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【原】GIS硕士论文模型:GIS技术下流域信息提取与年径流预测模型研究

来源 : 互联网
作者 : 118期刊网
发布时间 : 2019-06-12 15:43:45

第一章绪论


1.1研究的背景和意义

随着科学技术的迅速发展和创新,社会生产越来越依赖科学和资源,特别是工业和农业的进步,更需要可持续发展。面对日益严重的污染和日益脆弱的生态平衡,资源和环境保护和发展问题应成为各国的优先事项。其中,水是人类生活和社会发展的重要资源,但与此同时,淡水资源的不受控制的开采和解决水污染的困难导致水资源短缺。这是一个全球公认的事实,特别是当水资源可以再生时,它也会在很大程度上受到气候的影响。中国的供水不足也存在问题,包括人口众多,地区分布不均,年内差异大的现实。它还包括人为因素,如不合理的规划,严重的浪费和水污染。全面彻底地了解水资源现状,规划和有限的开发利用应成为国家和社会的关键和解决方案(顾宇2010)。排版设计在自然资源的管理和规划中,流域经常被用作水文单位。因此,流域分析的一个重要应用是流域管理方面。流域管理旨在通过协调土地利用,土壤和水以及连接上游和下游区域来组织和规划人类活动(Brooks等,2003)。

实施流域管理计划需要进行能力分析,承载能力分析不仅提供了流域的边界,而且在流域管理计划中提供了极其有用的水文参数。流域分析的另一个主要应用是水文模拟的必要输入数据(Chenet al 2005)。例如,美国陆军工程兵团水文工程中心有一个水文模拟系统(HMS)软件包,通过设置不同的场景来模拟降雨的地表径流过程。该模型所需的一个数据集是一个分水岭模型,包括水文要素的参数和连通性数据,如次盆地,河段和汇流点。这些水文要素可以通过分水岭分析获得。流域分析可生成地形特征,也可用作洪水预报和融雪径流模型的输入数据。洪水预报模型所需的变量包括有效集水区,河流坡度,河流长度和盆地高程;融雪径流模型所需的变量包括盆地的积雪面积和盆地地形要素。本文的研究领域是渭河流域。渭河源于宁夏回族自治区婺源县六盘山的老龙潭。它与陕西省高陵县陈岭滩的渭河相遇。该流域位于东经106°14'~108°42。 '在北纬34°46'和37°19'之间,是渭河的主要支流和黄河的次级支流。它位于黄土高原的中部,大部分属于冀东。渭河干流长455.1公里,流域面积45421平方公里。该流域覆盖陕西,甘肃和宁夏三省。盆地是子午岭,六盘山,秦岭,贺兰山和鄂尔多斯高原的天然分水岭。盆地地形复杂,地貌特征为黄土丘陵,黄土梯田和沉船,山地森林和河流。它具有得天独厚的地理特征,以黄土高原为特征,并具有深厚的黄土层。西北地势较高,东南部地势较低,东南部形成东南向西的趋势。河流也集中在这个方向,水系很复杂。

由于每个支流的深切效果,沟渠遍布整个盆地,地形破碎,土壤侵蚀问题众所周知。随着计算机技术,信息科学,测绘等学科的迅速发展,GIS作为一种能够存储,获取,显示和分析空间数据的计算机系统受到越来越多的关注,并应用于许多领域。数字高程模型(DEM)是在20世纪50年代提出的,并且在科学和技术方面受到了很多关注。在地形描述的描述中,传统的地形图逐渐被它取代

各种方法的优点,精度高,易于自动化,适合定量分析。 DEM包含各种地形结构和特征信息。它是重要的基础数据,广泛应用于许多领域,特别是地形元素和流域系统的提取和分析。 GIS技术的发展和数字高程模型的引入,通过其强大的空间数据处理和分析功能,可以大大提高计算精度,减少计算量。区域降水资料是评价生态环境和水文模拟的重要参数之一。降水的空间分布特征分析对于评价区域生态,水资源,土壤侵蚀,植被分布和生态演化研究具有重要价值。通常降水数据是通过各气象站的独立观测数据获得的,但由于经济,地形,技术等因素,水文站的分布和数量有限,空间布局不一定合理。对于地形复杂的偏远地区来说,数据采集很困难。

因此,当需要研究整个区域的降水分布时,需要使用已知位置的降水数据来对未知或无法获得的数据区域进行空间插值预测。有许多空间插值方法应用于降水预测和预测,它们的优点,缺点和适用性有很大差异。对于不同的地区和情况,没有合适的降水插值模型。因此,根据研究区的降水资料和地形特征选择最佳插值方法非常重要(吴长光等,2010;徐天贤等,2010)。河川径流是水资源综合开发利用,科学管理和优化调度的重要基础。其预测精度对确定项目规模,建筑规模和工程运营计划起着重要作用。中期和长期径流预报系统的难点在于水文系统将降水作为输入和径流作为输出,包括蒸发和汇合等复杂过程,也受地形,地貌,流域等因素的影响。潜在的表面和人类活动,系统具有多种不确定性,如随机性,模糊性和灰度(Han Yong和Wan Shui Ling 2010)。渭河作为西北地区缺水的重要河流,探索其地理特征和降水径流的规律性,对综合流域管理,水资源优化,防洪,防洪具有重要意义。


