一种流域山洪风险识别与提取方法
【专利摘要】本发明公开了一种流域山洪风险识别与提取方法。本发明的方法可以利用现在已经全国覆盖的DEM数据，在大区域范围内提取并识别存在山洪风险的流域并进行分级，这为山洪泥石流提供了新的更广、更全面的判断依据；对于选择性地加强山洪防范，布设预警和防洪设施，提升山洪地质灾害的监测预警能力具有重要应用价值；可以实现对山洪灾害防治工作的决策提供辅助支持。
【专利说明】一种流域山洪风险识别与提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种根据地形数据直接识别山洪灾害风险的技术方法，具体地说，涉 及一种流域山洪风险识别与提取方法。
【背景技术】
[0002] 山洪灾害是指因降雨在山丘区引发的洪水及由洪水诱发的泥石流、滑坡等对国民 经济人民生命财产造成损失的灾害。我国是一个多山的国家，山丘区面积约占国土面积的 2/3,山洪灾害发生十分频繁而严重，每年都造成大量人员伤亡和财产损失。我国山洪灾害 具有分布广泛、发生频繁、突发性强、监测预警难、成灾快、破坏性大等特点。据统计，20世 纪90年代以前，全国每年山洪灾害死亡人数约占洪涝灾害死亡总人数的2/3,21世纪以来 已上升到80% ;山洪灾害导致大量群死群伤事件，严重破坏基础设施和生态环境，已成为威 胁人民群众生命财产安全的突出隐患，直接影响广大人民群众生产生活。
[0003] 但是，目前在山洪灾害防范方面却仍然没有可靠的技术。我国山洪灾害防治规划 的总体思路是：以最大程度地减少人员伤亡为首要目标；以防为主，防治结合；以非工程措 施为主，非工程措施与工程措施相结合。国家水利、国土、气象等部门启动的2013-2015全 国山洪调查，重点还是风险区划。学术上仍然在讨论山洪的成因、山洪水文计算方法等问 题；我国专利局网站上已经公开的40余个相关专利，主要集中在监测装置、预警软件、水文 计算方法、工程结构设计等方面，如山洪灾害预警预测系统（CN201410244890)、基于物联网 的山洪地质灾害监测装置（CN103914952A)、一种阶梯-双潭结构型山洪泥石流排导槽及其 应用（CN103806410A)、山洪泥石流地质灾害监控预警装置及方法（CN103745573A)、面向山 洪演进数值模拟的计算网格流出率的修正方法（CN103530462A)、一种小流域山洪灾害预警 指标确定方法（CN103400337A)等。
[0004] 现有的流域山洪风险识别或风险评估技术主要从灾害风险理论出发，考虑致灾因 子、承灾体与孕灾环境三方面的因素来综合确定。其局限性包括：（1)综合计算的模型很 多，最终评估结果缺乏可比性。（2)实际应用中，需要许多相关数据的支持，如数字高程模 型、历史降雨资料、土地利用数据、地理区位、人口分布、社会经济统计数据等等。这些数据 来源不一，标准不一，难以完整收集，而且许多数据是随着时间动态变化的。（3)评估计算过 程复杂，主观因素较多，无法实现自动化。
[0005] 另外一类山洪灾害预警防范的技术是基于硬件监测设施的方案。如水位探测器、 雨量传感器等，通过无线传输将溪流状态信息发送到监控中心或具体值班人手机上，再触 发预警信号。这种技术体系的缺点是可靠性不足，多个环节都存在失效的风险。传感器可 能被自然或人为因素破坏、无线传输的影响因素很多，如供电、信号、雷电等，监控中心及值 班人也都有一个人为判断的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种流域山洪风险识别与提取方 法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种流域山洪风险识别与提取方法，包括如下步骤：
[0009] (1)检查数字高程模型的数据质量，重采样到合适的空间分辨率。山洪所对应的小 流域范围一般在几平方公里到几百平方公里范围，所以空间分辨率可设置为20-40米。
