### 基于DEM的流域信息提取方法及应用实例
#### 概述
本文主要介绍了一种基于数字高程模型（DEM）的流域信息提取方法及其应用实例。该方法不仅适用于构建现代分布式水文模型，还能支持其他相关研究。通过自动化处理流程，可以有效地提取出流域的各种关键信息，如子流域长度、面积、坡度、河道长度以及等流时线分布等。本文首先概述了DEM预处理的方法，然后详细讨论了如何确定流向、生成集水面积、提取水系和子流域，最后通过一个实际案例验证了整个流程的有效性。
#### DEM的预处理
预处理主要是为了消除DEM中的洼地和平地，确保每个栅格都是斜坡，以便水流能够顺畅地流出流域边界。预处理包括洼地标定及抬升算法和平地起伏算法两部分。
##### 洼地标定及抬升算法
洼地栅格是指其周围所有相邻栅格的高度均不低于该栅格的情况。对于每一个识别出的洼地栅格，需执行以下步骤：
1. **洼地标记**：扫描以洼地栅格为中心的3×3窗口，与洼地相邻的8个单元被标记。
2. **洼地填充**：选择洼地周围的最低栅格作为填充目标，将洼地高度抬升至等于或略高于该最低值，以确保水流能够顺利流动。
3. **迭代更新**：重复这一过程直至所有洼地都被处理完毕。
##### 平地起伏算法
平地处理的目标是消除那些在自然状态下无法确定水流方向的平坦区域。这通常通过为平地区域赋予轻微的倾斜度来实现，确保水流有明确的方向。
#### 流向确定
流向的确定是基于DEM数据进行的关键步骤之一，它直接影响到后续的流域划分和水系提取工作。目前常见的流向确定方法有两种：单流向法和多流向法。
1. **单流向法**：假设水流只能沿着一个方向流动。这种简化处理方式在计算上较为简单，但可能无法准确反映复杂的地形特征。
2. **多流向法**：考虑到实际情况下水流可能会分散到多个方向，因此这种方法更为精确。它允许水流分配到多个下游栅格上，从而更好地模拟实际情况。
#### 集水面积的确定与河流栅格点的生成
集水面积的确定是基于水流路径的累积，即通过累加流向某一栅格的所有上游栅格数量来实现。这一过程可以帮助我们识别出河流的位置，并进一步生成河流栅格点。
1. **累积流量阈值**：定义一个阈值，当累积流量超过该阈值时，认为该栅格属于河流网络的一部分。
2. **河流栅格点生成**：通过连接满足条件的栅格点形成连续的河流网络。
#### 水系提取方法
水系提取涉及从DEM数据中识别出河流主干道及其支流。这一步骤依赖于之前确定的流向和集水面积信息。常用的方法包括：
1. **主河流识别**：根据累积流量的最大值确定主河流。
2. **支流识别**：基于分支的累积流量和与主河流的连接关系识别支流。
#### 子流域提取及划分
子流域是指在更大范围内根据地形特征和水文特性划分出来的较小区域。通过子流域的划分，可以更细致地分析不同地区的水文行为。
1. **基于分水岭的划分**：利用DEM中的地形特征自动识别分水岭，进而划分出不同的子流域。
2. **子流域特征提取**：对每个子流域提取关键信息，如长度、面积、平均坡度等，用于后续的水文分析。
#### 应用实例
为了验证所提出方法的有效性，文章提供了一个实际案例。该案例选取了一个具体的流域作为研究对象，通过上述方法完成了DEM预处理、流向确定、水系生成、子流域划分等一系列步骤。最终结果表明，该方法能够有效地提取出所需的流域信息，为后续的水文模拟等工作奠定了坚实的基础。
#### 结论
基于DEM的流域信息提取方法是一种高效且实用的技术手段，它能够帮助研究人员准确地提取流域内的关键信息，从而支持各种水文模拟和其他相关研究。通过合理的设计和优化算法，可以显著提高流域信息提取的精度和效率，为水资源管理和环境保护提供有力的支持。
