基于 ArcGIS圖解建模的水系自動提取研究

賀 丹,曹佳云,付曉婷,唐新莊

(1.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院,陜西西安 710127;2.中國地質(zhì)大學(xué) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院,中國 北京 100083)

水文是重要的自然地理要素,對水系的研究具有十分重要的意義。水系的分布最初是通過數(shù)字化地形圖或其它圖件中的水流線來得到,工作量巨大,且存在水系等級的人為確定以及低等級水流線的省略等問題。近年來,隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)的發(fā)展,高精度 DEM數(shù)據(jù)的方便獲取,人們已經(jīng)將目光轉(zhuǎn)移到從DEM數(shù)據(jù)直接提取水系上面。迄今為止,國內(nèi)外許多專家學(xué)者提出了利用 DEM提取水系的多種算法。O'Callaghan和 mark[1]利用規(guī)則格網(wǎng) DEM模擬坡面流,并用河道匯水面積閾值的方法提取水系特征;Jensen[2]和Garbrecht[3]針對低洼和絕對平地的處理缺陷進(jìn)行了改進(jìn),這種算法通常被稱為D 8算法;這種方法主要是根據(jù) DEM柵格單元和八個相鄰單元格之間的最大坡度來確定水流方向,計(jì)算每個單元格的上游匯水面積。然后確定一個匯水面積閾值,不低于該閾值的單元格標(biāo)記為水系的組成部分。后又有許多學(xué)者提出了多種確定水流流向的算法[4],如 Rho8、FRho8、TAPES-C算法等。其中,D 8是比較傳統(tǒng)的算法,得到了較為廣泛的應(yīng)用。該方法簡單,直接產(chǎn)生連續(xù)的流線段。由于它模擬地表徑流,有一定的模型基礎(chǔ),因而被認(rèn)為是較好的方法。本文以這種算法為基礎(chǔ),研究在 ArcGIS環(huán)境下,利用空間分析建模技術(shù),建立水系自動提取的圖解模型。

1 水系提取基本原理和過程

1.1 DEM數(shù)據(jù)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)插的原因以及一些真實(shí)地形(如喀斯特地貌)的存在,使得DEM表面存在著一些凹陷的區(qū)域[5]?；贒EM提取水系的前提條件為:DEM中不能存在小平原、洼地等凹陷的區(qū)域,且所有的復(fù)雜地形都必須由斜坡構(gòu)成,否則,所提取的水系通道是斷斷續(xù)續(xù)的。然而數(shù)字化得到的 DEM中,往往存在小平原和洼地。為了使提取的水系在流經(jīng)小平原和洼地時,有一個明確的水系通道,因此在提取自然水系之前,需要對DEM中的小平原和洼地部位的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行改造,以使小平原和洼地成為斜坡的延伸部分,經(jīng)過這樣的處理之后,DEM數(shù)據(jù)中的所有地形都由斜坡構(gòu)成。這樣才能保證從 DEM數(shù)據(jù)中提取的自然水系是連續(xù)的[6]。在實(shí)際操作中,一般采用填充的方法,使凹陷區(qū)域的高程等于周圍點(diǎn)的最低高程。

1.2 水系的提取

水系的提取的基本過程分為以下 4步:(1)計(jì)算 DEM中每一個柵格單元的水流方向;(2)計(jì)算每一個柵格單元的匯流累積量;(3)柵格河網(wǎng)的生成;(4)矢量水系的生成[7]。

