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電腦科技的奇蹟：如何用數位高程模型自動化集水區劃定？
集水區劃定是識別集水區邊界的過程，通常也稱為集水盆地、排水盆地或河流盆地。這是一個在許多環境科學、工程和管理領域的重要步驟，例如研究洪水、水生棲息地或水污染。歷史上，集水區劃定是依靠地理學家、科學家和工程師在紙質地形圖上手工進行的。然而，隨著電腦和電子數據的使用，自1980年代起，集水區劃定的自動化方法逐漸發展起來，目前這些方法已經被廣泛應用。
集水區是水文學中一個基本的地理單位，水文學研究地球上水的運動、分布和管理。
目前的自動化集水區劃定方法主要使用數位高程模型（DEMs），這些數據集表示地球表面的高度。透過專門的水文模型軟體，如WMS，或地理信息系統（GIS）軟體如ArcGIS或QGIS，甚至使用Python或R等程式語言，進行數位化的集水區劃定，這些都大幅提升了效率。
人工集水區劃定的歷史
傳統的集水區劃定方法通常是在紙質地形圖上手工描繪，或使用透明覆蓋層。研究人員會使用計量器來估算集水區的面積，或將結果數位化以便於使用地圖軟體。即使在數位時代，人工集水區劃定仍然是一項有用的技能，以確認軟體生成的集水區邊界是否正確。根據美國地質調查局的說法，人工集水區劃定有五個步驟：
- 找到地圖上沿著河流的興趣點，即"集水區排水點"。
- 想象或描繪水流線，從地形等高線的陡坡方向指向下方。
- 標記圍繞河流的地形高點（山峰）。
- 標記沿著等高線劃分流向的點（山脊）。
- 連接標記，劃定集水區。
這一過程中，集水區的邊界應與經過的等高線垂直，並且不應穿越河流，除了在排水點的地方。儘管人工方法精確度較高，但容易受到分析者的判斷影響，且在某些情況下可能需要進行實地考察以確認地形特徵。
自動化集水區劃定的優勢
使用電腦軟體進行集水區劃定的速度比傳統手工方法快得多，且由於消除了主觀性，因此結果也更為一致。自1980年代以來，自動化集水區劃定方法已在科學和工程界廣泛應用。近年來，科學家甚至在火星上也應用了電腦方法來劃定集水區。
自動化的集水區劃定利用數位地形數據，通過數位高程模型（DEMs）計算水流方向和累積流量。
數位高程模型的獲取主要有兩種方式，最早是通過掃描和數位化介紹的紙質地形圖，而現在則多利用航空或衛星遙感技術。為了獲得可信的集水區劃定結果，數位高程模型首先需要經過處理或“調整”，以填補洼地、計算流向及累積流量。
軟體工具的發展
集水區劃定的專用軟體始於FORTRAN，例如CATCH和DEDNM。隨著地理信息系統（GIS）和水文模型軟體的使用，集水區劃定工具已被整合到許多流行的GIS軟件中，如ArcGIS、QGIS和GRASS GIS。還有獨立的集水區劃定程序如TauDEM，以及許多針對特定地區的網站工具，能夠提供流量統計及水質分析等附加功能。
在自動化過程中，如D8和D∞等流向計算算法，不同算法間的選擇也會影響結果的準確度。
儘管電子集水區劃定的效率顯著，但這些方法並不總是正確，因為錯誤可能源於數位地形數據的準確性及解析度等問題。此外，許多機構仍然強調自動化結果需要經過檢查以驗證其準確性。
當我們正逐步進入自動化的未來，如何確保所獲得的信息在環境管理中對我們實際有用?
