GIS硕士论文范文：GIS技术下的流域水系信息提取和年径流预测模型研究

第一章 绪 论

1.1 研究的背景与意义
随着科学技术的迅速发展创新，社会生产越来越依靠科学和资源，尤其是工业和农业的进步，更需要可持续发展，面对如今污染日趋严重、生态平衡越发脆弱的现状，资源和环境的保护开发问题应是各国关注的重中之中。这其中，水是人类生活和社会发展的必备资源，但同时淡水资源的无节制开采、水污染解决困难等问题都导致了水资源的紧缺，这是全球公认的事实，特别是水资源虽然可以再生，但也很大程度上会受到气候影响，各地域差异较大。我国也存在着供水不足的问题，这其中有人口众多、地区分配不均、年内年际差异较大的现实状况，也包括规划不合理、浪费严重和水源污染等人为因素。全面彻底了解水资源现状，有计划、有限度地开发利用，应成为国家和社会重点关注和解决的问题（顾昊 2010）。在自然资源的管理和规划中，经常用流域作为水文单元。因此，流域分析的一个重要应用是流域管理方面。流域管理通过协调土地利用、土壤和水以及连接上下游区域之间的关系，达到组织和规划人类活动的目的（Brooks et al 2003）。
实行流域管理计划要求进行承载力分析，而承载力分析不仅可以提供流域的边界，而且提供流域管理计划中极为有用的水文参数。流域分析另一个主要应用是作为水文建模的必要输入数据（Chenet al 2005）。例如，美国陆军工程兵团水文工程中心有一个水文建模系统（HMS）软件包，通过设定不同情景，模拟降雨的地表径流过程。该模型所需的一个数据集是流域模型，包括子流域、河段、汇流点等水文要素的参数和连通性数据。这些水文要素都可以通过流域分析而获得。流域分析生成地形要素，还可作为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、河道坡度、河流长度和流域高程；融雪径流模型所需的变量包括流域内积雪覆盖面积和流域地形要素。本文研究区为泾河流域，泾河发源于宁夏回族自治区泾源县六盘山东麓的老龙潭，在陕西高陵县陈家滩与渭河相汇，该流域在东经 106°14′～108° 42′，北纬 34°46′～37°19′之间，是渭河的一级支流、黄河的二级支流，位于黄土高原中部，绝大部分地区属于陇东。泾河干流全长 455.1km，流域面积 45421 km2，流域涉及陕甘宁三省。该流域以子午岭山系、六盘山脉、秦岭山脉、贺兰山和鄂尔多斯高原为天然分水岭。流域内地形复杂，地貌特征有是黄土丘陵、黄土台塬和残塬、山地林区和河川，具有独特的地理特征，颇具黄土高原特点，黄土层深厚。地势上西北面较高，东南偏低，形成了东北西三方向东南倾斜的趋势，河流也向此方向汇集，大小水系复杂。
由于各支流的深切作用，流域中沟壑遍布，地形支离破碎，水土流失问题众所周知。随着计算机技术、信息科学、测绘遥感学等学科的迅速发展，地理信息系统作为一种能够存储、获取、显示和分析空间数据的计算机系统愈发受到重视，并应用于诸多领域。数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM ）于 20 世纪 50 年代被提出，自此受到了科学和技术方面的广泛关注。在地形描述分析上，以其方式多样、精确度高、易自动化和适合定量化分析等优点逐渐取代传统的地形图。DEM 中包含了多种地形结构和特征信息，是重要的基础数据，广泛应用于众多领域，特别是对地形要素、流域水系的提取与分析十分有效。GIS 技术的发展以及数字高程模型的引入，通过其强大的空间数据处理和分析能力，能很大的提高计算精度，减少计算量。区域降水数据是评价生态环境和进行水文模拟的重要参数之一，分析降水空间分布特征对于评估区域生态、水资源、土壤侵蚀、植被分布及研究生态演变规律具有重要价值。通常降水数据是通过各气象站的独立观测资料来获取的，但受经济、地形、技术等因素的限制，水文站点的分布和数量是有限制的，且在空间上的布局不一定合理，数据资料获取对于某些地形复杂的偏远地区难度较大。
所以，当需要研究整个区域的降水分布状况时，则需要利用已知站点的降水数据对未知或无法获取数据区域进行空间插值预测。应用于降水量分析预测的空间插值方法有很多，其优缺点和适用性差别较大，对于不同区域和情况不存在全部适用的降水插值模型。因此，根据研究区的降水数据和地形特征等情况选择最优插值方法具有重要意义（吴昌广等 2010；徐天献等 2010）。河川径流量是水资源综合开发利用、科学管理、优化调度最重要的依据，其预测精度对于确定工程规模、建筑物尺寸以及工程的运行方案起着至关重要的作用。径流中长期预测系统的困难在于水文系统以降水为输入、径流为输出，中间包括蒸发、汇流等复杂过程，还受到地形、地貌、流域下垫面和人类活动等因素的影响，且该系统具有随机性、模糊性、灰色性等多种不确定性（韩勇和万水玲 2010）。泾河作为水资源短缺的西北地区重要河流，探讨其地理特征和降水、径流变化规律，对流域综合治理、水资源优化调度和防洪救灾具有极其重要的意义。

