基于ArcGIS和DEM在水文流域模擬中的應(yīng)用

王敏嬙

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

水資源是我們地球上寶貴的資源，更是我們賴以生存的基礎(chǔ)，而現(xiàn)如今水資源一度缺乏和水量分布嚴(yán)重不均成為我們必須要重視的問題。ArcGIS的水文模擬分析功能為研究水流方向提取、河網(wǎng)提取、流域分割等提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析工具。實(shí)驗(yàn)主要旨在介紹基于DEM并結(jié)合ArcGIS9.2中的水文分析的方法，通過對基本水文特征的提取和基本水文分析，在DEM的基礎(chǔ)上形成水流的運(yùn)動走向，最終完成區(qū)域的水文分析過程。

1 分析數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)軟件

近十幾年來，隨著3S技術(shù)在水文模擬研究中的應(yīng)用，流域水文模擬的研究方法發(fā)生了改變其特點(diǎn)是通過GIS等空間分析技術(shù)計(jì)算流域的基本地形參數(shù)，從而使水文模擬效率得以顯著提高。國外研發(fā)了許多能生成數(shù)字流域的成熟算法和軟件，如 ESRI提供的 Arc Hydro Tools模塊，RSI提供的River Tools，Garbrecht J，Martz W的TOPAZ工具等。在國內(nèi)由于GIS起步稍晚一些，但水文與3S技術(shù)的結(jié)合是我國水文模型研究的必然發(fā)展趨勢，并且能否善于利用較成熟軟件也是一個影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和精準(zhǔn)度的重要條件。本文重點(diǎn)利用ArcGIS的水文分析模塊和DEM數(shù)據(jù)相結(jié)合，對河流地區(qū)進(jìn)行流域分析和模擬的過程。

數(shù)字高程模型DEM作為4D(DEM、DLG、DOM、DRG)產(chǎn)品中的一種，其應(yīng)用非常廣泛。其中柵格型DEM是比較普遍的格式，計(jì)算處理簡單有效，且和遙感數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)上容易匹配，因此在水文領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 水文分析的實(shí)現(xiàn)過程

2.1 無洼地DEM 生成

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，在進(jìn)行水流方向計(jì)算時(shí)，其表面存在的一些凹陷區(qū)域會影響到研究結(jié)果。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。利用ArcGIS中的Hydrolody模塊，通過Sink函數(shù)和Fill函數(shù)將洼地填充，根據(jù)洼地深度確定合理填充閾值，生成無洼地的數(shù)字高程模型，使水流能暢通流至河口，實(shí)際上這一步是為了替換掉不好的柵格點(diǎn)數(shù)據(jù)，例如有些中心點(diǎn)的高度高于周圍鄰域點(diǎn)的值，致使水無流向方向，則要修改這些點(diǎn)。如圖1和圖2所示為填洼前后的對比。

圖1 DEM原圖

圖2 經(jīng)過填洼后的Filled DEM

2.2 水流方向分析

在ArcGIS中采用的就是D8算法，在Filled DEM中由于有無洼地區(qū)域的存在，使得自然流水可以暢通無阻地流至區(qū)域地形的邊緣。因而，經(jīng)洼地填充之后，河流區(qū)域的河口就能顯示出來了。在上一步生成的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用Flow Direction命令便可進(jìn)行水流流向分析，如圖3所示。

圖3 經(jīng)過水流方向計(jì)算后的柵格圖

2.3 匯流累計(jì)量

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。在實(shí)驗(yàn)中由于缺少當(dāng)?shù)氐木唧w資料，故所有的柵格配以相同的權(quán)值，計(jì)算出來的匯流累積量的數(shù)值就代表著該柵格位置流入的柵格數(shù)的多少。

2.4 河網(wǎng)提取分析

河網(wǎng)提取分析也就是河網(wǎng)的生成，一般分為3個步驟:

1)閾值的設(shè)定

在設(shè)定閾值時(shí)，應(yīng)該充分對研究區(qū)域和研究對象進(jìn)行分析，通過不斷的實(shí)驗(yàn)和利用現(xiàn)有地形圖等其它數(shù)據(jù)輔助檢驗(yàn)的方法來確定能滿足研究需要并且符合研究區(qū)域地形地貌條件的合適的閾值。河網(wǎng)級別不同所代表的匯流累積量也不同，河網(wǎng)級別越高，匯流累積量越大，根據(jù)柵格匯流能力的分析結(jié)果，將匯流能力超過一定閾值(本文值大于1 000 000)的柵格作為水道，將小于該閾值的柵格作為產(chǎn)流區(qū)，從而劃分河流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2)柵格河網(wǎng)的生成

利用map algebra工具集中的con命令，它是基于柵格進(jìn)行有條件的查詢并將查詢結(jié)果賦予新的柵格數(shù)據(jù)中。也可以利用Spatial Analysis分析模塊下的Raster Calculator來計(jì)算出所有大于設(shè)定閾值的柵格，這些柵格就是河網(wǎng)的潛在位置。根據(jù)所設(shè)定的閾值對整個區(qū)域進(jìn)行判斷，匯流累積量大于閾值的柵格，采取重分類將其屬性值賦為1，小于或等于閾值的柵格設(shè)置為無數(shù)據(jù)，最終形成河網(wǎng)水系。

3)柵格河網(wǎng)矢量化

在hydrology工具集中提供了將生成的柵格河網(wǎng)進(jìn)行矢量化，就可以得到矢量形式的河網(wǎng)圖。圖4是本實(shí)驗(yàn)區(qū)域矢量形式的河網(wǎng)圖。

