ArcGIS環(huán)境下基于DEM的水文特征提取——以縣南溝流域?yàn)槔?br/>

王 程，韓新海

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

1 DEM流域水文特征提取原理與方法

ArcGIS軟件下的水文分析模塊(Hydrology)是根據(jù)DEM格網(wǎng)特征提取原理來建立地表水的運(yùn)動(dòng)模型，輔助分析地表水流的流動(dòng)過程。ArcGIS下水文分析中對(duì)DEM流域水文特征提取包括以下幾點(diǎn):

1.1 洼地填充

洼地指的是低于周圍柵格的區(qū)域，分為偽洼地和自然洼地。偽洼地在柵格DEM中普遍存在，主要來自輸入數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤、不合適的插值方法和柵格大小等方面。大多數(shù)研究者假定所有的洼地都是偽洼地。自然洼地則是實(shí)際中存在的洼地，一般遠(yuǎn)少于偽洼地。研究者普遍認(rèn)為，被高程較高的區(qū)域圍繞的洼地是使用DEM進(jìn)行水文分析的一大障礙，因?yàn)檫@些洼地的存在會(huì)阻礙自然水流朝流域出口流動(dòng)，因此，在DEM提取水系特征之前要進(jìn)行“填洼”預(yù)處理。

現(xiàn)有的提取水系特征的方法的基本思想是將洼地內(nèi)的所有柵格單元墊高至洼地周圍最低鄰接?xùn)鸥駟卧母叱?，從而消除洼地。?duì)于復(fù)雜的地形，在處理洼地時(shí)應(yīng)考慮洼地與平地，洼地與洼地之間的相互嵌套的復(fù)雜情形，對(duì)于平地也不能一概而論，應(yīng)視其位置、形態(tài)和類型的不同，有區(qū)別的加以處理，強(qiáng)調(diào)處理的合理性，以使處理在效率和效果上滿足實(shí)用要求。

1.2 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。流向判斷是建立在3×3的DEM基礎(chǔ)上的，雖然進(jìn)行流向的判斷方法有單流向法和多流向法之分，但單流向法因其確定簡單、應(yīng)用方便而應(yīng)用最廣。目前應(yīng)用最廣泛的單流向法是D8法，也就是最大距離權(quán)落差(最大坡降法)來計(jì)算水流方向，即比較網(wǎng)點(diǎn)與周邊八個(gè)網(wǎng)點(diǎn)間的高程大小與落差，將高程下降最大的方向視為該網(wǎng)點(diǎn)的流向。該方法對(duì)自然狀態(tài)的水流方向進(jìn)行了極大的概括，認(rèn)為網(wǎng)格的產(chǎn)流是點(diǎn)源(即網(wǎng)格中心點(diǎn))河道用一維的線來描述，也刪掉了水流方向的無窮多種可能性，概括為8種可能流向，即東、東南、南、西南、西、西北、北、東北。

1.3 水流長度計(jì)算

水流長度是指在地面上一點(diǎn)沿水流方向到其流向起點(diǎn)(終點(diǎn))間的最大地面距離在水平面上的投影長度。水流長度直接影響地面徑流的速度，進(jìn)而影響地面土壤的侵蝕力。水流長度的提取方式主要有兩種，一種是順流計(jì)算，一種是逆流計(jì)算。

1.4 匯流累積量計(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)算得到的。匯流累積量的基本思想是:以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點(diǎn)處為一個(gè)單位的水量，按照自然水流從高處流往低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算每點(diǎn)處所流過的水量數(shù)值，便得到了該區(qū)域的匯流累積量。

1.5 河網(wǎng)的提取

河網(wǎng)的提取包括河網(wǎng)的生成和河網(wǎng)的分類。

河網(wǎng)的生成基于匯流累積量數(shù)據(jù)，根據(jù)不同級(jí)別的溝谷設(shè)定不同的閾值，但是不同區(qū)域相同級(jí)別的溝谷對(duì)應(yīng)的閾值也是不同的。所以，在設(shè)定閾值時(shí)，應(yīng)通過不斷地實(shí)驗(yàn)并且利用現(xiàn)有的地形圖等資料輔助檢驗(yàn)的方法來確定閾值大小。在ArcGIS軟件中，利用 Map Algebra工具集中地 Multi Map Output工具中的Con命令或者Setnull命令進(jìn)行有條件的查詢可得到柵格河網(wǎng)。它的思想是根據(jù)所設(shè)定的閾值對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行判斷，其中匯流量大于閾值的柵格，其屬性值賦為1，而小于或者等于閾值的柵格設(shè)置為無數(shù)據(jù)。最后對(duì)柵格河網(wǎng)矢量化。另外，對(duì)生成的矢量化河網(wǎng)數(shù)據(jù)還可用的高級(jí)編輯工具進(jìn)行平滑處理。