[0010] (2)累积汇流阈值设定与河网提取、分级。利用常见的地理信息系统软件或专业的 水文分析工具，或根据流域提取算法（如D8算法）提取出水系，其中过程包括填洼、水流方 向计算、累积汇流阈值设定（可先设置一个较小的值，如10000平方米）、生成河网。对河网 水系进行Straler编码。Straler编码可见《地理研究》2009年7月，第28卷第4期。具 体过程见实施案例。
[0011] (3)子流域范围提取。根据Strahler编码后的水系数据，提取相应的各级子流域， 转换成矢量图层。
[0012] (4)计算流域范围的面积S及面积因子Fs。S在流域矢量图层获得后可以直接计 算得到。查看S数值，如果大部分流域的面积在数十平方千米左右，则认为这个尺度是合适 的。因为计算过程中的算法问题、DEM数据的缺陷，可能出现一些只有1平方千米左右的流 域。这类流域可以忽略或者合并到相邻的流域。但是如果流域面积总体偏小或者偏大，则 可以调整累积汇流阈值并重复（2)、（3)、（4)步骤。面积因子值的计算依据公式（1)。
【权利要求】
1. 一种流域山洪风险识别与提取方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 检查数字高程模型的数据质量,采样20-40米的空间分辨率； (2) 累积汇流阈值设定与河网提取、分级：利用常见的地理信息系统软件或专业的水 文分析工具，或根据流域提取算法提取出水系，其中过程包括填洼、水流方向计算和累积汇 流阈值设定，生成河网，对河网水系进行Straler编码； (3) 子流域范围提取：根据Strahler编码后的水系数据，提取相应的各级子流域，转换 成矢量图层； (4) 计算流域范围的面积S及面积因子Fs :S在流域矢量图层获得后可以直接计算得 至IJ;面积因子值的计算依据公式（1)，
其中，Fs为某个流域的面积因子值，S为该流域的面积，m为流域的数量，为第j个流 域的面积； (5) 自动寻找出山口：出山口为流域水系末端的节点，利用这一特征，自动提取出山口 位置； (6) 流域主轴朝向因子的计算：提出了利用干流走向来表示流域主轴朝向的方法，针 对山区流域水系多弯曲的问题，根据各河段的走向和长度进行加权计算流域主轴朝向的方 法，公式⑵?⑷所示；
式中DWj表示某河段j在当前流域内的权重贡献率；Lj为河段j的长度；m为河段数，m条河段组成了流域内的整条河流；L为当前流域范围内水系总长；Aj为河段j的沿着流向 的矢量方向；A为该流域的主轴朝向；对方向的定义：正东方向为0°，按逆时针方向旋转一 周至360° ; (7) 流域坡降比的计算：与主轴朝向类似的方法，以河段长度权重计算平均坡降比，方 法如公式（5);
经简化可得公式（6); C1 ΔΗ Slope=公式 ￠) L 式中Slope为流域平均坡降，AHi为流域内各河段的高程落差，Li为该落差对应的河 段长度，ΛH为总落差，L为河段总长度，η为流域内依Strahler编码所分割的河段个数； (8) 计算流域平均海拔H与海拔因子Fh，计算方法如公式（7)?（8);
式中，Hi为DEM中某一个格网的海拔高程，k为格网的个数；Hp为区域最佳降雨海拔，可 查询区域气候资料获得；Hmx和Hmin分别为区域海拔最大值、最小值；HiMAX和HiMIN分别为当 前流域i内部海拔的最大值、最小值； (9) 区域雨季主导风向与山谷主轴朝向的夹角Θ与朝向因子F0计算，如公式（9)? (10)：
其中，W为雨季主导风向，可从区域气候资料的风玫瑰花图中读取。W的方向定义：正 东方向为〇°，按逆时针方向旋转一周至360°，注意此处的风向是风速矢量的方向，风玫 瑰花图中的风向是指来源方向，需要加180° ;θ取W与A之间较小的夹角的绝对值，故 0° <Θ< 180。； (10) 山洪风险值P计算：山洪风险值P由流域的朝向、面积、海拔、坡降比决定，计算方 法如公式（11)， P=FsXFaXFeXSlope公式（11) 根据P值，制作山洪风险专题图层。
【文档编号】G06F19/00GK104318085SQ201410534258
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】林广发, 杨城, 李清远, 刘鑫垚, 叶金玉 申请人:福建师范大学