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基于Arcgis-python断面汇水面积批量提取方法研究

更新时间：2019-12-20 17:36:50 大小：2M 上传用户：songhuahua查看TA发布的资源 标签：python 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

汇水面积对于工程设计中建坝成库和桥梁涵洞孔径尺寸等具有非常重要的现实意义。以30 m分辨率的栅格DEM和已有的矢量河流为基础数据,基于Arcgis10.4软件的水文工具箱和python程序,批量处理和计算贵州省境内的芙蓉江流域50 km2以上河流的断面以上的汇水面积,选取了广泛分布于芙蓉江流域代表性强的三类控制断面(水库类型6个、水文站类型2个和支流汇口类型29个),共37个。结果表明,在借助python批量处理的环境下,计算结果准确性高,计算的37个河道断面的汇水面积绝对误差(Δ)中最小的仅为0.08 km2,相对误差m最小的仅为0.09%,决定系数R2高达0.99,相对均方根误差RRMSE仅有2.74%,相对分析误差RPD为49.01,远大于2,偏差Bias为2.88;而相较于人工在地形图上勾绘,这种方法计算速度快,通过python批量处理的时间仅为人工的0.63%,极大地节省生产时间,赢得时间成本;此外,还将该方法应用于洪渡河流域、桐梓河流域、綦江流域、赤水河流域、大渡口以上区域、大渡口以下干流区域以及六盘水区域等7个研究区并获得很好的验证结果。因此,为河流控制断面的汇水面积勾绘提供一种新的计算方法,同时为生态断面流量以及坝址库容曲线的计算分析奠定基础。


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基于Arcgis-python断面汇水面积批量提取方法研究.pdf 2M

