本發(fā)明屬于水文技術(shù)領(lǐng)域，具體指的是一種通過(guò)地形指數(shù)提取流域自由水蓄水容量空間分布的方法。

背景技術(shù)：

隨著遙感、地理信息以及數(shù)字流域等技術(shù)的發(fā)展，基于柵格數(shù)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(diǎn)，現(xiàn)已成為流域水文模型的發(fā)展趨勢(shì)。在分布式水文模型建模時(shí)，其主要難點(diǎn)在于如何獲取模型參數(shù)的空間分布。為了進(jìn)一步促進(jìn)流域水文模型的發(fā)展，需要更深入研究參數(shù)空間分布的提取方法。

自由水蓄水容量是國(guó)內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算與水源劃分中關(guān)鍵的參數(shù)。在以DEM柵格為計(jì)算單元，采用分布式水文模型的建模方式進(jìn)行流域產(chǎn)流與分水源計(jì)算時(shí)，自由水容量空間分布的合理與否對(duì)計(jì)算結(jié)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(jīng)驗(yàn)性，不能從參數(shù)物理意義的角度通過(guò)流域物理特性客觀地確定參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中還處于感性居多、理性居少的狀態(tài)。此外，現(xiàn)行方法基本都是以集總的方式確定參數(shù)，即假定參數(shù)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(gè)參數(shù)在分布式建模中的應(yīng)用，不利于國(guó)內(nèi)分布式水文模型的發(fā)展。

針對(duì)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(fā)明人需要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種利用地形指數(shù)提取流域自由水蓄水容量空間分布的方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供的利用地形指數(shù)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(biāo)流域的DEM柵格數(shù)據(jù)；

步驟2，利用提取出來(lái)的DEM柵格數(shù)據(jù)計(jì)算地形指數(shù)柵格；

步驟3，統(tǒng)計(jì)地形指數(shù)柵格累計(jì)曲線，利用地形指數(shù)累計(jì)曲線與張力水蓄水容量曲線之間的維布爾函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到地形指數(shù)曲線方程；

步驟4，將地形指數(shù)曲線方程與自由水蓄水容量方程聯(lián)立，求解出地形指數(shù)與自由水蓄水容量之間的函數(shù)關(guān)系；

步驟5，根據(jù)地形指數(shù)與自由水蓄水容量之間的函數(shù)關(guān)系求解出地形指數(shù)柵格單元上對(duì)應(yīng)的自由水蓄水容量，從而得到目標(biāo)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(tǒng)軟件ArcGIS構(gòu)建地理處理工作流，包括以下步驟：

1.1填洼；

1.2計(jì)算流向；

1.3設(shè)定流量閾值，計(jì)算匯流流量；

1.4確定流域出口站點(diǎn)；

1.5提取目標(biāo)流域。

具體地，所述步驟2中地形指數(shù)計(jì)算步驟包括：

2.1由流域DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)填洼，計(jì)算流向，計(jì)算匯流得到累計(jì)流量柵格Acc；

2.2由流域DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到坡度柵格grad；

2.3由公式計(jì)算得到目標(biāo)流域地形指數(shù)柵格。

具體地，所述步驟3中計(jì)算地形指數(shù)方程的步驟包括：

3.1統(tǒng)計(jì)地形指數(shù)累計(jì)頻率曲線；

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

式中：Wi是單個(gè)網(wǎng)格張力水蓄水容量；Wmm是流域最大張力水蓄水容量；Ti為網(wǎng)格單元地形指數(shù)值；Timin為流域最小地形指數(shù)值；α為反映網(wǎng)格大小的尺度參數(shù)；β為形狀參數(shù)；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(shù)與自由水蓄水容量函數(shù)關(guān)系的方法，是地形指數(shù)曲線方程與自由水蓄水容量方程聯(lián)立，解出地形指數(shù)與自由水蓄水容量函數(shù)關(guān)系：

式中：Si是單個(gè)網(wǎng)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(fā)明原理：本發(fā)明的通過(guò)地形指數(shù)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(biāo)流域的DEM柵格數(shù)據(jù)，利用地形信息系統(tǒng)軟件ArcGIS構(gòu)建地理處理工作流，其中包括：

1)填洼；

2)計(jì)算流向；

3)設(shè)定流量閾值，計(jì)算匯流流量；

4)確定流域出口站點(diǎn)；

5)提取目標(biāo)流域。

S2、利用提取出來(lái)的DEM柵格數(shù)據(jù)計(jì)算地形指數(shù)柵格，地形指數(shù)計(jì)算步驟包括：

1)由流域DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)填洼，計(jì)算流向，計(jì)算匯流得到累計(jì)流量柵格(Acc)。

2)由流域DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到坡度柵格(grad)。

3)由公式計(jì)算得到目標(biāo)流域地形指數(shù)柵格。

S3、統(tǒng)計(jì)地形指數(shù)柵格累計(jì)曲線，利用地形指數(shù)累計(jì)曲線與張力水蓄水容量曲線之間的維布爾函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到地形指數(shù)曲線方程，計(jì)算地形指數(shù)方程的步驟包括：

