基于ArcGIS的DEM流域劃分

程 崢，李永勝，高微微

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710127)

自20世紀(jì)50年代后期以來，DEM在測繪、土木、地質(zhì)、防洪、農(nóng)業(yè)、景觀建筑、道路設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、軍事工程與戰(zhàn)場仿真等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。在水文分析中的應(yīng)用雖相對較晚，但其發(fā)展卻相當(dāng)迅速。從DEM直接提取河網(wǎng)及相關(guān)流域信息，是分布式水文模型開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)。由DEM自動獲取水系和子流域特征，是流域參數(shù)化方便而迅速的一種途徑。河網(wǎng)生成的準(zhǔn)確性直接影響水文模型模擬的精度，生成的河網(wǎng)需盡可能反映區(qū)域地形。要在柵格DEM上提取流域信息，柵格間流向的判別是基礎(chǔ)［1］。本文利用 ArcGIS軟件的水文分析工具以兩種不同方法從DEM中提取流域單元，并對兩種方法進(jìn)行了簡單的對比，為基于DEM的流域劃分提供參考。

1 ArcGIS下的水文分析

水文分析是DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用的一個(gè)重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流網(wǎng)絡(luò)，成為大多數(shù)地表水文分析模型的主要輸入數(shù)據(jù)。表面水文分析模型應(yīng)用于研究與地表水流有關(guān)的各種自然現(xiàn)象如洪水水位及泛濫情況，或者劃定受污染源影響的地區(qū)，以及預(yù)測當(dāng)某一地區(qū)的地貌改變時(shí)對整個(gè)地區(qū)將造成的影響等，應(yīng)用在城市和區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)及森林、交通道路等許多領(lǐng)域，對地球表面形狀的理解也具有十分重要的意義。這些領(lǐng)域需要知道水流怎樣流經(jīng)某一地區(qū)，以及這個(gè)地區(qū)地貌的改變會以什么樣的方式影響水流的流動。

基于DEM的地表水文分析的主要內(nèi)容是利用水文分析工具提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、河流網(wǎng)絡(luò)以及對研究區(qū)的流域進(jìn)行分割等。通過對這些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再現(xiàn)水流的流動過程，最終完成水文分析過程［2］。

2 利用集水區(qū)劃分流域的方法

2.1 DEM 預(yù)處理

DEM被認(rèn)為是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內(nèi)插及一些真實(shí)地形的存在，使得DEM表面存在著一些凹陷的區(qū)域。那么這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流模擬時(shí)，由于低高程柵格的存在，從而使得在進(jìn)行水流流向計(jì)算時(shí)在該區(qū)域?qū)⒌玫讲缓侠淼幕蝈e誤的水流方向。因此，在進(jìn)行水流方向的計(jì)算之前，應(yīng)該首先對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無洼地的DEM。在ArcGIS中通過洼地提取和洼地深度計(jì)算得到填挖閾值，然后利用hydrology中的fill工具實(shí)現(xiàn)填挖，為了實(shí)現(xiàn)洼地的充分填挖，這個(gè)過程一般需重復(fù)進(jìn)行幾次。如果分析時(shí)對下陷點(diǎn)沒有要求，可以全部填挖，而不需要進(jìn)行閾值設(shè)置。

2.2 水流方向的確定

水流方向是指水流離開每一個(gè)柵格單元時(shí)的指向［3］。地表徑流在流域空間內(nèi)總是從地勢高處向地勢低處流動，最后經(jīng)流域出口排出流域。為了準(zhǔn)確地劃定流域界線，首先要確定水流在每個(gè)柵格單元格內(nèi)的流動方向。在ArcGIS中通過將中心柵格的8個(gè)鄰域柵格編碼，水流方向便可以以其中的某一值來確定。

2.3 匯流累積量的提取

在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算而來的。在ArcGIS中通過Fill Accumulation工具確定所有流入本單元格的累積上游單元格數(shù)目來生成流域匯流能力柵格圖。從每個(gè)柵格單元格出發(fā)依次掃描水流方向矩陣，沿水流方向追蹤直到DEM邊界。當(dāng)整個(gè)水流方向矩陣掃描完畢，就可以得到流域匯流能力的柵格分布圖。匯流柵格上每個(gè)單元格的值代表上游匯流區(qū)內(nèi)流入該單元格的上游柵格單元格的總數(shù)(NIP)，NIP值較大者，可視為河谷，NIP值等于零則是較高的地方，可能為流域的分水嶺。

2.4 河網(wǎng)的提取

當(dāng)匯流量達(dá)到一定值的時(shí)候，就會產(chǎn)生地表水流，那么所有那些匯流量大于那個(gè)臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。在ArcGIS中有多種生成河網(wǎng)的方法，可以利用Raster Calculator或multi map output工具中的con命令計(jì)算。本文利用reclassfy工具進(jìn)行河網(wǎng)的提取，將河網(wǎng)分為兩類，并設(shè)定閾值。將小于閾值的數(shù)據(jù)歸為No Data，將其他數(shù)據(jù)歸為1。通過重分類便可以生成河網(wǎng)。然后通過Stream link的計(jì)算，即得到每一個(gè)河網(wǎng)弧段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。

2.5 集水區(qū)的生成

利用集水區(qū)柵格描繪、集水區(qū)矢量化命令進(jìn)行子流域劃分。使用hydrology工具中的watershed工具生成。其思想如下:先確定一個(gè)出水點(diǎn)，也就是該集水區(qū)的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，分析搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過該出水口的柵格，直到所有的該集水區(qū)的柵格都確定了位置，也就是搜索到流域的邊界—分水嶺的位置［4］。

