【文章內(nèi)容簡介】 滲率(m/s)黃褐土粗骨土　　　　　黃棕壤石質(zhì)土　　　　　灰潮土　　　 下滲系數(shù)下滲系數(shù)[13]是水文學(xué)的一個(gè)重要的參數(shù)，就是在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上滲入土中的水量(mm/h或mm/min)。影響下滲系數(shù)的因素很多，它不僅土壤性質(zhì)有關(guān)，還跟植被覆蓋特征、流域地形、降雨以及人類活動(dòng)相關(guān)，跟據(jù)中國林業(yè)科學(xué)院網(wǎng)站對(duì)淮河流域的各種植被覆蓋下的初始下滲率的統(tǒng)計(jì)，對(duì)不同植被覆蓋下的初滲率取值見表(22)。表(22) 初滲率覆蓋類型初滲率(mm)農(nóng)田森林、灌木林荒草地作物耕地城鎮(zhèn)用地 0（本文取值） 曼寧系數(shù)曼寧系數(shù)[14]也就是地表的粗糙程度系數(shù)，也叫糙率系數(shù)。曼寧系數(shù)是坡面匯流和地表徑流計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)，自然坡面或河道的徑流過程很難通過一個(gè)簡單的理論進(jìn)行描述，而圣維南方程組及其運(yùn)動(dòng)波模式被廣泛的用于坡面徑流及匯流過程的模擬，通過確定合適的邊界條件選擇曼寧系數(shù)，能夠較為準(zhǔn)確的模擬坡面徑流過程及計(jì)算匯流時(shí)間。影響曼寧系數(shù)的因素很多，其中包括河網(wǎng)形狀、地形、植被覆蓋、地表侵蝕特征等，Engman(1986)給出了適于分布式水文模型的坡面徑流和河網(wǎng)匯流演算的有效曼寧系數(shù)[15]，對(duì)于本流域的土地利用實(shí)際情況，選取的曼寧系數(shù)初值如下：表(23) 曼寧系數(shù)取值 覆蓋類型曼寧系數(shù)初始取值曼寧系數(shù)合理范圍農(nóng)田森林、灌木林荒草地作物耕地城鎮(zhèn)用地第三章 燕山水庫流域數(shù)字高程模型的構(gòu)建 數(shù)字高程模型概念及表示方法 數(shù)字高程模型的概念及應(yīng)用數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model),其目的是用攝影測量或其他技術(shù)手段獲得地形數(shù)據(jù)給地理空間定位，它是利用坐標(biāo)場中大量的已知（X，Y，Z）坐標(biāo)點(diǎn)及屬性值對(duì)連續(xù)地面的數(shù)字表示，是一個(gè)描述地球表面形態(tài)多種信息空間分布的有序數(shù)值陣列，DEM的實(shí)質(zhì)就是對(duì)地球表面地形地貌的一種離散的數(shù)學(xué)表達(dá)[16]。在滿足一定精度的條件下,可用離散數(shù)字的形式在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行描述,并用數(shù)字計(jì)算的方式進(jìn)行各種分析，DEM作為地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),已在測繪、地質(zhì)、土木工程、水利、建筑等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于用數(shù)字形式表達(dá)地形表面,DEM具有如下顯著特點(diǎn)：，產(chǎn)生多種比例尺的地形圖、縱橫斷面圖和立體圖；；。總之,DEM具有便于存儲(chǔ)、更新、傳播、自動(dòng)化和多比例尺的特性,使其特別適合于各種三維建模和定量分析。 DEM的表示方法數(shù)學(xué)方法表達(dá)數(shù)字高程模型，可以分為整體擬合方法和局部擬合方法，前者即根據(jù)區(qū)域所有的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，用傅立葉級(jí)數(shù)和高次多項(xiàng)式擬合統(tǒng)一的地面高程曲面，后者是指將地表復(fù)雜表面分成正方形規(guī)則區(qū)域或面積大致相等的不規(guī)則區(qū)域進(jìn)行分塊搜索，根據(jù)有限個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合形成高程曲面。圖形方法也是表示地形最常見的形式。如可用等高線表示DEM，也可用其它的地形特征線來是表達(dá)地面高程的重要信息，如山脊線、谷底線、海岸線及坡度變換線等；當(dāng)然也可結(jié)合點(diǎn)、線、面來表示DEM。