1.2.1 水流方向的計(jì)算

水流方向是指水流離開每一個柵格單元時的指向。在A rcGIS中通過將中心柵格的 8個鄰域柵格編碼,水流方向便可以其中的某一值來確定,柵格方向編碼如圖 1所示,其中 1代表東;2代表東南;4代表南;8代表西南;16代表西;32代表西北;64代表北;128代表東北[8]。中心柵格的水流方向計(jì)算方法為:依次計(jì)算中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離,得到各鄰域的距離權(quán)落差。柵格間的距離與方向有關(guān),如果鄰域柵格對中心柵格的方向?yàn)檎?、正北、正東、正西,即方向值為 2、8、32、128,則柵格間的距離為 2的開平方根,否則距離為 1。最大距離權(quán)落差所在的那個方向便是中心柵格的水流方向。如果中心柵格的水流方向流向西邊,則中心柵格被賦值為 16;如果中心柵格的水流方向流向東邊,則中心柵格被賦值為 1。例如圖 2中的水流方向計(jì)算結(jié)果。

圖1 流向編碼

圖2 由填洼后 DEM計(jì)算水流方向

1.2.2 匯流累積量的計(jì)算

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。對每一個柵格來說,其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過該柵格,匯流累積的數(shù)值越大,該區(qū)域越易形成地表徑流。由水流方向數(shù)據(jù)到匯流累積量計(jì)算的過程,如圖 3所示。

圖3 由水流方向計(jì)算匯流累積量

1.2.3 柵格河網(wǎng)的生成

匯流累積量代表在一個柵格位置上有多少個柵格的水流方向流經(jīng)該柵格。假設(shè)每一個柵格處攜帶一份水流,那么柵格的匯流累積量則代表著該柵格的水流量。因而,當(dāng)匯流量達(dá)到一定值的時候,就會產(chǎn)生地表水流,那么所有那些匯流量大于那個臨界數(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)。由匯流累積量數(shù)據(jù)計(jì)算柵格河網(wǎng)的過程如圖 4所示。

圖4 由匯流累積量計(jì)算柵格河網(wǎng)(閾值為 6)

2 基于 ArcGIS圖解建模方法的水系自動提取

2.1 ArcGIS圖解建模的基本概念

圖解建模是指用直觀的圖形語言將一個具體的過程模型表達(dá)出來。在這個模型中,分別定義不同的圖形代表輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、空間處理工具,它們以流程圖的形式進(jìn)行組合并且可以執(zhí)行空間分析操作功能。當(dāng)空間處理涉及到許多步驟時,建立模型可以讓用戶創(chuàng)建和管理自己的工作流,明晰其空間處理任務(wù),為復(fù)雜的 GIS任務(wù)建立一個固定有序的處理過程。在 ArcGIS9中,圖解建模的基本工具是模型生成器(Model Builder)。模型生成器是 ArcGIS9所提供的構(gòu)造地理處理工作流和腳本的圖形化建模工具,加速復(fù)雜地理處理模型的設(shè)計(jì)和實(shí)施。模型生成器集成了 3D、空間分析、地統(tǒng)計(jì)等多種空間處理工具。

2.2 水系自動提取圖解模型的生成

根據(jù)上文所述,利用 DEM數(shù)據(jù)提取水系的基本思想是:對已有的DEM數(shù)據(jù),首先要進(jìn)行洼地填充,生成無洼地DEM。在此基礎(chǔ)上計(jì)算出水流方向矩陣、水流匯集矩陣,對水流匯集設(shè)置不同的閾值,來提取不同級別的河網(wǎng),最后用轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換成矢量格式,完成水系的自動提取。其流程圖如圖 5所示。

圖5 水系提取圖解流程圖

建模具體操作是在 ArcToolbox中新建一個new toolbox,在new toolbox中新建一個 model,選擇 edit,打開模型生成器。在模型生成器中建立水系自動化提取模型的步驟如下:

1)添加空間處理工具

在 ArcToolbox中按順序分別將 Spatial Analyst Tools中Hydrology命令下的 Fill、Flow Direction、 Flow Accumu lation和Math命令下的 Greater Than,以及 Convention Tools中 From Raster命令下的 Raster to Polyline。

2)設(shè)置連接與參數(shù)

按照數(shù)據(jù)流的先后順序,連接相應(yīng)圖形要素形成圖解模型,如圖 6所示。同時在模型屬性的 parameters中依次設(shè)置Rater Layer、Output polyline feature和 Input raster or constant為參數(shù)模型。