圖4 矢量化后的河網(wǎng)圖

圖5 流域的盆地

2.5 河網(wǎng)分級

河網(wǎng)分級是對一個線性的河流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分級別的數(shù)字標(biāo)識。在ArcGIS的水文分析中，提供兩種常用的河網(wǎng)分級方法:Strahler分級和Shreve分級。結(jié)合實(shí)際情況，本次分析采用了Shreve的分級方式，得到河流分級疊加在填充后的DEM。

2.6 河流流域盆地確定

流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域。任何一個天然河網(wǎng)都由大小不等、形態(tài)不一的水道聯(lián)合而成，每個水道都有其匯水范圍和流域面積，這樣就形成了子流域，較大的流域通常由這些子流域聯(lián)合而成。通過Basin命令，可確定流域盆地，圖5為該區(qū)域的流域盆地。

確定流域的出水口位置，即將所有水系最終注入該點(diǎn)的所有子流域重新生成為一個流域，而流域邊界即為全流域分線，利用watershed工具，得到出水點(diǎn)的匯水區(qū)域。而對于匯水區(qū)出水口的確定，用hydrology工具集中的snap pour point工具尋找匯水區(qū)出水口。那些屬性值存在的點(diǎn)作為潛在的出水點(diǎn)，在指定距離內(nèi)于匯流累計(jì)量數(shù)據(jù)層上搜索那些具有較高匯流累計(jì)量柵格點(diǎn)的位置，這些搜索到的柵格點(diǎn)就是小級別流域的出水點(diǎn)，也可以利用已有的出水點(diǎn)的矢量數(shù)據(jù)。如果沒有出水點(diǎn)的柵格或矢量數(shù)據(jù)，則可以用已有河網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)一步生成stream link數(shù)據(jù)，作為匯水區(qū)的出水口數(shù)據(jù)。根據(jù)出水口的位置確定的匯水區(qū)域如圖6所示。最后疊加河網(wǎng)層，得到出水口流域地表模擬圖，如圖7所示。

圖6 出水點(diǎn)的匯水區(qū)域

圖7 最終得到的出水口流域地表模擬圖

2.7 精度校驗(yàn)

如果對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果不確定時(shí)，可以手動提取流域邊界，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。這種校驗(yàn)一般使用定量分析提取誤差，即將自動提取的子流域面積與結(jié)合手工量測的結(jié)果進(jìn)行對比分析。具體做法是:將地形圖和遙感影像經(jīng)過幾何糾正配準(zhǔn)到同一投影坐標(biāo)下，結(jié)合已有的DEM生成三維流域地貌圖，以此為基礎(chǔ)，手工提取了流域邊界，劃分了子流域，并將其與利用DEM自動提取的流域進(jìn)行空間對比分析。DEM在水文模擬中的應(yīng)用主要應(yīng)用時(shí)描述流域地形，包括流域劃分和子流域邊界的確定、河網(wǎng)的識別和提取、坡度、坡向的確定等等，從而為流域分布式水文模型的構(gòu)建提供下墊面參數(shù)。通過離散點(diǎn)數(shù)據(jù)修改DEM后，利用填洼算法再次對DEM進(jìn)行修正，由此提取的流域特征比較符合實(shí)際。

3 結(jié)論與思考

基于DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件的水文分析模塊，確定了某處河流流域水文方向，提取了流域河網(wǎng)水系和流域盆地，模擬了出水口的地表流域模型。研究結(jié)果表明，采用該方法模擬的河流數(shù)字流域水系及面積與水利部門提供的數(shù)據(jù)及真實(shí)地形基本相符，但不完全吻合?？陀^的反映了河流流域水系空間分布狀況。該研究成果將為流域植被與生態(tài)環(huán)境演變過程的進(jìn)一步研究和分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為獲取該流域水系空間分布狀況提供了一種新的方法。而對于不符合的地方進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)誤差的產(chǎn)生主要原因分析是，可能是由于水流出河口后發(fā)生漫散，因此DEM在處理河口地帶精度受到影響，容易造成流域分水線在河口處計(jì)算的誤差，從而造成流域面積計(jì)算的誤差。由于面積誤差發(fā)生在流域出口位置，因此這種面積誤差對以后的流域分析產(chǎn)生影響較小。在此基礎(chǔ)上，采用更高空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)，并融入遙感影像等其它空間信息，將會提高河網(wǎng)、流域范圍等相關(guān)水文信息的質(zhì)量，為流域分析計(jì)算、流域生態(tài)環(huán)境演變等后續(xù)的研究提供參考，這些將是以后研究的一個重點(diǎn)。

［1］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，2007.

［2］湯國安，趙牡丹.地理信息系統(tǒng)［M］北京:科學(xué)出版社，2000.

［3］孫鵬翔，胡昱玲.ArcGIS9.0在水文分析中的應(yīng)用［J］.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，3(10):41－42.

［4］顏亦琪，陶新，楊晉芳等.基于ArcGIS9.2與DEM的三花間水文分析研究［J］.人民黃河，2009，6(31):56－57.

［5］徐新良，莊大方，賈紹鳳等.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(4):343－348.

［6］李翀，楊大文.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(3):208 －214.

［7］馬永勝，侯為軍.基于GIS和DEM的雙陽河流域地表模擬［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38(1):73－77.

［8］朱慶，田一翔，張葉廷.從規(guī)則網(wǎng)格DEM自動提取匯水區(qū)域及其子區(qū)域的方法［J］.測繪學(xué)報(bào)，2005，34(2):129 －133.