圖(31)DEM的表示方法[17]。圖31 DEM表示方法 DEM的三種主要模型數(shù)字高程模型構(gòu)建有以下幾種方法：；；； ：通過遙感立體像對(duì)，根據(jù)視差模型自動(dòng)選配左右影像，用攝影測量的方法建立空間高程立體模型，量取密集高程數(shù)據(jù)，建立數(shù)字高程模型；：根據(jù)有限個(gè)離散點(diǎn)的高程、采用多項(xiàng)式或樣條函數(shù)求得擬合公式（即曲面函數(shù)方程），從而可以逐一計(jì)算各點(diǎn)的高程，可得到擬合的柵格DEM。規(guī)則網(wǎng)格GRID一般指正方形，也可以是矩形、三角形等規(guī)則網(wǎng)格，是將區(qū)域空間分為規(guī)則的柵格單元，每個(gè)柵格單元對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)值，用數(shù)學(xué)方法表示為一個(gè)矩陣，在計(jì)算機(jī)中則是以一個(gè)二維數(shù)組來存貯的，柵格模型中每個(gè)柵格單元或數(shù)組的一個(gè)元素都對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值。如圖32所示。圖32 柵格DEM對(duì)每個(gè)柵格中數(shù)值的解釋有兩種觀點(diǎn)：第一種把它看作柵格柵格，每一個(gè)數(shù)據(jù)表示每一個(gè)柵格中所有點(diǎn)的高程值，因此，這種數(shù)字高程模型是一個(gè)不連續(xù)的函數(shù)；第二種是點(diǎn)柵格觀點(diǎn)，認(rèn)為該網(wǎng)格單元的數(shù)值是網(wǎng)格中心點(diǎn)的高程或該網(wǎng)格單元的平均高程值，這樣就需要用一種插值方法來計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的高程。規(guī)則柵格的高程矩陣，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、分辨率統(tǒng)一，所以可以很容易地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，如計(jì)算等高線、坡度、坡向、山坡陰影和自動(dòng)提取流域地形，也是DEM最廣泛使用的格式，目前許多國家提供的DEM數(shù)據(jù)都是以規(guī)則柵格的數(shù)據(jù)矩陣形式提供的。盡管規(guī)則柵格DEM在計(jì)算和應(yīng)用方面有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在許多缺點(diǎn)。柵格DEM的一個(gè)缺點(diǎn)就是不能準(zhǔn)確表示地形的結(jié)構(gòu)和細(xì)部，在不改變柵格大小的情況下，難以表達(dá)復(fù)雜地形的突變現(xiàn)象，為避免這些問題，可采用附加地形特征數(shù)據(jù)，如地形特征點(diǎn)、山脊線、谷底線、斷裂線，以描述地形結(jié)構(gòu)；另一個(gè)缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量過大，尤其是在地形平坦的地方，因?yàn)椴捎昧私y(tǒng)一分辨率，所以存在大量的數(shù)據(jù)冗余，給數(shù)據(jù)管理帶來了不方便，通常要進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)。因此，對(duì)于網(wǎng)格DEM數(shù)據(jù)，可以采用哈夫曼編碼進(jìn)行無損壓縮；也可在犧牲細(xì)節(jié)信息的前提下，對(duì)網(wǎng)格DEM進(jìn)行有損壓縮，通常的有損壓縮大都是基于離散余弦變換或小波變換的，相對(duì)而言小波變換具有較好的保持細(xì)節(jié)的特性。等高線模型指根據(jù)已知的高程值的集合來表示整個(gè)區(qū)域的高程狀況，因?yàn)槊恳粭l等高線對(duì)應(yīng)一個(gè)已知的高程值，所以一系列等高線集合和它們的高程值一起就構(gòu)成了一種地面高程模型。如圖33所示:圖33 等高線等高線通常被保存為一個(gè)有序的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)序列，認(rèn)為是一條帶有高程值屬性的簡單多邊形或多邊形弧段。