基于GIS的泾河流域特征信息提取分析和降水径流预测

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地理信息系统(GIS)可将地理要素与水文分析相融合,在水文分析的诸多领域发挥着重要作用。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。论文从流域角度系统地分析研究,主要得出以下结论:(1)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,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。从地形起伏程度来说,多数不大,丘陵地形较多,其次是小起伏山地,平原和台地稍少,颇具黄土高原地貌特色。(2)本文通过SRTM_DEM数据提取流域水系河网,选取阈值为5000(40.5km2),能较好地反映地区水系,同时划分子流域、提取流域边界等,结果显示应用该数据提取流域特征具有较高的精度和准确性,可为流域数字化、水资源规划开发、构建分布式水文模型等方面应用提供地理信息。(3)分别采用距离倒数权重法、径向基函数法、克里金法和协克里金法,对泾河流域及周边20个气象站的多年平均降水量进行空间插值,并对结果交叉验证,其误差分析表明:克里金法插值均方根误差最小,插值效果最好,较能反映该流域多年平均降水量的空间分布特征。泾河流域降水量空间分布变化幅度较大,南部和东南部的降水明显多于北部和西北地区,呈明显的平缓梯度状。(4)基于以上研究分析内容,将泾河流域划分为四个子流域,并应用克里金法对泾河1961~1996年的各年平均降水量进行空间插值,将所得结果与流域内四个水文站的实测降水均值,以及水库实测年径流量资料,分别建立了GA-BP神经网络和灰色系统模型。从1994~1996年径流的预测结果来看,GA-BP模型预测值的相对误差分别为-11.07%、0.19%、-3.39%,GM(1,6)模型预测值的相对误差依次是-0.96%,10.66%,-5.86%,两种预测模型精度都较高,前者适用于中长期序列的预测,而后者在短时间序列预测中优势更为明显,两者都为预测年径流量和提高精度提供了较好的途径;但径流序列变化极其复杂,对径流变化影响因子应深入分析,进一步把握序列变化规律和内在特性,所建模型在不同条件下的适用性还有待于进一步检验。
摘要第5-6页
ABSTRACT第6-7页
第一章 绪论第11-18页
    1.1 研究的背景与意义第11-12页
    1.2 国内外研究现状第12-17页
        1.2.1 地貌特征信息提取分析第13-14页
        1.2.2 空间插值方法第14-15页
        1.2.3 径流预报第15-17页
    1.3 研究内容和方法第17-18页
        1.3.1 研究内容第17页
        1.3.2 技术路线第17-18页
第二章 泾河流域概况及数据介绍第18-22页
    2.1 泾河流域概况第18-19页
        2.1.1 自然环境概况第18页
        2.1.2 流域水系第18-19页
        2.1.3 水文特征第19页
    2.2 数据介绍第19-22页
        2.2.1 DEM 数据第19-20页
        2.2.2 水文气象数据第20-21页
        2.2.3 应用软件第21-22页
第三章 流域地形信息提取分析第22-33页
    3.1 地形可视化表达第22-24页
    3.2 微观地形因子第24-29页
        3.2.1 坡度第24-26页
        3.2.2 坡向第26-27页
        3.2.3 坡度变率和坡向变率第27页
        3.2.4 表面曲率第27-29页
    3.3 宏观地形因子第29-32页
        3.3.1 地形起伏度第29-31页
        3.3.2 地表粗糙度第31页
        3.3.3 地表切割深度第31-32页
    3.4 本章小结第32-33页
第四章 流域水系信息提取研究第33-41页
    4.1 水系信息提取第33-37页
        4.1.1 洼地填充第33页
        4.1.2 水流方向提取第33-34页
        4.1.3 计算流水累积量第34-35页
        4.1.4 设置集水面积阈值第35页
        4.1.5 水系提取第35-37页
    4.2 流域分析第37-40页
        4.2.1 河网分级第37-38页
        4.2.2 小集水区域生成第38页
        4.2.3 子流域划分和面积提取第38-39页
        4.2.4 影响流域分析的因素第39-40页
    4.3 本章小结第40-41页
第五章 降水量空间插值方法研究第41-47页
    5.1 空间插值方法第41-44页
        5.1.1 距离倒数权重插值第41-42页
        5.1.2 薄板样条函数第42页
        5.1.3 普通克里金法第42-43页
        5.1.4 协克里金法第43-44页
    5.2 降水量空间插值结果及分析第44-46页
        5.2.1 结果比较第44-45页
        5.2.2 误差分析第45-46页
    5.3 本章小结第46-47页
第六章 年径流预测模型研究第47-59页
    6.1 模型输入数据获取第47-48页
    6.2 GA-BP 神经网络模型预测第48-54页
        6.2.1 BP 算法原理第49-51页
        6.2.2 BP 神经网络结构确定第51页
        6.2.3 模型预测第51-53页
        6.2.4 模型精度检验第53-54页
    6.3 灰色系统模型预测第54-58页
        6.3.1 建模原理和过程第54-55页
        6.3.2 预测结果和检验第55-58页
    6.4 本章小结第58-59页
第七章 结论与展望第59-61页
    7.1 结论第59-60页
    7.2 展望第60-61页
参考文献第61-65页
致谢第65-66页
作者简介第66页
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