1.2国内外研究现状

流域是一个集水区,周围是河流或湖泊的分水岭,包括干支流经过的所有区域。在这个区域,地形和河流系统是基本特征。近年来,随着计算机科学和地理信息系统的出现,数字高程模型作为地理信息系统的重要空间信息,在地学分析中发挥了重要作用。降水量是衡量一个地区降水量的指标。降雨和冰融水在重力作用下沿地表或地下流动,这是盆地的重要水文要素。在实践中,研究人员经常将地质统计学方法与地理信息系统相结合,对空间内插气象数据并将点转换为多边形以获得所需信息。径流形成和变化过程与天气系统,潜在地表,人类活动和气候变化密切相关。这些因素基本上是不确定的和时变的,导致径流的复杂和变化,但气候变化。仍然是最重要的因素。从目前的科学技术水平来看,很难准确分析和预测径流变化。自20世纪50年代以来,许多水文模型已应用于国内外流域降水和径流的模拟和预测,但没有进行全面比较。在径流分析和预测以及预测精度的提高方面,仍在积极探索和发展成熟方法。

1.2.1地形特征信息分析

DEM数据是真实世界3D地形的抽象模型。因此,DEM分析不仅可以揭示地形的真实特征,而且可以为相关的地质过程模拟提供基础信息。另外,地形分析产生的各种方法

可应用于其他领域,如降雨分析,土壤污染分析,温度分析等。(周成虎,严2011)。


1.3研究内容和方法........................... 17-18

1.3.1研究内容........................... 17

1.3.2技术路线........................... 17-18

第二章渭河流域概况及数据介绍.............................. 18-22

2.1渭河流域概况.............................. 18-19

2.1.1自然环境概况18

2.1.2流域系统........................... 18-19

2.1.3水文特征........................... 19

2.2数据介绍........................... 19-22

2.2.1 DEM数据........................... 19-20

2.2.2水文气象数据........................... 20-21

2.2.3应用软件........................... 21-22

第三章流域地形信息的提取与分析........................... 22-33

3.1地形可视化表达.............................. 22-24

3.2微地形因子........................... 24-29

3.3宏观地形因子........................... 29-32

3.3.1地形起伏........................... 29-31

3.3.2表面粗糙度........................... 31

3.3.3表面切削深度........................... 31-32

3.4本章摘要........................... 32-33

第四章流域信息提取研究........................... 33-41

4.1水系统信息提取.............................. 33-37

4.2流域分析........................... 37-40

4.2.1河网分类........................... 37-38

4.2.2小集水区生成........................... 38

4.2.3子流域划分和区域提取........................... 38-39

4.2.4影响流域分析的因素........................... 39-40

4.3本章概要........................... 40-41

第5章降水空间插值方法的研究........................... 41-47

5.1空间插值方法........................... 41-44

5.2空间插值结果和降水分析........................... 44-46

5.2.1结果比较........................... 44-45

5.2.2错误分析........................... 45-46

5.3本章摘要........................... 46-47

第六章年径流预报模型研究.............................. 47-59

6.1模型输入数据采集........................... 47-48

6.2 GA-BP神经网络模型预测........................... 48-54

6.3灰色系统模型预测........................... 54-58

6.3.1建模原理和过程........................... 54-55

6.3.2预测结果和试验........................... 55-58

6.4本章概要........................... 58-59


结论


地理信息系统是许多科学领域的学科,在许多水资源领域发挥着重要作用。该技术在水文学中的综合应用使得研究工作得以系统地发展,特别是在数字流域,分布式水文模型,防洪减灾,水资源管理调度和检测评估等方面。从水资源的角度看,GIS可以充分利用地理信息,将地理要素与水文分析相结合,这是未来水文研究发展的必然趋势。本文对渭河流域地形水系统进行了提取和分析。通过多种空间插值方法研究了流域降水的分布规律。利用GA-BP神经网络和灰色系统建立年径流序列预测模型。本文得出以下主要结论,并期待其中的不足之处。

结论在总结研究成果的基础上,本文基于ArcGIS软件平台和SRTM_DEM数据,对渭河流域和河网的地形特征进行了提取和分析。同时,根据流域水文站的多年平均降水资料,采用了四种方法。进行空间插值研究,采用遗传算法优化的BP神经网络和灰色系统模型预测径流变化。

从分水岭的角度出发,在ArcGIS平台上,提取和可视化渭河流域的微观和宏观地形特征。分析表明,大部分盆地中低纬1800m以下,西北高,东南最低,西北向东南逐渐减小,大多集中在800m~1800m之间,实际地形为盆地。比赛。在盆地的大部分区域,坡度小于25°,陡坡和陡坡较少。大多数地形相对平坦,但有许多山谷,其中一些更加坚固。


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