基于DEM的烏梁素海東部流域河網(wǎng)信息提取

朱 超,于瑞宏,劉慧穎,孫若鵬,劉金巍

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010021;2.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010021)

基于DEM的烏梁素海東部流域河網(wǎng)信息提取

朱 超1,于瑞宏1,劉慧穎1,孫若鵬1,劉金巍2

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010021;2.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010021)

以烏梁素海東部流域?yàn)檠芯繀^(qū),基于免費(fèi)獲取的3″的Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)數(shù)字高程模型(DEM),利用HEC-GeoHMS模塊,確定流域不同匯流累積量閾值的河網(wǎng)密度,通過二者關(guān)系曲線,得出東部流域最適匯流累積量閾值為15 km2。實(shí)現(xiàn)流域水系提取和子流域劃分,繼而將其與東部流域1∶250000數(shù)字地形圖進(jìn)行疊加。結(jié)果表明:采用DEM提取的水系和子流域與數(shù)字地形圖匹配良好,即3弧秒的DEM可有效應(yīng)用于烏梁素海東部流域河網(wǎng)信息的提取。

數(shù)字高程模型;HEC-GeoHMS;最適匯流累積量;河網(wǎng)信息;自動(dòng)提取

河網(wǎng)信息是反映流域特征的基本骨架,也是構(gòu)建流域分布式水文模型的重要參數(shù)[1]。過去獲取河網(wǎng)信息主要有2種方法:①實(shí)地量測;②從地形圖、航片和衛(wèi)星影像中手工提取。這2種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且其精確性很大程度上受操作者主觀意愿的影響。隨著計(jì)算技術(shù)、3S技術(shù)在水文學(xué)研究中的應(yīng)用,直接從DEM(digital elevation model)中提取河網(wǎng)信息的方法得到了很大的發(fā)展,并在近年來成為水文學(xué)研究的熱點(diǎn)[2]。目前國內(nèi)對流域水文信息自動(dòng)提取的研究工作主要集中在洼地的填充[3-6]、匯流累積量閾值的確定[7-8]等;研究區(qū)域則集中在南方,如太湖流域[9]、鄱陽湖流域[10]、瀾滄江流域[11]等,對于北方干旱區(qū)流域水文信息自動(dòng)提取的研究僅見于柴達(dá)木盆地流域。

烏梁素海東部流域東起全盛西溝,西至昆都侖河,流域面積為4822.59km2。該流域?qū)趿凰睾５乃科胶庥兄匾绊?實(shí)現(xiàn)該流域的水文信息提取不僅對流域產(chǎn)流和河流污染的研究有重要意義,還可以為烏梁素海生態(tài)需水量及富營養(yǎng)化的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)就烏梁素海東部流域進(jìn)行水文信息提取的研究較為少見,筆者利用HEC模型中的HECGeoHMS模塊,在SRTM DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對烏梁素海東部流域進(jìn)行水文信息的提取,可在一定程度上彌補(bǔ)該地區(qū)在水文特征模擬方面研究的不足。

1 研究區(qū)概況

烏梁素海東部流域(圖1)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市和包頭市境內(nèi),屬干旱半干旱氣候區(qū),年平均氣溫為6.6℃,多年平均降雨量為215mm,全年降雨量70%以上集中在7—9月[13]。流域地形以山地為主(約占60%),平均高程為1624m。流域降雨主要通過黃土窯子河排入烏梁素海。

圖1 烏梁素海及其東部流域示意圖

2 數(shù)據(jù)源

研究所用的數(shù)據(jù)為烏梁素海東部流域的SRTM(航天飛機(jī)雷達(dá)地形測量任務(wù))DEM數(shù)據(jù)和國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1∶250000數(shù)字地形圖。

DEM根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可分為3類:等高線、不規(guī)則三角網(wǎng)和柵格型。雖然前2種格式的DEM能更好地描述地形,但柵格DEM由于其簡單有序的數(shù)據(jù)特征而在河網(wǎng)提取中應(yīng)用更多[14]。SRTM DEM是由美國“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)于2000年2月11—22日繞地球飛行176圈,獲取了覆蓋全球80%地區(qū)的雷達(dá)影像后處理得到的。中國境內(nèi)可用的數(shù)據(jù)為3″(分辨率約90m),數(shù)據(jù)的平面基準(zhǔn)為WGS84,高程基準(zhǔn)為EGM96,垂直誤差小于16m(90%置信度)[15]。原始DEM數(shù)據(jù)可從CGIAR-CSI SRTM 90m數(shù)據(jù)庫下載(http://srtm.csi.cgiar.org/),經(jīng)過投影變換、圖像拼接和邊界裁剪等處理可得到研究區(qū)的DEM。

3 研究方法

利用HEC-GeoHMS提取水系特征的原理是:首先確定每個(gè)柵格單元的水流方向,根據(jù)水流方向計(jì)算匯流累積量,再選擇合適的匯流累積量閾值提取河網(wǎng),最后由河網(wǎng)和出水點(diǎn)的位置劃分子流域。主要流程為:DEM的預(yù)處理、水流方向的確定、匯流累積量的計(jì)算、河網(wǎng)的生成和子流域的劃分。

