基于栅格DEM的多流向算法述评

基于栅格DEM的流向算法是数字地形分析的重要研究内容之一。在分布式水文模型、土壤侵蚀等领域中,当需要获取与流向直接相关的水文参数(如汇流面积、地形指数等)的详细空间分布时,多流向算法(MFD)明显优于单流向算法(SFD)。根据所采用的水流分配策略,将现有MFD分为四类:(1)固定水流分配权重的MFD;(2)水流分配权重随汇流面积变化的MFD;(3)水流分配权重随局域地形特征变化的MFD;(4)基于局域形态单元的MFD。从模型合理性、算法复杂度和易用性、对DEM误差的敏感性等方面进行的分析表明,水流分配权重随局域地形特征变化的MFD优于其他三类MFD。目前对MFD采用人造DEM数据集的直接定量评价研究还十分不足,文章以一个例子来体现直接定量评价MFD的可行性及有效性,同时也定量反映出水流分配权重随局域地形特征变化的MFD具有更低的计算误差。目前通用的针对流向算法的DEM洼地平区预处理算法多针对SFD而设计,不适合MFD的实际应用,本文对适用于MFD的DEM预处理算法所应具有的特征也进行了讨论。

水流分配策略随下坡坡度变化的多流向算法

提出了一种新的多流向算法方法(MFD-fg),其基本思想是水流分配策略应在空间上随着与下坡坡度相关的地形参数而变,从而地形对水流分配的影响可以得到合理、有效的建模。比较分析表明,MFD-fg采用以最大下坡坡度的线性函数对水流分配进行加权,是较好的水流分配策略。应用实验表明,与目前具代表性的单流向算法与多流向算法相比,MFD-fg方法的结果可获得更合理的汇流面积。

地形指数若干计算方法探讨

根据地形指数的物理意义,论述了3种地形指数ln(a/tanβ)的计算方法:单流向法、多流向法和改进的多流向法.在对它们进行较为深入分析的基础上,着重检验了改进的多流向法的计算效果.研究结果表明,改进的多流向法更加符合地形指数的物理意义,可以更好地反映地形对流域汇流的影响,为地形指数的计算提供更可靠的依据.

小流域尺度土壤水分与地形湿度指数的相关性分析

以陕北黄土高原为实验样区,考虑到流向的计算方法会对计算地形湿度指数产生影响,因而采用单流向算法和多流向算法计算得到地形湿度指数,将地形湿度指数和实测土壤水分数据进行叠加,据此分析土壤水分与地形湿度指数的相关性。同时对比分析单流向算法和多流向算法计算得到的地形湿度指数质量的优劣,提出了利用地形湿度指数模拟土壤水分的最佳流向算法。

平缓地区地形湿度指数的计算方法

地形湿度指数(topographic wetness index)可定量模拟流域内土壤水分的干湿状况,在流域的土壤及分布式水文模型等研究中具有重要的意义。但现有的地形湿度指数计算方法在应用于地形平缓地区时会得到明显不合理的结果,即在河谷地区内,地形湿度指数仅在狭窄的汇水线上数值较高,而在汇水线以外的位置则阶跃式地变为异常低的地形湿度指数值。本文针对此问题对地形湿度指数的计算方法提出改进:以多流向算法MFD-fg计算汇水面积,相应地以最大下坡计算地形湿度指数,再基于一个正态分布函数对河谷平原地区内的地形湿度指数进行插值处理。应用结果表明,所得地形湿度指数的空间分布不但能合理地反映平缓地区坡面上的水分分布状况,并且在河谷地区内地形湿度指数值也都比较高,其空间分布呈平滑过渡,因而整个研究区域的水分分布状况得到了比较合理的反映。

TOPMODEL中地形指数ln(α/tanβ)的新算法

TOPMODEL中地形指数ln(α/tanβ)被用来近似表征流域径流源面积和地下水水位的空间分布特征,目前广泛使用的计算地形指数的方法为多流向算法(FD8算法)。本文首先介绍了多流向算法的基本原理,并基于此对流动累积分配中的有效等高线长度精确计算提出了几何锥面内切圆算法,同时改进了传统的地形指数中单位等高线汇流面积α的计算方法,增强了多流向算法对DEM中异常栅格的处理能力。改进后的地形指数新算法在两个不同流域和不同分辨率DEM上与传统多流向算法进行了对比分析。结果表明新算法在原理上更符合地形指数物理意义,实际应用中其计算结果更准确。这种地形指数新算法的提出对于流域水文过程机理分析及陆面过程定量化研究具有一定的现实意义。