1)統(tǒng)計(jì)地形指數(shù)累計(jì)頻率曲線；

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

S4、將地形指數(shù)曲線方程與自由水蓄水容量方程聯(lián)立，解出地形指數(shù)與自由水蓄水容量函數(shù)關(guān)系：

S5、根據(jù)地形指數(shù)與自由水蓄水容量之間的函數(shù)關(guān)系求解出地形指數(shù)柵格單元上對(duì)應(yīng)的自由水蓄水容量，從而得到目標(biāo)流域的自由水蓄水容量分布。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明根據(jù)自由水蓄水容量的物理意義，推求了其與地形指數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而提取了自由水蓄水容量的空間分布，這樣既保證了計(jì)算結(jié)果的精度與可靠性，同時(shí)解決了無(wú)資料地區(qū)自由水蓄水容量空間分布的計(jì)算問(wèn)題，且本方法以地形指數(shù)為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)來(lái)源穩(wěn)定可靠，方法中變量之間的函數(shù)關(guān)系明確，有利于流域自由水蓄水容量的自動(dòng)化生成，提高了計(jì)算效率，考慮自由水蓄水容量在空間上的變異性，從參數(shù)物理意義的角度提取了自由水蓄水容量的空間分布，通過(guò)數(shù)字流域技術(shù)以簡(jiǎn)化提取步驟，同時(shí)，保證了結(jié)果的客觀合理性，有利于分布式水文模型的直接調(diào)用，可以進(jìn)一步促進(jìn)數(shù)字水文學(xué)以及概念性分布式模型的深入發(fā)展。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的計(jì)算流程示意圖。

圖2為本發(fā)明計(jì)算地形指數(shù)柵格的地理信息系統(tǒng)工作流示意圖。

圖3為本發(fā)明提取出的流域DEM柵格示意圖。

圖4為本發(fā)明計(jì)算出的地形指數(shù)柵格示意圖。

圖5為本發(fā)明中統(tǒng)計(jì)出的地形指數(shù)頻率曲線示意圖。

圖6為本發(fā)明中地形指數(shù)與張力水蓄水容量關(guān)系曲線示意圖。

圖7為本發(fā)明計(jì)算出的流域自由水蓄水容量分布示意圖。

圖8為本發(fā)明的驗(yàn)證結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖8所示，本發(fā)明一種利用地形指數(shù)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(tǒng)軟件ArcGIS構(gòu)建地理處理工作流提取目標(biāo)流域的DEM柵格數(shù)據(jù)如圖2，其中包括：

1)填洼；

2)計(jì)算流向；

3)設(shè)定流量閾值，計(jì)算匯流流量；

4)確定流域出口站點(diǎn)；

5)提取目標(biāo)流域。

S2、利用提取出來(lái)的DEM柵格數(shù)據(jù)計(jì)算地形指數(shù)柵格，地形指數(shù)計(jì)算步驟包括：

1)由流域DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)填洼，計(jì)算流向，計(jì)算匯流得到累計(jì)流量柵格(Acc)。

2)由流域DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到坡度柵格(grad)。

3)由公式計(jì)算得到目標(biāo)流域地形指數(shù)柵格。

S3、統(tǒng)計(jì)地形指數(shù)柵格累計(jì)曲線，利用地形指數(shù)累計(jì)曲線與張力水蓄水容量曲線之間的維布爾函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到地形指數(shù)曲線方程，計(jì)算地形指數(shù)方程的步驟包括：

1)統(tǒng)計(jì)地形指數(shù)累計(jì)頻率曲線；

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

S4、將地形指數(shù)曲線方程與自由水蓄水容量方程聯(lián)立，解出地形指數(shù)與自由水蓄水容量函數(shù)關(guān)系：

S5、根據(jù)地形指數(shù)與自由水蓄水容量之間的函數(shù)關(guān)系求解出地形指數(shù)柵格單元上對(duì)應(yīng)的自由水蓄水容量，從而得到目標(biāo)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?yàn)槔芯繀^(qū)DEM原始數(shù)據(jù)采用美國(guó)太空總署(NASA)與國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合提供的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)數(shù)據(jù)；軟件平臺(tái)采用Visual Basic 6.0。

步驟一、提取目標(biāo)流域的DEM柵格數(shù)據(jù)。利用地形信息系統(tǒng)軟件ArcGIS構(gòu)建地理處理工作流(圖2)。，其中包括：

1)填洼；

2)計(jì)算流向；

3)設(shè)定流量閾值，計(jì)算匯流流量；

4)確定流域出口站點(diǎn)；

5)提取目標(biāo)流域(圖3)。

步驟二、利用提取出來(lái)的DEM柵格數(shù)據(jù)計(jì)算地形指數(shù)柵格(圖4)，地形指數(shù)計(jì)算步驟包括：

1)由流域DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)填洼，計(jì)算流向，計(jì)算匯流得到累計(jì)流量柵格(Acc)。

2)由流域DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到坡度柵格(grad)。

3)由公式計(jì)算得到目標(biāo)流域地形指數(shù)柵格。

步驟三、統(tǒng)計(jì)地形指數(shù)柵格累計(jì)頻率曲線(圖5)，利用地形指數(shù)累計(jì)曲線與張力水蓄水容量曲線之間的維布爾函數(shù)關(guān)系(圖6)計(jì)算得到地形指數(shù)曲線方程，計(jì)算地形指數(shù)方程的步驟包括：

1)統(tǒng)計(jì)地形指數(shù)累計(jì)頻率曲線；

2)利用地形指數(shù)累計(jì)頻率曲線與張力水蓄水容量曲線所成的維布爾函數(shù)關(guān)系與張力水蓄水容量方程所組成的方程組解出地形指數(shù)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(shù)曲線方程與自由水蓄水容量方程聯(lián)立，解出地形指數(shù)與自由水蓄水容量函數(shù)關(guān)系：

步驟五、根據(jù)地形指數(shù)與自由水蓄水容量之間的函數(shù)關(guān)系求解出地形指數(shù)柵格單元上對(duì)應(yīng)的自由水蓄水容量分布，從而得到目標(biāo)流域的自由水蓄水容量柵格(圖7)，并且將計(jì)算的自由水蓄水容量累計(jì)頻率曲線與率定得到的自由水蓄水容量累計(jì)頻率曲線作比較(圖8)，以驗(yàn)證本方法的正確性。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。