流域河網(wǎng)應(yīng)用到洪水演進(jìn)模擬中,優(yōu)化雙層異步迭代中的水流分配策略,有效地模擬自然地形下的洪水演進(jìn)過(guò)程。此外,將其與區(qū)域地球化學(xué)勘查相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的水系沉積物工作布置方法,減少了人為造成的數(shù)據(jù)誤差,提高了水系沉積物采樣的精度和效率。論文研究成果主要包含以下幾個(gè)方面：1)地形自適應(yīng)的高精度河網(wǎng)提取算法研究論文利用均值變點(diǎn)分析法,同時(shí)借鑒基于統(tǒng)計(jì)分析的模糊地貌分類(lèi)法,將地貌從宏觀(guān)形態(tài)上自動(dòng)劃分為山區(qū)和平原兩種地貌單元。地貌類(lèi)型的自動(dòng)劃分結(jié)果和高低起伏的地貌格局相符,驗(yàn)證了基于最佳地形特征空間的非監(jiān)督分類(lèi)法識(shí)別地形的可靠性。論文為了能更好的模擬水流在坡面上的散漫流動(dòng),發(fā)展基于三角面的最大下坡坡度多流向算法(Triangular Facet Multiple Flow based on maximum downslope gradient,TFM_md)。構(gòu)建四種入工模擬表面DEM,采用SCA對(duì)流向算法精確定量評(píng)價(jià)。相較其他六種通用流向算法,結(jié)果表明TFM_md算法在模擬水流方向和匯流累積量上表現(xiàn)較好且SCA殘差分布較少,獲得較少誤差傳播。因此,基于蘭角面的最大下坡坡度多流向算法能夠充分模擬地表漫流過(guò)程,是一種適當(dāng)、可信的方法。論文根據(jù)地貌劃分的結(jié)果,選擇漳河流域作為研究對(duì)象,采用多流向淹沒(méi)算法(Multiple Flow Direction Flooding Algorithm for River Networks,MFDFN)提取山地區(qū)域流域河網(wǎng)。分別從定性的空間形態(tài)分布和定量的多距離緩沖區(qū)河網(wǎng)評(píng)價(jià)兩方面,將MFDFN算法與其他七種河網(wǎng)提取算法進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：MFDFN算法能形成連續(xù)且具有一定寬度櫥格河網(wǎng),有效地減少了平行河道和偽河道,與實(shí)際地形形態(tài)更加吻合,同時(shí),MFDFN算法在十個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)的緩沖距離標(biāo)準(zhǔn)差為最小值0.58。因此,MFDFN算法提取流域河翔效果較優(yōu)。同時(shí),選擇漢水區(qū)域作為研究區(qū)域,驗(yàn)證提出的基于啟發(fā)式信息的多流向算法(Multiple Flow Direction Heuristic Information Algorithm for River Networks, MFDHN)提取平原區(qū)域流域河網(wǎng)。MFDHN算法弓I入真實(shí)河網(wǎng)數(shù)據(jù),采用啟發(fā)式的預(yù)處理操作和TFM_md算法提取流域河網(wǎng)。選取D8算法和MFDHN算法提取漢水研究區(qū)域的流域河網(wǎng)數(shù)據(jù)。結(jié)果襲明:從空聞分布上,MFDHN算法生成連續(xù)的河網(wǎng),且有效地減少了平行河道和偽河道。因此,論文提出的地形自適應(yīng)流域河網(wǎng)提取算法,提高了流域河網(wǎng)提取的精度,其有明確物理意義。2)綜合DEM數(shù)據(jù)的集水面積閾值設(shè)定研究論文以武漢區(qū)域氣候中心提供的湖北省1975年至2010年年平均降水量和地表植被覆蓋數(shù)據(jù)為樣本,以湖北省1：5萬(wàn)高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以不同下墊免條件下的20個(gè)樣本區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,研究區(qū)域地面坡度、降水、地表植被等因素對(duì)集水面積閾值的影響。采用多元線(xiàn)性回歸分析的方法,確定平均坡度、多年平均降水最和地表植被覆蓋率與集水面積閾值之間的相關(guān)關(guān)系,從而得到三個(gè)關(guān)鍵因子對(duì)集水面積閾值影響的綜合量化指標(biāo)。多因素?cái)M合的線(xiàn)性回歸方程擬合優(yōu)度為0.837,方程的顯著性檢驗(yàn)0.9998,因此整個(gè)回歸方程是顯著的。利用建立的閾值設(shè)定模型,選取典型流域數(shù)據(jù)帶入回歸方程檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于回歸方實(shí)現(xiàn)的集水面積閾值設(shè)置,提取的流域河網(wǎng)與實(shí)際河網(wǎng)形態(tài)一致。因此,文中提出的基于多元線(xiàn)性回歸模型建立的綜合DEM數(shù)據(jù)的集水面積閩值設(shè)定是合理、可行方法。3)發(fā)展流域河網(wǎng)提取算法的并行化論文通過(guò)分析流域河網(wǎng)提取在GPU上實(shí)施的可行性,在串行算法基礎(chǔ)上,提出了基于統(tǒng)一設(shè)備計(jì)算架構(gòu)模型的柵格流域河網(wǎng)提取并行算法�；贑UDA的設(shè)計(jì)思想和編程模式,將串行算法中耗時(shí)集中的流量分配系數(shù)和匯流累積量?jī)蓚�(gè)方面,采用數(shù)據(jù)劃分和異步傳輸策略實(shí)現(xiàn)算法并行化。