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·2019  
7
期
45  
中国农村水利水电  
年第  
: 1007-2284( 2019) 07-0045-08  
文章编号  
－
Arcgis python  
基于  
断面  
汇水面积批量提取方法研究  
1
1
2
2
1
1
1
， ， ， ， ， ，  
洪明海 汪仕伟 曾文治 黄介生 杨荣芳 苏海鹏 李析男  
( 1．  
，
贵州省水利水电勘测设计研究院 贵阳  
550002; 2．  
， 430072)  
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室 武汉  
:
。
30 m  
以 分辨率的栅  
摘
要 汇水面积对于工程设计中建坝成库和桥梁涵洞孔径尺寸等具有非常重要的现实意义  
Arcgis10．4 python ，  
程序 批量处理和计算贵州省境内  
DEM  
，
格
和已有的矢量河流为基础数据 基于  
软件的水文工具箱和  
2
50 km  
，
(
的芙蓉江流域  
以上河流的断面以上的汇水面积 选取了广泛分布于芙蓉江流域代表性强的三类控制断面 水库  
29 ) ， 37 python ，  
批量处理的环境下 计算结果准  
6
、
2
。
，
类型 个 水文站类型 个和支流汇口类型  
个
共
个
结果表明 在借助  
2
( ) 0．08 km ， m  
个河道断面的汇水面积绝对误差 Δ 中最小的仅为 相对误差 最小的仅为  
，
确性高 计算的  
37  
0．09%，  
决定系  
2
R
0．99，  
相对均方根误差  
RRMSE  
2．74%，  
相对分析误差  
RPD  
49．01， 2，  
远大于 偏差  
Bias  
2．88;  
为 而相较于  
数
高达  
仅有  
为
， ，  
人工在地形图上勾绘 这种方法计算速度快 通过  
python  
0．63%， ，  
批量处理的时间仅为人工的 极大地节省生产时间 赢得  
; ， 、 、 、 、 、  
时间成本 此外 还将该方法应用于洪渡河流域 桐梓河流域 綦江流域 赤水河流域 大渡口以上区域 大渡口以下干流  
7 。 ，  
区域以及六盘水区域等 个研究区并获得很好的验证结果 因此 为河流控制断面的汇水面积勾绘提供一种新的计算  
，
方法 同时为生态断面流量以及坝址库容曲线的计算分析奠定基础  
。
:
关键词 汇水面积  
; Arcgis; python;  
批量提取  
: A  
文献标识码  
: TV12  
中图分类号  
－
Research on the Batch Extraction Method of Catchment Area Based on Arcgis python  
1
1
2
2
HONG Ming-hai ，WANG Shi-wei ，ZENG Wen-zhi ，HUANG Jie-sheng ，  
1
1
1
YANG Rong-fang ，SU Hai-peng ，LI Xi-nan  
( 1．Guizhou Water Conservancy and Hydroelectric Power Investigation，Design and Research Institute，Guiyang 550002，China;  
2． State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China)  
Abstract: The catchment area is of great practical significance to the construction of dam reservoir and the size of bridge culvert． Based on  
the 30 m resolution raster DEM and existing vector river on the basis of the data，based on the 10．4 software toolbox and python programs，  
2
batch processing and calculation of Furongjiang River Basin in Guizhou Province are more than 50 km river channel section of the catchment  
area． Results show that the batch processing under python environment has high calculation accuracy，calculation of 37 in the cross section of  
2
the river catchment area of the smallest absolute error ( ) of only 0．08 km ，minimum relative error ( m) is only 0．09%，the determination  
Δ
2
coefficient ( R ) is as high as 0．99，relative root mean square error ( RRMSE) is only 2．74%，relative analysis of error ( RPD) is 49．01，far  
more than 2，the deviation of Bias is 2．88． Compared with manual sketching on topographic map，this method is faster in calculation，and the  
batch processing time through python is only 0．63% of manual processing time，which greatly saves production time and gains time cost． In  
this paper，the method is also applied to the Hongdu River Basin，Tongzi River Basin，Qijiang River Basin，Chishui River Basin，Dadukou  
”( ［2017］3005) 。  
应用 黔科合重大专项字  
:
作者简介 洪明海  
( 1992-) ， ， ，  
男 硕士研究生 主要从事水利规划设  
: 2019-01-04  
收稿日期  
。E-mail: dafanghongminghai@ 163．com。  
计方面工作  
: “  
基金项目 贵州省科技计划 喀斯特地区海绵城市雨洪控制技术研  
:
通讯作者 曾文治  
( 1989-) ， ， ， ，  
男 博士 副教授 主要从事水土资源高  
”( ［2016］ 2903) ;  
究及示范应用 黔科合 支撑 贵州省科技  
。E-mail: zengwenzhi1989@ outlook．com。  
效利用研究  
“
计划 夹岩水利枢纽及黔西北供水工程关键技术研究与  
－
Arcgis python  
断面汇水面积批量提取方法研究  
46  
基于  
洪明海 汪仕伟 曾文治  
等
Region，Dadukou under the main stream region and Liupanshui Region of seven research areas and has obtained good verification results． So，  
this paper provides a new calculation method for the drawing of catchment area of river control section，and lays a foundation for the  