如圖可知，等高線線模型中不同的等高線是離散的，只表達(dá)了區(qū)域的部分高程值，無論等高線之間距離多么小，都不可能表達(dá)整個(gè)地形。因此，往往需要一種插值方法來計(jì)算落在等高線外的其它點(diǎn)的高程，又因?yàn)檫@些點(diǎn)是落在兩條等高線包圍的區(qū)域內(nèi)，通常只使用外包的兩條等高線的高程對(duì)等高線間的區(qū)域進(jìn)行插值。等高線通常用二維的鏈表來存儲(chǔ)；另外的一種方法是用圖來表示等高線的拓?fù)潢P(guān)系，將等高線之間的區(qū)域表示成圖的節(jié)點(diǎn)，用邊表示等高線本身,此方法滿足等高線閉合或與邊界閉合、等高線互不相交兩條拓?fù)浼s束。等高線模型通常是根據(jù)已有的等高線來表示的，雖然從理論上對(duì)地形講是一種高精度的表示，但不直觀，且在此基礎(chǔ)上的空間分析能力很弱。（TIN）模型不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network, TIN）是通過不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的連續(xù)三角面來逼近地形表面。區(qū)域中任意點(diǎn)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)，如果點(diǎn)不在頂點(diǎn)上，該點(diǎn)的高程值可通過線性插值的方法得到（在邊上用邊的兩個(gè)頂點(diǎn)的高程，在三角形內(nèi)則用三個(gè)頂點(diǎn)的高程）。所以TIN是一個(gè)三維空間的分段線性模型，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)但不可微。不規(guī)則三角網(wǎng)由連續(xù)的三角面組成，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)，或節(jié)點(diǎn)的位置和密度。圖(34)TIN模型。圖34 不規(guī)則三角網(wǎng)TINTIN撲結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式有多種。一個(gè)簡單的記錄方式是：對(duì)于每一個(gè)三角形、邊和節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)記錄，三角形的記錄包括三個(gè)指向它三個(gè)邊的記錄的指針，也可以直接對(duì)每個(gè)三角形記錄其頂點(diǎn)和相鄰三角形；邊的記錄有四個(gè)指針字段，包括兩個(gè)指向相鄰三角形記錄的指針和它的兩個(gè)頂點(diǎn)的記錄的指針；每個(gè)節(jié)點(diǎn)包括三個(gè)坐標(biāo)值的字段，分別存儲(chǔ)X，X，Z坐標(biāo)。這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對(duì)于給定一個(gè)三角形查詢其三個(gè)頂點(diǎn)高程和相鄰三角形所用的時(shí)間是定長的，在沿直線計(jì)算地形剖面線時(shí)具有較高的效率。不規(guī)則三角網(wǎng)與規(guī)則柵格方法不同之處在于隨地形起伏變化的復(fù)雜性而改變采樣點(diǎn)的密度和決定采樣點(diǎn)的位置，具有多分辨率的特性。因而它能夠避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余，又能按地形特征點(diǎn)如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征，同時(shí)在計(jì)算效率方面又優(yōu)于純粹基于等高線的方法。 數(shù)字高程模型的構(gòu)建方法 數(shù)字高程模型構(gòu)建有以下幾種方法：：在地形圖上蒙上一層透明的方格膜片，逐格讀取中心或角點(diǎn)的高程值，寫成數(shù)字高程矩陣的形式，構(gòu)成數(shù)字高程模型。：通過遙感立體像對(duì)，根據(jù)視差模型自動(dòng)選配左右影像，用攝影測量的方法建立空間高程立體模型，量取密集高程數(shù)據(jù)，建立數(shù)字高程模型。：對(duì)有限個(gè)離散點(diǎn)或等高線，按一定優(yōu)化原則將每三個(gè)鄰近點(diǎn)聯(lián)接成三角形，每個(gè)三角形代表一個(gè)局部平面，再根據(jù)每個(gè)平面方程，可計(jì)算各柵格點(diǎn)高程，生成DEM。