1.2 国内外研究现状
流域是河流或湖泊由分水岭所包围的集水区域，包括干支流经过的所有区域。在这个区域中，地形地貌和河流水系是其基本要素特征。近年来，随着计算机科学和地理信息系统的出现发展，数字高程模型作为地理信息系统的重要空间信息资料，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多少的数据，降雨及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流动便形成了径流，两者是流域的重要水文要素。在实际工作中，研究人员通常将地统计学方法与 GIS 相结合，通过对气象数据进行空间插值，由点转化为面，获取所需信息。径流形成和变化过程与天气系统、下垫面、人类活动和气候变化等要素关系密切，而这些因素基本都具有不确定性和时变特征，造成了径流量变化的复杂多变，但气候变化仍是其最大影响因素。以目前的科技水平来看，很难对径流变化进行准确的分析和预测，从 20 世纪 50 年代开始，国内外已将很多水文模型应用于流域降水和径流的模拟预报，但总体上尚无较成熟的方法，在径流分析预测和提高预测精度方面，仍在不断积极探索和发展中。
1.2.1 地貌特征信息提取分析
DEM 数据是现实世界三维地形的抽象模型，因而对 DEM 进行分析不仅可以揭示地形的真实特征，而且还可以为相关的地学过程模拟提供基础信息。此外，由地形分析所产生的各种方法还可以应用到其他领域，如降雨量分析、土壤污染分析、气温分析等（周成虎和裴韬 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 泾河流域概况及数据介绍 ...........................18-22
    2.1 泾河流域概况 ...........................18-19
        2.1.1 自然环境概况 18
        2.1.2 流域水系 ...........................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 流域地形信息提取分析 ...........................22-33
    3.1 地形可视化表达 ...........................22-24
    3.2 微观地形因子 ...........................24-29
    3.3 宏观地形因子 ...........................29-32
        3.3.1 地形起伏度 ...........................29-31
        3.3.2 地表粗糙度 ...........................31
        3.3.3 地表切割深度 ...........................31-32
    3.4 本章小结 ...........................32-33
第四章 流域水系信息提取研究 ...........................33-41
    4.1 水系信息提取 ...........................33-37
    4.2 流域分析 ...........................37-40
        4.2.1 河网分级 ...........................37-38
        4.2.2 小集水区域生成 ...........................38
        4.2.3 子流域划分和面积提取 ...........................38-39
        4.2.4 影响流域分析的因素 ...........................39-40
    4.3 本章小结 ...........................40-41
第五章 降水量空间插值方法研究 ...........................41-47
    5.1 空间插值方法 ...........................41-44
    5.2 降水量空间插值结果及分析 ...........................44-46
        5.2.1 结果比较 ...........................44-45
        5.2.2 误差分析 ...........................45-46
    5.3 本章小结 ...........................46-47
第六章 年径流预测模型研究 ...........................47-59
    6.1 模型输入数据获取 ...........................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 预测结果和检验 ...........................55-58
    6.4 本章小结 ...........................58-59

结论

地理信息系统是介于多个科学领域的学科，在水资源的诸多领域发挥着重要作用。该技术在水文方面的综合应用，使得研究工作向系统化方向发展，尤其是在数字化流域、分布式水文模型、防汛抗灾、水资源管理调度和检测评价等方面应用广泛。从水资源角度来讲，GIS 能够充分利用地理信息，使地理要素与水文分析相融合，是未来水文研究发展的必然趋势。本文采用此技术，对泾河流域地形水系进行提取分析，通过多种空间插值方法系统研究了流域降水分布规律，并利用 GA-BP 神经网络和灰色系统，建立年径流序列预报模型。论文得出以下主要结论，并对存在的不足提出展望。
结论本文在总结多方面研究成果的基础上，基于 ArcGIS 软件平台和 SRTM_DEM 数据，对泾河流域地形特征和水系河网进行提取分析，同时，根据流域水文站点的多年平均降水数据，应用四种方法进行空间插值研究，并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。
从流域角度，在 ArcGIS 平台中，提取泾河流域微观和宏观地形特征要素，并进行可视化表达。分析表明流域大部分地区为 1800m 以下的中低海拔区，西北部地势较高，东南部河谷地势最低，由西北向东南方向高程逐渐减小，多集中在 800m~1800m 之间，与流域实际地形相符。流域大多数地区坡度小于 25°，陡坡和急陡坡较少，绝大部分地势较为平缓，但山地河谷不少，部分地表崎岖程度较大。

参考文献

安辛克,李琳琳,张运刚.2010. 不同分辨率 SRTM-DEM 的数字地形分析比较研究.测绘与空间地理信息,33(6):73~75
曹晓敏,刘志红,张晓萍.2010.黄土高原中游降雨量的空间插值方法研究.水土保持研究, 17(4):217~221
陈广洲,解华明,鲁祥友. 2008.Matlab 遗传算法工具箱在非线性优化中的应用.计算机技术与发展,(3):248~252.
陈瑞,沈英浩. 2004.灰色系统理论在长期洪水预报中的应用.海河水利,(1):50~52
陈守煜,王大刚.2003.基于遗传算法的模糊优选 BP 网络模型及其应用.水利学报,(5):116~121
邓霞,董晓华,薄会娟,胡瑞.2010.基于 SRTM DEM 的月降水量空间插值方法研究.人民黄河,32(10):45~47.
杜东,马震,孙晓明. 2007.MATLAB 遗传算法工具箱（GAOT）在水资源优化计算中的应用.水利科技与经济,(2):73~78.
甘淑,袁希平.2005.澜沧江流域地理信息处理与地貌形态特征分析.云南地理环境研究,17(4):1~5
龚纯,王正林.2009.精通 MATLAB 最优化计算.北京:电子工业出版社:2~6
顾昊.2010.基于遗传算法的水资源优化分配研究及应用. [硕士学位论文].武汉:华中科技大学