圖6 Model Builder中利用 DEM提取水系的圖解模型

3)運(yùn)行和驗(yàn)證模型

雙擊 ArcToolbox中的 Model,運(yùn)行模型界面如圖 2.5所示。在對話框中設(shè)置所要提取水系的DEM、結(jié)果保存的路徑和水系閾值的大小,并通過該閾值的大小變化來實(shí)現(xiàn)不同級別水系的提取。在本例中,Raster Layer里輸入 50m分辨率的 DEM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分別設(shè)定閾值為 200和1 000,兩次運(yùn)行模型分別得出匯流累積量大于 200m的河網(wǎng)和 1000 m的河網(wǎng)。結(jié)果如圖 8所示。

圖7 利用 DEM進(jìn)行水系自動提取模型運(yùn)行界面

圖8 水系自動提取模型運(yùn)行結(jié)果

4)保存模型

Model Builder建立的模型有兩種保存形式。一種是保存為文件,一種保存為腳本。在菜單條中單擊 File下的Save命令,保存模型當(dāng)前的狀態(tài);同時在 ArcToo lbox中保存設(shè)置,才可以以便下次打開。保存為文件的方法是:右鍵 ArcToolbox,選擇 Save Settings命令,則該設(shè)置被保存.xml格式。建立好的模型也可以轉(zhuǎn)換為腳本使用,腳本的形式有 Python、Jscript和 VBSc rip t。 在 Model中 單擊 Export命令,選擇 To Script命令 ,保存為 Python、Jscript和 VBScript即可。

3 結(jié)語

基于DEM數(shù)據(jù)自動提取水系的基本思想,采用空間分析建模方法,在 ArcGIS的 Model Builder中一步完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、水流方向計(jì)算、匯流累積量計(jì)算、矢量河網(wǎng)的生成,最終實(shí)現(xiàn)一定級別河網(wǎng)的提取。這種方法與手工方法相比,大大提高了工作效率。由于該算法以 DEM格網(wǎng)點(diǎn)流出的水流將沿最大坡度方向流出為假設(shè)條件,這與實(shí)際水流狀況并不完全相符,尤其在地形平坦區(qū)域,水流方向的隨機(jī)性很大,加之流域水系的形成受到自然和人文因素的綜合影響,地形因素僅僅是其中的一個重要因子,據(jù)此從地形中提取水系,與現(xiàn)實(shí)的水系有一定的出入,因此要使提取的水系更符合實(shí)際,在深入考慮影響水流方向的諸多因子的同時,還需要集成人工智能和模式識別等多種手段。

[1]O'Callaghan F,Mark D M.The extraction ofd rainage networks from digitalelevation data[J].Computer Vision,Graphicsand Image Processing,1984,28:323-344.

[2]Jensen SK,Domingue JO.Extracting topographic structure from digital elevation data for geographic information system analysis[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1988(11):1593-1600.

[3]Garbrecht J,MartzLW.The assignment of drainage direction over flat su rfaces in raster digital elevationmodels[J].Journal of Hydrology,1997(193):204-213.

[4]TurcotteR,Fortin JP,RousseauA N,eta.l Determ ination of the drainage structure of a watershed using a digital elevation model and a d igital river and lake network[J].Journal ofHydrology,2001(3-4):225-242.

[5]湯國安,楊昕.A rcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].科學(xué)出版社,2007(11).

[6]陳永良,劉大有,虞強(qiáng)源.從 DEM中自動提取自然水系[J].中國圖像圖形學(xué)報(bào),2002,7(1):91-96.

[7]孫艷玲,劉洪斌等.基于 DEM流域河網(wǎng)水系的提取研究[J].資源調(diào)查與環(huán)境,2004,12(25);18-22.

[8]高鑫磊.GIS壞境下基于 DEM的流域有動提取方法[J].北京水務(wù),2009,2;46-48.