：根據(jù)有限個(gè)離散點(diǎn)的高程，采用多項(xiàng)式或樣條函數(shù)求得擬合公式（即曲面函數(shù)方程），從而可以逐一計(jì)算各點(diǎn)的高程，可得到擬合的柵格DEM。 數(shù)字高模型的數(shù)據(jù)源用于生成DEM的數(shù)據(jù)源主要有以下三種：航空攝影像片是DEM的一種主要數(shù)據(jù)源，隨著遙感和數(shù)字?jǐn)z影測量自動(dòng)化技術(shù)的提高，大面積的航空像片可以快速得到，精度較高但價(jià)格昂貴；地形圖是DEM的另一種主要數(shù)據(jù)源，并且從等高線生產(chǎn)DEM比較準(zhǔn)確，應(yīng)用很普遍，其缺點(diǎn)是更新困難；第三種是以地面實(shí)測記錄為數(shù)據(jù)源，用GPS、電子速測儀(全站儀)、電子手簿或測距經(jīng)緯儀，在已知點(diǎn)位的測站上，觀測到目標(biāo)點(diǎn)的方向、距離和高差三個(gè)要素，計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的x、y、z三維坐標(biāo)，建立DEM。 航攝法生成DEM的方法航攝法是指通過航空攝影或遙感手段獲取一對(duì)立體像對(duì)，根據(jù)視差模型對(duì)左右影像的疊加，在全數(shù)字自動(dòng)攝影測量系統(tǒng)的支持下，通過輸入地面控制點(diǎn)，經(jīng)過相對(duì)定向和絕對(duì)定向及影像自動(dòng)相關(guān)匹配，生成DEM數(shù)據(jù)。航攝法的形成是在航空攝影測量技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)之上建立的。航空攝影測量率先刷新了對(duì)地觀測的歷史，實(shí)現(xiàn)人類脫離地面，從高空勘測地球，把平板測繪和野外勘探調(diào)查工作移到室內(nèi)來做。過去100多年來，攝影測量學(xué)經(jīng)歷了模擬法和解析法這兩個(gè)階段，現(xiàn)已進(jìn)人了它的第三個(gè)階段即數(shù)字?jǐn)z影測量階段[18]。它已從傳統(tǒng)的攝影測量發(fā)展為新興的信息產(chǎn)業(yè)，就攝影測量學(xué)科而言，它已從經(jīng)典的攝影測量發(fā)展為攝影測量與計(jì)算機(jī)視覺，它是從多角度攝影圖像進(jìn)行自動(dòng)化三維量測和制圖的技術(shù)。利用全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集必須對(duì)用高精度掃描儀將航片或衛(wèi)片掃描成數(shù)字影像或直接獲取遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)定向，從而確定數(shù)字影像的掃描坐標(biāo)系和影像坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。與傳統(tǒng)的攝影測量相比，數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的優(yōu)勢在于：，同時(shí)數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別的理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)或半自動(dòng)識(shí)別和提取，從而大大提高了攝影測量的自動(dòng)化功能；、多分辨率、多時(shí)相的多種數(shù)據(jù)源都可在數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)處理，采用數(shù)字影像或數(shù)字化影像作為系統(tǒng)的輸入，通過高速高容量計(jì)算機(jī)和專用配套設(shè)備對(duì)影像進(jìn)行處理，從而獲得各種形式的數(shù)字化產(chǎn)品和可視化產(chǎn)品；，并且涵蓋整個(gè)傳統(tǒng)攝影測量的各個(gè)工序，數(shù)據(jù)的獲取，處理產(chǎn)品的形式、管理、分發(fā)等都是以數(shù)字的形式，便于使用和共享；、生產(chǎn)周期短、工作效率高、測繪產(chǎn)品的現(xiàn)勢性和靈活性強(qiáng)。