calculation of flow rate of ecological section and reservoir capacity curve of dam site．  
Key words: catchment area; Arcgis; python; batch extraction  
， 、  
绥阳县枧坝镇 由西南向东北流经贵州省遵义市正安县 道真  
0
引 言  
、 ， ，  
县和重庆市武隆区 彭水县 于武隆区江口镇汇入乌江 全长  
2
7 406 km ， 、 ，  
西邻綦江水系的桐梓河 松坎河  
234 km，  
流域面积  
，
汇水面积是由分水线包围的集水面积 在闭合的汇水面积  
［1］  
， ， ;  
北靠乌江 南邻湄江 东邻洪渡河 南北长约  
160 km，  
东西宽约  
，
内 构成一定形状的水路网系统  
，
是设计桥梁涵洞的孔径大  
195 km， ， ， ，  
流域地势起伏大 东低西高 上游地形较开阔平坦 沿  
、 。 ，  
小 水库大坝的坝高以及水库来水量等的重要参数 因此 准  
， ， ，  
河发育有河谷阶地和河漫滩 中下游河谷深切 河道狭窄 滩多  
、
确地勾绘出设计断面的汇水面积对于水库工程设计 生态环境  
［2，3］  
， ， 、 ，  
流急 岩溶发育 多洞穴 井泉和伏流暗河段 属中山峡谷及岩  
。
治理以及水文统计分析提供数据尤为重要  
，
溶地貌特征 平均高程约  
850 m(  
， ) ， 1 124  
黄海基面 下同 总落差  
，
在地理信息系统软件出现之前 汇水边界主要以地形图上  
2
5．76‰， 1 000 km  
流域面积大于 的支流有清  
［4］  
m，  
河流平均比降  
，
的分水线进行划分  
在地形图上依据等高线分布绘制流域的  
2
、 ，  
溪河 三江和梅江 流域面积大于  
100 km  
、
的支流有新民河 关  
， ，  
分界线 然后量算出该分界线所包围的面积 效率和精度依赖  
15  
。 ，  
条河流 流域属亚热带湿润季风气候区 年平均气温  
坝等  
; ， ，  
于人员操作熟练度 同时 对于地形复杂 山脊线和分水岭等分  
16．4 ℃ ，  
年无霜期  
281．8 d，  
年日照时数为  
1 057 h，  
多年平均降  
，
界线难以区分 人工勾绘极易出错进而严重影响汇水面积的成  
［5］  
，
果 卢洋暘等 的研究也表明人工勾绘汇水面积的方法在处理  
－
4 10  
1 106 mm，  
降水多集中在  
， 73%，  
月 占年降水量的 年  
水量  
3
169 m /s，  
多年  
603．2 mm。  
水面蒸发量为  
平均悬移质输沙量为  
河口多年平均流量为  
; ，  
复杂山地地形和范围较大地形时存在较大的局限性 此外 人  
277．3 t。  
万
流域多年平均水资源总量  
工勾绘的方法对于河道断面位置无相应的地形图或者已有地  
3
m ，  
干流水力资源理论蕴藏量  
53．3  
47．3  
kW。  
万 流域内无大  
亿
，
形图的精度难以满足工程计算的需求时显得力不从心 李晓  
［6］  
， ，  
型工矿企业 工业污水排放量小 污染物主要来自农田的农药  
、
等
也认为需要一种新的方法应用于无地形图地区的工程位  
。 ， DEM  
置处流域面积的提取和计算 而现在 计算机程序可以从  
、
。
化肥 养殖业的污染负荷和生活污水  
1．1．2  
本文使用的  
，WGS84  
数据来源  
， ，  
中提取地形要素特征来生成汇水边界 应用计算机技术 只需  
［7］  
dem  
Aster  
30 m  
传感器采集的 分辨率  
数据为  
。
要传统方法的一小部分时间就可以得到汇水区域的边界  
，
( http:  
由中国科学院计算机网络信息中心  
。 ，  
提供 河流矢量数据来源于各水务局搜集资料整理 已经项目  
的栅格数据  
椭球 数据下载于地理空间数据云  
，Arcgis、SWAT、MIKE、Mapgis、Civil 3D  
目前  
实现基于  
提取河网信息以及流域特征分析等  
等众多软件都可以  
www．gscloud．cn/search) ，  
∥
DEM  
，
、
的水文研究工作 比如汇水面积的勾绘和计算  
－
［8 12］  
。
DEM  
基于  
分析计算  
。
， ，  
的方法不依赖地形图 不仅节约时间成本 而且受人为因素影  
三级校审制度审核  
，
根据已有的资料整理 本文分析选取的河道断面均为贵州  
，
响较小 且在地形复杂地区和大范围地区均具有较好的适用  
2
50 km ，  
以上支流的断面 共有  
， ，  
性 但目前该方法多是针对单个断面的一系列复杂操作 自动  
省遵义市境内的芙蓉江流域上  
38  
，
，
，
，
、
，
化程度还不高 对于短时间内需要同时处里大量的断面汇水面  
个 分三类 其中 一类是支流汇口断面 如梅江汇口断面 罗  
29 76．32%;  
第二类是已建成水库  
，
，
个 占比  
。 ，  
积并获得数据结果仍是一个不小的挑战 因此 有必要对该方  
家河汇口断面 共有  
， ， 、  
断面 以坝址为控制断面 如沙坝水库断面 庆垭电站水库断  
。
法做进一步的拓展和研究以满足工程实践的需要  
ESRI Arcgis10．4  
， 6 ，  
面 共有 个 占总数的  
15．79%;  
第三类是河流上的水文站控  
本文拟采用  
公司的  
软件来处理芙蓉江流  
， 3 ，  
制断面 有 个 占总数的  
7．89%， 、  
它们是旺草水文站断面 长  
，
域内河道断面的汇水面积 同时通过  
python Arcigs  
调用  
中相应  
， 1  
坝水文站断面和五家院子水文站断面 从图 可以看到本次分  
，
的水文工具形成汇水面积处理模型 批量获取河道断面的汇水  
， ，  
面积 将计算的结果和已有的数据进行比较分析 同时将该方  
38  
，
个河道断面的分布情况 其中水文站  
析选取的三种类型共  
、 、 、 、  
法应用到洪渡河流域 桐梓河流域 綦江流域 赤水河流域 大  
3 (  
类型的 个断面有在芙蓉江干流上游的 旺草水文站断面  
) ，  
有
、 7  
渡口以上区域 大渡口以下干流区域以及六盘水区域等 个研  
( ) ，  
在芙蓉江干流下游的 长坝水文站断面 还有位于芙蓉江一级  
，
究区进行验证 为河道断面汇水面积的勾绘提供一种新的借鉴  
(
支流梅江上的 五家院子水文站断面  
) ; 6  
个水库型断面则分布  
。
、
在贵州省境内的芙蓉江最大的三条一级支流清溪河 三江河梅  
方法  
; ，  
江上 支流汇口型断面则广泛分布于芙蓉江流域的支流上 因  
1
材料与方法  
，
此 本次计算分析选取的河道断面具有较强的代表性  
。
38  
研究区域的河流水系情况和本次分析选取的  
个河道断  
1．1  
研究区概况和数据来源  
1
面分布情况如图 所示  
。
1．1．1  
研究区概况  
38  
，
个断面的汇水面积数据均来源于水利普查资料 如表  
2
，
本次计算的断面均位于贵州省遵义市的芙蓉江流域 根据  
“ ” ，  
中 已有资料面积 栏所示 其汇水面积最大值为长坝水文站  
，
［13］  
《 ·  
中国河湖大典 长江卷  
》
《
》 ，  
贵州河湖 记载 芙蓉 江  
和
2 2  
5 454 km ， ， 7 km 。  
最小值为铁钉岩水库 汇水面积为 本文  
为
( 107°02'E～107°52'E，28°08'N～29°20'N)  
发源于贵州省遵义市  

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