為評(píng)估并行柵格河網(wǎng)提取算法的性能,選擇漳河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,對(duì)比測(cè)試不同數(shù)據(jù)量DEM在CPU上串行執(zhí)行和GPU上并行執(zhí)行的時(shí)間消耗。結(jié)果表明：流向分配和流域河網(wǎng)提取的計(jì)算耗時(shí)與格網(wǎng)大小呈二次多項(xiàng)式關(guān)系。當(dāng)數(shù)據(jù)最達(dá)到5160×7260時(shí),弗行流向算法的加速比達(dá)到28.4倍,并行流域河網(wǎng)提取的最大加速比達(dá)到56.8倍。因此,流域河網(wǎng)并行算法提高了生成柵格河網(wǎng)的速度,可有效地用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互特征提取。4)流域河網(wǎng)漫頂洪水演進(jìn)模擬算法研究論文結(jié)合實(shí)際地形信息,選擇地形自適應(yīng)的流域河網(wǎng)提取模裂,采用多流向TFM_md算法優(yōu)化雙層異步迭代河網(wǎng)漫頂洪水演進(jìn)中的水量分配策略,模擬洪水的演進(jìn)過(guò)程。通過(guò)多流向雙層異步迭代策略,有效的解決丫單流向均一化迭代導(dǎo)致的洪水演進(jìn)模擬精度問(wèn)題,建立了柵格迭代步長(zhǎng)的自適應(yīng)選擇機(jī)制。以曹水流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)區(qū)域,選取降雨多個(gè)時(shí)次的模擬結(jié)果對(duì)比分析。結(jié)果表明：相較其他算法,多流向雙層異步迭代算法地形敏感度較強(qiáng),在不同時(shí)段總的淹沒(méi)面積與FloodArea算法總體差異較小。因此,多流向雙層異步迭代河網(wǎng)漫頂洪水演進(jìn)算法可以有效地模擬洪水演進(jìn)過(guò)程,能實(shí)時(shí)獲取洪水的淹沒(méi)范圍和水深分布信息,為防汛指揮、風(fēng)險(xiǎn)圖制作、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等提供有力的依據(jù)。5)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的水系沉積物采樣布置方法論文將計(jì)算機(jī)技術(shù)與地球化學(xué)勘查工作領(lǐng)域相結(jié)合。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力,從地球化學(xué)工作布置角度入手,通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn),針對(duì)水系沉積物布置工作,結(jié)合地形自適應(yīng)的河網(wǎng)提取算法,采用等高線(xiàn)曲率法獲取谷地點(diǎn),優(yōu)化河網(wǎng)形態(tài),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的水系沉積物布置方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)比分析手工繪制水系沉積物采樣點(diǎn)和基于地形自適應(yīng)流域河網(wǎng)模型的自動(dòng)化布置的水系采樣點(diǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：自動(dòng)化提取的水系和手工繪制的水系吻合程度較高,兩者采集的水系沉積物采樣點(diǎn)位置差異較小,能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。因此,自動(dòng)化水系沉積物布置方法較傳統(tǒng)的手工采樣布置極大的縮減了耗時(shí),提高水系沉積物采樣的效率。論文創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在：1)引入TFM算法構(gòu)造像元內(nèi)連續(xù)表面,同時(shí)結(jié)合MFD_md算法對(duì)水流分配權(quán)重的優(yōu)化,發(fā)展基于三角面的最大下坡坡度多流向算法(TFM_md)。該算法實(shí)現(xiàn)像元內(nèi)部和鄰域像元間兩級(jí)劃分,水流分配策略影響因素分析全面,物理意義明確。2)提出了地形自適應(yīng)的流域高精度河網(wǎng)提取模型。根據(jù)自動(dòng)劃分的不同的地貌形態(tài)(平原和山地單元),自適應(yīng)的選取適合的數(shù)字流域提取模型,有效地減少了平行河道和偽河道,提高流域河網(wǎng)提取的精度。3)構(gòu)建了基于多因素回歸方程的綜合DEM數(shù)據(jù)的集水面積閾值自動(dòng)選取模型,實(shí)現(xiàn)了快速確定最佳集水面積閾值,為分布式水文模型的產(chǎn)匯流提供參考。4)采用多流向算法(TFM_md)優(yōu)化雙層異步迭代中的水量分配策略,發(fā)展了多流向雙層異步迭代策略的流域河網(wǎng)漫頂洪水演進(jìn)模型,有效地模擬自然地形條件下河網(wǎng)漫頂洪水演進(jìn)過(guò)程。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：P332;P208

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1738440