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电脑科技的奇迹：如何用数位高程模型自动化集水区划定？
集水区划定是识别集水区边界的过程，通常也称为集水盆地、排水盆地或河流盆地。这是一个在许多环境科学、工程和管理领域的重要步骤，例如研究洪水、水生栖息地或水污染。历史上，集水区划定是依靠地理学家、科学家和工程师在纸质地形图上手工进行的。然而，随着电脑和电子数据的使用，自1980年代起，集水区划定的自动化方法逐渐发展起来，目前这些方法已经被广泛应用。
集水区是水文学中一个基本的地理单位，水文学研究地球上水的运动、分布和管理。
目前的自动化集水区划定方法主要使用数位高程模型（DEMs），这些数据集表示地球表面的高度。透过专门的水文模型软体，如WMS，或地理信息系统（GIS）软体如ArcGIS或QGIS，甚至使用Python或R等程式语言，进行数位化的集水区划定，这些都大幅提升了效率。
人工集水区划定的历史
传统的集水区划定方法通常是在纸质地形图上手工描绘，或使用透明覆盖层。研究人员会使用计量器来估算集水区的面积，或将结果数位化以便于使用地图软体。即使在数位时代，人工集水区划定仍然是一项有用的技能，以确认软体生成的集水区边界是否正确。根据美国地质调查局的说法，人工集水区划定有五个步骤：
- 找到地图上沿着河流的兴趣点，即"集水区排水点"。
- 想象或描绘水流线，从地形等高线的陡坡方向指向下方。
- 标记围绕河流的地形高点（山峰）。
- 标记沿着等高线划分流向的点（山脊）。
- 连接标记，划定集水区。
这一过程中，集水区的边界应与经过的等高线垂直，并且不应穿越河流，除了在排水点的地方。尽管人工方法精确度较高，但容易受到分析者的判断影响，且在某些情况下可能需要进行实地考察以确认地形特征。
自动化集水区划定的优势
使用电脑软体进行集水区划定的速度比传统手工方法快得多，且由于消除了主观性，因此结果也更为一致。自1980年代以来，自动化集水区划定方法已在科学和工程界广泛应用。近年来，科学家甚至在火星上也应用了电脑方法来划定集水区。
自动化的集水区划定利用数位地形数据，通过数位高程模型（DEMs）计算水流方向和累积流量。
数位高程模型的获取主要有两种方式，最早是通过扫描和数位化介绍的纸质地形图，而现在则多利用航空或卫星遥感技术。为了获得可信的集水区划定结果，数位高程模型首先需要经过处理或“调整”，以填补洼地、计算流向及累积流量。
软体工具的发展
集水区划定的专用软体始于FORTRAN，例如CATCH和DEDNM。随着地理信息系统（GIS）和水文模型软体的使用，集水区划定工具已被整合到许多流行的GIS软件中，如ArcGIS、QGIS和GRASS GIS。还有独立的集水区划定程序如TauDEM，以及许多针对特定地区的网站工具，能够提供流量统计及水质分析等附加功能。
在自动化过程中，如D8和D∞等流向计算算法，不同算法间的选择也会影响结果的准确度。
尽管电子集水区划定的效率显著，但这些方法并不总是正确，因为错误可能源于数位地形数据的准确性及解析度等问题。此外，许多机构仍然强调自动化结果需要经过检查以验证其准确性。
当我们正逐步进入自动化的未来，如何确保所获得的信息在环境管理中对我们实际有用?