用數(shù)字?jǐn)z影測量方法獲取DEM的一種主要手段之一[19]，采用該方法進(jìn)行生產(chǎn)，相對(duì)來說資料的時(shí)效性較好，如果與地面控制點(diǎn)進(jìn)行配合，通過各點(diǎn)影像來確定航片像對(duì)之間的相對(duì)位置關(guān)系，在求解相對(duì)定向參數(shù)時(shí)，利用了大量的多余觀測，不僅可自動(dòng)剔除粗差，還可大大提高定向的精度和可靠性。同時(shí)，絕對(duì)定向確定了模型坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系間的幾何關(guān)系。但是該方法也存在許多問題：首先，原始資料的成本太高，如果研究地區(qū)有航片，可以購買航片，如果沒有航片，臨時(shí)航飛代價(jià)太高；其次，對(duì)軟硬件要求較高，因?yàn)楹狡尜A量很大，所以對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高。 生成TIN的方法生成TIN的方法主要是根據(jù)不規(guī)則分布的高程點(diǎn)或等高線，將該點(diǎn)集轉(zhuǎn)成不規(guī)則三角網(wǎng)。思路為：首先，在數(shù)據(jù)點(diǎn)集中取其中任一點(diǎn)P1，在其余各點(diǎn)中尋找與此點(diǎn)距離最近的點(diǎn)P2，連接P1和P2構(gòu)成第一邊，然后在其余所有點(diǎn)中尋找與這條邊最近的點(diǎn)，找到后即構(gòu)成第一個(gè)三角形；再以這個(gè)三角形新生成的兩邊為底邊分別尋找距它們最近的點(diǎn)構(gòu)成第二個(gè)三角形、第三個(gè)三角形……，依此類推，直到把所有的點(diǎn)全部連入三角網(wǎng)中，這是最簡單的生成TIN的方法。生成的三角網(wǎng)，可能存在大量的狹長的三角形，其幾何結(jié)構(gòu)不強(qiáng)，并不是最優(yōu)三角網(wǎng)。常用Delaunay三角剖分方法。Voronoi圖的幾何對(duì)偶把點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來得到鄰接?xùn)鸥穹Q為Delaunay三角網(wǎng)，這種方法是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Delaunay提出的，以其姓名命名。Voronoi多邊形網(wǎng)是由一組連續(xù)多邊形組成，多邊形的邊界是由連接兩鄰點(diǎn)線段的垂直平分線組成。N個(gè)在平面上有區(qū)別的點(diǎn)，按照最鄰近原則劃分平面：每個(gè)點(diǎn)與它的最鄰近區(qū)域相關(guān)聯(lián)。Voronoi多邊形網(wǎng)具有以下特征：它必定是度數(shù)為三的正則圖，即任意一個(gè)Voronoi多邊形的頂點(diǎn)或任意Voronoi多邊形網(wǎng)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，必有三條邊與它連接，這些邊是相鄰三個(gè)Voronoi多邊形兩兩拼接的公共邊。在Voronoi多邊形頂點(diǎn)的周圍，存在三個(gè)參考點(diǎn)，將它們連成三角形，Voronoi多邊形頂點(diǎn)是這個(gè)三角形外接圓的圓心。這種三角形稱作Delaunay三角形，它與Voronoi多邊形存在對(duì)偶關(guān)系，Delaunay三角形的外接圓圓心是與三角形相關(guān)的Voronoi多邊形的一個(gè)頂點(diǎn)。已經(jīng)證明Delaunay三角剖分網(wǎng)符合“三角剖分最小內(nèi)角為最大”的圖形優(yōu)化準(zhǔn)則。這樣，在生成初步三角剖分網(wǎng)的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了圖形優(yōu)化的處理。如圖35所示。圖35 Delaunay三角網(wǎng)與Voronoi圖Delaunay三角網(wǎng)有以下特性：；“外殼”；，反之，如果一個(gè)三角網(wǎng)滿足此條件，那么它就是Delaunay三角網(wǎng)；，則Delaunay三角網(wǎng)的排列得到的數(shù)值最大，從這個(gè)意義上講，Delaunay三角網(wǎng)是“最接近于規(guī)則化”的三角網(wǎng)。Delaunay三角形產(chǎn)生的基本準(zhǔn)則：[Delaunay 1934]；：每兩個(gè)相鄰的三角形構(gòu)成的凸四邊形的對(duì)角線，在相互交換后，六個(gè)內(nèi)角的最小角不再增大[Lawson1972]；（Local Optimization Proc