基于改进型多流向算法的地形指数空间尺度变化分析

地形指数ln(α/tanβ)是流域径流源面积和地下水水位空间分布特征的近似表征,是地形特征参数化的重要指标。基于改进后的地形指数多流向计算方法,在0.5°×0.5°的区域气候模式尺度框架下,探讨了地形离散和平滑效应分别对地形指数尺度变化的影响程度;研究了地形指数在100和1 000 m栅格尺度上的相关性,给出两者在空间尺度上的转换关系;分析区域尺度和全球尺度下地形指数尺度转换的差异及原因。研究结果可以增强地形信息在大尺度水文模型及陆面水文过程中的适用能力。

基于局部地表形态的可变过水宽度多流向算法

流向是地形分析中的重要内容之一,在分布式水文模型等研究中起着重要作用。文章提出基于局部地表形态的多流向算法,即对每一个DEM栅格,在以其为中心的3×3窗口中进行局部地形分析,确定基于随坡度和过水宽度而变化的水流分配系数。该方法被应用在实际数字地形模型上,并以汇水面积和比汇水面积为研究指标,与目前流行的D8、Dinf等算法进行了相似性分析。结果表明,该方法能够获得更为符合实际的水流汇集的空间分布。

基于多流向算法的数字河网自动提取系统研究

从DEM数据中自动提取流域数字河网结构是分布式水文模型研究的基础。由于DEM数据中存在误差数据,这些误差数据的存在会影响面状水体提取的准确度。文章详细论述了基于多流向算法的面妆水体提取过程中面状水体与伪洼地的识别、多流向算法、集水面积计算、面状水体提取等关键技术,文章提出的面状水体提取方法可为进一步开发分布式水文模型提供技术基础。

并行化多流向策略的栅格河网提取算法

流域栅格河网提取是数字地形分析的一个重要应用。为减少数字高程模型(DEM)预处理而产生的伪河道及平行河道,提出基于并行化多流向策略的栅格河网提取算法。通过水流传输矩阵模拟水量的自然流动过程,可直接应用于原始DEM。从河网空间形态和算法运行效率两方面与串行MFD算法、R&N算法及D8算法进行对比,结果表明,多流向策略得到的河网与实际地形形态更加吻合,使用并行策略后,算法的效率比也较其他算法有明显提升。

局部曲面正切曲率与流线曲率的水流路径算法

在局部特殊地形如细窄的沟渠等地带,水流方向可能是惟一的,即当前点的水应全部流入下游惟一的格网点,此时若采用多流向算法不仅会导致水流方向产生较大误差,而且可能影响区域汇水面积的精确计算。为解决此问题,本文提出了一种水流路径算法,该算法通过以各格网点为中心建立3×3窗口范围内的局部趋势面,利用该点在局部趋势面中的正切曲率和流线曲率选取合适的单流向或多流向算法来确定并计算该点的水流流向及流量分配比例。最后通过实例证明了该方法在水流累积量计算中的良好效果,并在一定程度上为格网DEM沟谷段和分水线段的提取奠定了基础。

栅格地理计算并行算子对区域计算算法并行化的可用性分析——以多流向算法为例

栅格地理计算并行编程库的研发有助于实现对栅格地理计算算法的并行化。在现有的研究中,Qin等(2014)设计并初步研发的栅格地理计算并行算子(Pa RGO),在设计思路上能较好地隐藏与并行编程软硬件环境相关的复杂细节,实现栅格地理计算通用步骤的并行化,且较其他类似思路的编程库而言,Pa RGO能兼容多种常用的并行计算平台,具有明显优势。但Pa RGO目前在设计上仅直接支持本地、邻域及全局计算特点的栅格地理计算算法并行化,对于更为复杂的区域计算特点算法并行化的支持能力尚未探究。对此,本文选取栅格数字地形分析中具有区域计算特点、递归设计的多流向算法为算例,利用Pa RGO进行并行化设计、实现及测试,以计算时间、相对加速比和相对并行效率为定量指标。通过可运行性和并行性能进行评价,结果表明:Pa RGO虽然不能直接支持对递归的多流向算法进行并行化,但在根据多流向计算的原理将该递归算法转变为非递归的设计之后,可将算法由原区域计算改造为邻域迭代计算,就能利用Pa RGO实现并行化,并得到较好的并行效果。在集群环境下,MPI版本并行程序的并行效果优于MPI/Open MP混合版本。