河網(wǎng)分級(jí)是對(duì)一個(gè)線性的河流網(wǎng)絡(luò)用數(shù)字標(biāo)識(shí)的形式劃分級(jí)別。在地貌學(xué)中，河流的分級(jí)依據(jù)河流的流量、形態(tài)等因素進(jìn)行。不同級(jí)別的河網(wǎng)所代表的匯流累積量不同，級(jí)別越高的河網(wǎng)，其匯流累積量越大。在ArcGIS提供的水文分析中，有兩種常用的河網(wǎng)分級(jí)方法:Strahler分級(jí)和Shreve分級(jí)。兩種分級(jí)方法如圖1所示:

圖1 河流分級(jí)方法

由圖1可知，Strahler分級(jí)是將所有河網(wǎng)弧段中沒有支流河網(wǎng)弧段分為第1級(jí)，兩個(gè)1級(jí)河網(wǎng)弧段匯流成的河網(wǎng)弧段為第2級(jí)，依次下去分別為第3級(jí)，第4級(jí)，一直到河網(wǎng)出水口。Shreve分級(jí)的第1級(jí)河網(wǎng)定義與Strahler分級(jí)相同，所不同的是第一級(jí)以后的分級(jí)，Shreve分級(jí)定義兩條1級(jí)河網(wǎng)弧段匯流而成的河網(wǎng)弧段為2級(jí)河網(wǎng)弧段，對(duì)于以后更高級(jí)別的河網(wǎng)弧段，其級(jí)別的定義是由其匯入河網(wǎng)弧段的級(jí)別之和。

2 研究內(nèi)容及分析

2.1 數(shù)據(jù)源與研究區(qū)概況

本研究的試驗(yàn)區(qū)選擇為黃土高原典型的丘陵溝壑區(qū)——陜北安塞縣縣南溝流域。用于提取水文特征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是縣南溝流域分辨率為2.5 m的DEM(圖2)，該DEM是基于1∶1萬數(shù)字地形圖(包括等高線、高程點(diǎn)和河流)，在ANUDEM軟件平臺(tái)下生成的，具有較高精度和對(duì)形的表現(xiàn)能力。

縣南溝位于黃土高原中部，是延河的一個(gè)小流域，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，地形復(fù)雜，總面積為119.5 km2，海拔高度1 010～1 440 m，地面相對(duì)起伏達(dá)200多米，地面坡度30°以上達(dá)一半以上。此流域是土壤侵蝕、水土流失的嚴(yán)重區(qū)域。

圖2 縣南溝流域2.5 m分辨率DEM

2.2 流域水系特征提取

根據(jù)DEM流域水文特征提取原理，首先對(duì)縣南溝流域2.5 m分辨率原始DEM進(jìn)行填洼處理，生成新的“無洼地”DEM，應(yīng)用無洼地DEM生成水流方向矩陣，生成水流長度圖，根據(jù)兩種不同的水流長度計(jì)算方式分別生成順流水流長度圖和逆流水流長度圖(圖3，圖4)。

圖3 逆流水流長度

圖4 順流水流長度

完成水流長度提取后，應(yīng)用D8單流向算法，計(jì)算匯流累積量，對(duì)DEM進(jìn)行河網(wǎng)的提取。在河網(wǎng)生成過程中，閾值的選定是關(guān)鍵，通過不斷地試算，并利用現(xiàn)有的地形圖等其他數(shù)據(jù)輔助檢驗(yàn)，本研究最終確定900為最佳閾值。圖5為閾值選定為900下所生成的縣南溝流域河網(wǎng)圖，河網(wǎng)生成后，根據(jù)研究區(qū)地形特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用Strahler河網(wǎng)分級(jí)算法，對(duì)生成的柵格河網(wǎng)進(jìn)行河網(wǎng)等級(jí)的劃分(圖6)。

圖5 縣南溝流域河網(wǎng)的生成

圖6 縣南溝流域河網(wǎng)Strahler分級(jí)