2.6 流域的劃分

在河網(wǎng)提取時(shí)通過設(shè)置不同的閾值可以得到不同尺度的河網(wǎng)，然后利用watershed工具生成集水區(qū)，即可以得到不同細(xì)化的集水區(qū)域，通過對比可以得到適合的流域劃分結(jié)果。本文以陜西某縣25米分辨率的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別將提取河網(wǎng)的閾值設(shè)置為1000，2000，5000。利用上述過程分別得到以下集水區(qū)(如圖1)。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閾值設(shè)為5000時(shí)得到的流域較為合適。這種方法通過不同閾值的改變即可得到相對合理的流域劃分單元。

3 利用河網(wǎng)分級提取流域的方法

3.1 河網(wǎng)分級

流域水系河網(wǎng)自動分級方法有多種，其中較為流行的有Strahler法和Shreve法，ArcGIS軟件中采用的便是這兩種方法［5］。Strahler分級是將所有河網(wǎng)弧段中沒有支流河網(wǎng)弧段分為第1級，兩個(gè)1級河網(wǎng)弧段匯流成的河網(wǎng)弧段為第2級，如此下去分別為第3級，第4級，一直到河網(wǎng)出水口。在這種分級中，當(dāng)且僅當(dāng)同級別的兩條河網(wǎng)弧段匯流成一條河網(wǎng)弧段時(shí)，該弧段級別才會增加。而對于Shreve分級，兩條1級河網(wǎng)弧段匯流而成的河網(wǎng)弧段為2級河網(wǎng)弧段，那么對于以后更高級別的河網(wǎng)弧段，其級別的定義是由其匯入河網(wǎng)弧段的級別之和。本文采用Strahler方法進(jìn)行河網(wǎng)分級，并采用閾值為500的分類級別提取的河網(wǎng)進(jìn)行分級。

圖1 不同閾值下提取的集水區(qū)

3.2 河網(wǎng)的歸類

在ArcGIS中對河網(wǎng)進(jìn)行編輯，選取合適的級別進(jìn)行屬性合并，本文中將一級和二級河網(wǎng)進(jìn)行合并，三級和四級河網(wǎng)進(jìn)行了合并。同時(shí)也可以根據(jù)需要將不同的河網(wǎng)進(jìn)行歸類，人為的將河網(wǎng)進(jìn)行分類，然后通過dissolve工具進(jìn)行融合。

3.3 矢量集水區(qū)的提取

利用上面的方面提取閾值為500的集水區(qū)，然后對其進(jìn)行矢量化。

3.4 空間連接與融合

利用空間連接的方式，將河流的屬性字段添加到分水嶺數(shù)據(jù)中。在連接之前，給歸類后的河流數(shù)據(jù)添加了一個(gè)link字段，并對每個(gè)要素賦予一個(gè)唯一值。連接時(shí)，只需要保證link字段值添加到分水嶺數(shù)據(jù)中即可。在ArcGIS中空間連接以Spatial Jion工具實(shí)現(xiàn)?？臻g連接后再按Link字段進(jìn)行融合即可得到理想的流域劃分(如圖2)。

圖2 流域劃分結(jié)果

4 兩種方法的對比

通過圖1(3)和圖2的對比，可以發(fā)現(xiàn)利用集水區(qū)的流域劃分方法和利用河網(wǎng)分級提取流域的方法在某些區(qū)域的劃分基本一致，但是兩者存在差異。具體不同如下:

(1)利用集水區(qū)的流域劃分方法需要確定閾值，但閾值的確定既要憑經(jīng)驗(yàn)又要不斷的嘗試，利用這種方法提取的流域是自動提取的，不需要人為干預(yù)，使用這種方法提取大流域時(shí)效率值較高。

(2)利用河網(wǎng)分級提取流域的方法則需要人為判定河網(wǎng)的歸屬，根據(jù)需要將河網(wǎng)進(jìn)行歸類，如果要實(shí)現(xiàn)精確的流域劃分則需要花費(fèi)較長時(shí)間。

(3)在實(shí)際操作中，根據(jù)要劃分流域的大小選擇不同的劃分方法，如果要劃分大流域可以利用第一種方法快速生成，如果是小片區(qū)域的流域劃分可以用第二種方法進(jìn)行細(xì)致的劃分，得到較好的結(jié)果。

5 結(jié)論

利用DEM提取流域水文特征在充分提高工作效率的同時(shí)可以保證信息提取的精度，這對于數(shù)字流域建設(shè)、工程規(guī)劃和水資源管理等都具有十分重要的意義。但由于DEM的大小、范圍、所描述的流域以及其本身的特征都直接影響著各種方法的提取效果。因此在基于DEM的流域劃分以及它在水文分析中的應(yīng)用還需要做進(jìn)一步的研究。本文給出的提取流域的方法仍存在一些不足之處，在實(shí)際操作中還有待改進(jìn)。

［1］楊大文，李翀.基于柵格數(shù)字高程模型DEM的河網(wǎng)提取及實(shí)現(xiàn)［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2004，2(03):208－214.

［2］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［3］徐新良，莊大方，賈紹鳳，胡云峰.GIS環(huán)境下基于DEM的中國流域自動提取方法［J］.長江流域資源與環(huán)境，2004，13(04):343－348.

［4］孫慶艷，余新曉，胡淑萍，肖洋，等.基于ArcGIS環(huán)境下DEM流域特征提取及應(yīng)用［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(02):144－147.

［5］孫崇亮，王卷樂.基于DEM的水系自動提取與分級研究進(jìn)展［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2003，18(02):251－256.