大规模河网提取方法与河流结构规律

发布时间：2017-03-24 22:12

  本文关键词：大规模河网提取方法与河流结构规律，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：承载物质与能量输移的河流系统是气象、水文、生态与地貌等相关研究的重要载体,其基本属性、结构特征及其几何参数直接影响流域的水文-生态过程。随着DEM(Digital Elevation Model)数据栅格分辨率的提高,传统河网提取算法逐渐不能满足数十亿栅格的计算效率要求,而现有的河流结构规律的研究也存在河网精确度、河网规模和样本代表性等方面的诸多局限。因此,开展流域河网的提取方法研究,探索河流结构特征与几何规律,具有重要的研究意义。为了解决高分辨率DEM栅格数据规模带来的河网提取效率和准确性问题,本文在现有河网提取算法的基础上,引入节点大小平衡二叉树,建立高效的大规模高精度河网的提取方法,并通过实际案例分析了算法的计算性能,提取河网的可靠性和完整性。为了有效地管理高精度河网数据,本文基于河流分级方法,提出了从低层河网生成高层河网并构建河网金字塔的分层管理方法,以及适用于全球河网的编码体系。本文将上述方法应用于全球范围内的大多数河流,获得了高精度数字河网产品-Hydro30数据集。为了进一步描述复杂河流的结构规律及其局部特征,本文基于建立的河网分层方法,通过提取分层河网的层次拓扑信息,定义河流结构的基本单元并构建单元金字塔,提出了河流结构的层次描述方法。为了研究河流的拓扑与几何结构规律,本文基于获取的Hydro30数据集选取了具有代表性的127条大型河流样本,统计了传统描述方法中的6个结构参数以及层次描述方法中单元金字塔的8个结构参数分布,发现所选127条河流均具有一致的结构特征并且满足一般性的规律。研究表明,河流的结构遵守以长度、面积、坡度和角度等因素为代表的特定拓扑规律和几何规律。本文建立的大规模河网提取算法,海量河网数据分层管理方法、相应的全球范围高精度河网Hydro30数据集,以及揭示的河流拓扑与几何结构一般性规律,为流域水文过程模拟、水资源管理与河道生态修复等研究提供了重要的基础数据支撑,也为进一步探索自然界河流结构的内在本质及其成因研究提供了科学依据。
【关键词】：流域 河网提取 DEM数据 层次结构 几何规律
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P333
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-26
• 1.1 选题背景与研究意义9-10
• 1.2 河网提取方法与数据管理研究进展10-16
• 1.2.1 河网提取方法10-13
• 1.2.2 河网分层管理13-15
• 1.2.3 河网编码方法15-16
• 1.3 河流结构规律研究进展16-21
• 1.3.1 河流分级方法16-18
• 1.3.2 河流结构参数规律18-20
• 1.3.3 河流的自相似性20-21
• 1.4 问题的提出21-22
• 1.5 研究内容与技术路线22-26
• 1.5.1 研究目标22
• 1.5.2 研究内容22-24
• 1.5.3 研究技术路线24-26
• 第2章 基于节点大小平衡二叉树的河网提取方法26-56
• 2.1 河网提取方法框架26-27
• 2.2 基于节点大小平衡二叉树的填洼预处理方法27-31
• 2.2.1 节点大小平衡二叉树27-29
• 2.2.2 基于节点大小平衡二叉树的填洼预处理29-31
• 2.3 基于最优汇流路径的栅格流向判断方法31-33
• 2.4 基于栅格序列编号的上游集水面积累计方法33-34
• 2.5 基于阈值和参数检测的河道识别以及河网建立方法34-36
• 2.6 基于图形搜索算法的河道与边界要素矢量化方法36-37
• 2.7 基于坡面栅格划分的地形参数统计方法37-40
• 2.8 河网提取方法的案例分析40-46
• 2.8.1 算法性能分析40-42
• 2.8.2 多源数据分析42-44
• 2.8.3 提取的河网完整性分析44-46
• 2.9 全球河网的提取技术46-55
• 2.9.1 全球河网的提取流程46-51
• 2.9.2 河网提取的其他技术细节51-55
• 2.10本章小结55-56
• 第3章 高精度河网的分层管理和编码方法56-88
• 3.1 高精度河网的分层管理方法56-72
• 3.1.1 基本概念与定义56-59
• 3.1.2 分层过程中的四类河段合并操作59-61
• 3.1.3 分层过程中的河段入汇情景分析61-63
• 3.1.4 分层方法的实现过程63-64
• 3.1.5 河段合并操作中的矢量要素更新与地形参数计算64-72
• 3.2 河网分层管理方法的案例分析72-78
• 3.2.1 黄河皇甫川流域的分层方法示例72-73
• 3.2.2 长江全流域的分层方法示例73-76
• 3.2.3 基于地图数据服务的分层方法对比测试76-78
• 3.3 全球河网的编码体系78-87
• 3.3.1 河网二叉树编码方法78-81
• 3.3.2 河网金字塔编码方法81-84
• 3.3.3 全球河网分区编码方法84-87
• 3.4 本章小结87-88
• 第4章 河流结构的层次描述方法及其拓扑与几何规律88-140
• 4.1 河流结构的层次描述方法88-97
• 4.1.1 河段入汇的四种基本形式88-89
• 4.1.2 河流结构的基本单元89-92
• 4.1.3 河流结构的层次分解92-94
• 4.1.4 河流结构的单元金字塔94-97
• 4.2 河流结构的代表性参数选取97-99
• 4.3 河流结构规律研究的样本选取99-100
• 4.4 传统描述方法中的河流结构参数100-122
• 4.4.1 河流分叉比100-104
• 4.4.2 河流河长比104-108
• 4.4.3 河流面积比108-111
• 4.4.4 河流密度比111-114
• 4.4.5 河流坡度比114-117
• 4.4.6 河流落差比117-121
• 4.4.7 小结121-122
• 4.5 层次描述方法中的河流结构参数122-139
• 4.5.1 单元金字塔中四种河段入汇形式的比例分布122-123
• 4.5.2 单元金字塔中基本单元的比例分布123-133
• 4.5.3 基本单元的几何结构参数的分布133-138
• 4.5.4 小结138-139
• 4.6 本章小结139-140
• 第5章 结论140-144
• 5.1 主要研究内容140-142
• 5.2 主要创新点142-143
• 5.3 研究展望143-144
• 参考文献144-154
• 致谢154-156
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果156-157

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本文编号：266257