2.3 結(jié)果分析

水流長度直接影響地面徑流的速度，進(jìn)而影響到地面土壤的侵蝕力。水流長度的提取和分析在水土保持工作中有很重要的意義。通過計(jì)算得到的縣南溝流域水流長度(順流或逆流長度)，其最大水流長度為18 595.8 m，也證明了此流域是土壤侵蝕、水土流失的嚴(yán)重區(qū)域，與實(shí)際情況符合。

將研究區(qū)的紙質(zhì)河網(wǎng)分布圖進(jìn)行掃描，并通過幾何糾正配準(zhǔn)到同一投影坐標(biāo)系下，與利用DEM自動(dòng)提取的河網(wǎng)分布圖進(jìn)行空間對(duì)比分析。為了檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取的流域和實(shí)際流域之間的誤差，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)系下，結(jié)合已有的DEM生成三維流域地貌圖，并將其與利用DEM自動(dòng)提取的流域進(jìn)行了空間對(duì)比分析，結(jié)果表明，兩者基本吻合。

本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果基本令人滿意，與參考的實(shí)際地形圖與遙感影像的水文分布特點(diǎn)基本一致。利用該方法來提取小流域的水文特征不僅大大提高了工作效率，而且從提取的數(shù)據(jù)精度上來說是可以保證的。

3 結(jié)論與討論

DEM在水利科學(xué)方面的應(yīng)用，其突出優(yōu)勢(shì)是描述流域地形，包括流域邊界、坡度、坡向、河網(wǎng)識(shí)別等。利用DEM提取流域水文特征在提高效率的同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)提取的精度，對(duì)水資源的管理具有十分重要的意義。但是不同分辨率DEM本身數(shù)據(jù)來源具有誤差，因此，高精度DEM對(duì)于流域水文特征的提取精度也存在很大的影響。

ArcGIS軟件中的Hydrology工具為水利工作者提供了多種水文信息提取的功能，可以完成累積量、水流長度、河網(wǎng)提取、流域劃分等多項(xiàng)水文分析任務(wù)。該工具模塊下各水文處理工具所采用的算法是科技工作者共同努力和他們對(duì)已有知識(shí)的繼承和發(fā)展的結(jié)果。通過不斷地實(shí)踐應(yīng)用證明，這些算法都是相對(duì)成熟、有效的，并且隨著基于DEM提取流域特征技術(shù)的不斷發(fā)展和完善。利用DEM提取流域水文特征在提高工作效率的同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)提取的精度，這對(duì)于數(shù)字流域的建設(shè)、農(nóng)業(yè)工程的規(guī)劃和水資源管理等方面都具有十分重要的指導(dǎo)意義。

隨著DEM提取流域特征技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，今后利用DEM提取河流特征的精度也會(huì)提高，尤其是在平坦地區(qū)的提取精度將會(huì)有進(jìn)一步的提高，因?yàn)樵谄教沟牡貐^(qū)現(xiàn)有的算法無法考慮隨機(jī)因素對(duì)河流的影響，提取的水系一般比較平直，而自然水系往往是隨機(jī)地流過平原區(qū)，這就給流域的分布計(jì)算帶來一定的誤差，因此，在基于DEM的地形特征的提取以及它在水文學(xué)中的應(yīng)用這一領(lǐng)域，還需要進(jìn)一步的研究和討論。

［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:科華出版社，2006.

［2］烏倫，劉瑜.地理信息系統(tǒng)原理、方法和應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［3］陳述彭，魯學(xué)軍.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.

［4］趙健，賈忠華，羅紈.ArcGIS環(huán)境下基于DEM的流域特征提?。跩］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2006，17(1):74－76.

［5］唐從國，劉叢強(qiáng).基于ArcHydro Tools的流域特征自動(dòng)提取—以貴州省內(nèi)烏江流域?yàn)槔跩］.地球與環(huán)境，2006，34(3):30－ 37.

［6］孫艷玲，劉洪斌，謝德體，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，2004，25(1):19－ 22.

［7］葉愛中，夏軍，王綱勝，等.基于數(shù)字高程模型的河網(wǎng)提取及子流域生成［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36(5):531－537.

［8］張超，鄭鈞，張尚弘，等.A rcGIS9.0中基于DEM的水文信息提取方法［J］.水利水電技術(shù)，2005，36(11):1－4.

［9］李麗，郝振純.基于DEM的流域特征提取綜述［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2003，18(2):251 －256.

［10］黃娟，申雙和，殷劍敏.基于DEM的江西潦河流域河網(wǎng)信息提取方法［J］.氣象與減災(zāi)研究，2008，31(1):49－53.