3.1 DEM的預(yù)處理

DEM中的洼地主要來源于原始數(shù)據(jù)、插值過程以及水平和垂直分辨率的限制[16]。某些情況下,洼地單元格的數(shù)目可以達(dá)到柵格單元總數(shù)的5%,甚至更多[17-18]。對于小的或起伏較大的流域,由于地形的落差較高,洼地?？杀缓雎?而對于大的或較平坦的流域,洼地的深度常?？梢猿^實(shí)際高程之間的差值,這時(shí)就會(huì)給水流方向的判斷帶來很大的誤差[19]。因此,在確定水流方向之前,要對DEM進(jìn)行填洼處理。洼地填充的原理是:增加洼地內(nèi)單元格的高程,使其與洼地邊界高程最低的單元格的高程相等[20]。

3.2 水流方向的確定

在填洼后的DEM中,每個(gè)柵格單元都有一個(gè)可以定義的水流方向值。某一柵格單元的水流方向是指水流離開此單元格時(shí)的指向[21],這一概念最早是由Mark等[22-23]提出的。水流方向的確定有單流向法和多流向法2種。單流向法包括D8算法、Rh08算法、Lea算法和D∞算法等,多流向法則包括MFD算法、DAEMON算法和Dinf算法等[24]。其中,最常用的是D8算法[25]。

HEC-GeoHMS中采用D8算法進(jìn)行水流方向的計(jì)算,D8算法假定每個(gè)單元格的水流可能流向8個(gè)相鄰的單元格,水流沿最陡坡度的方向流動(dòng),計(jì)算出中心單元格與周圍8個(gè)單元格的坡度即可確定中心單元格的水流方向[26]。以此類推,可得到所有單元格的水流方向。

3.3 匯流累積量的計(jì)算

沿某單元格水流方向向上搜索至邊界可算出該單元格的匯流累積量,賦予該單元格一個(gè)值,該值表示流入它的上游單元格的數(shù)目,值越高,說明其匯流能力越強(qiáng)。

3.4 河網(wǎng)的生成

河網(wǎng)的生成基于如下假設(shè):如果某單元格的匯流累積量值大于閾值,則該單元格是河網(wǎng)的一部分[17]。因此,選擇一個(gè)匯流累積量閾值,凡是匯流累計(jì)量大于該閾值的單元格均認(rèn)為是河網(wǎng)的組成部分,將這些單元格連接起來,就生成了河網(wǎng),閾值越大,生成的河網(wǎng)的密度越小。

3.5 子流域的劃分

子流域的劃分建立在提取的河網(wǎng)基礎(chǔ)上[28]。劃分子流域時(shí),首先要確定子流域的出水點(diǎn)。所謂出水點(diǎn),一般是指2條河流的匯流點(diǎn)或真實(shí)地形中的水文站或大壩。找到出水點(diǎn)后,沿水流向上游搜索,所有流經(jīng)該點(diǎn)的單元格都被認(rèn)為是子流域的組成部分,一直搜索到流域邊界,將這些單元格集結(jié)在一起就生成了子流域[29]。

4 結(jié)果與討論

4.1 流域水系的提取

在河網(wǎng)提取的過程中,選擇合適的匯流累積量閾值最為關(guān)鍵[30]。閾值的選取通常根據(jù)河網(wǎng)密度來確定。其原理是:隨著匯流累積量閾值的增大,河道起始點(diǎn)的位置會(huì)向流域地勢平坦處“退縮”,河長相應(yīng)縮短,所提取的河流級別也會(huì)變高,河道數(shù)目就會(huì)越來越小[8]。當(dāng)匯流累積量閾值增大到一臨界值時(shí),河網(wǎng)密度的變化趨于平緩。此時(shí)所對應(yīng)的匯流累積量閾值就是最適的匯流累積量閾值。

依次選取 1、5、10、15、20、25、50km2為匯流累積量閾值,計(jì)算出對應(yīng)的河網(wǎng)密度。匯流累積量閾值與河網(wǎng)密度的關(guān)系見圖2。由圖2可以看出,當(dāng)匯流累積量閾值為大于15km2時(shí),河網(wǎng)密度的變化趨于平緩。因此,選取15km2作為生成河網(wǎng)的閾值,生成的河網(wǎng)見圖3。

圖2 河網(wǎng)密度與匯流累積量閾值的關(guān)系

圖3 閾值為15km2時(shí)生成的河網(wǎng)

4.2 子流域的劃分

圖4為自動(dòng)提取的烏梁素海東部流域子流域圖。整個(gè)流域共劃分出18個(gè)小流域,最小子流域面積為15.32km2,最大為1 177.31km2。這些子流域可以和土地利用圖等進(jìn)行疊加運(yùn)算,從而為建立分布式水文模型提供基本參數(shù)[31]。

圖4 烏梁素海東部流域子流域劃分

4.3 精度檢驗(yàn)

4.3.1 基于DEM提取的水系與數(shù)字地形圖中水系的比較

將從DEM中提取的水系與從1∶250000數(shù)字地形圖上得到的河網(wǎng)相比較(圖5),可以看出:二者吻合較好,特別是主干河道基本重合,且基于DEM提取的水系更詳細(xì),因?yàn)樗鼘⑺袇R流累積量超過15km2的河流都提取出來了。由于2002年版內(nèi)蒙古1∶250000數(shù)字地形圖中只記錄了六級及以上等級河流,且目前并無更新的數(shù)字河流,所以本實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以作為其他相關(guān)研究的數(shù)據(jù)源。

圖5 DEM提取的河網(wǎng)與數(shù)字水系的比較

表1 提取的流域面積與實(shí)際流域面積的比較

4.3.2 基于DEM提取的流域與實(shí)際流域的比較

為了檢驗(yàn)基于DEM提取的流域與實(shí)際流域之間的誤差,選取了4個(gè)有代表性的子流域,計(jì)算提取的流域面積并與實(shí)際流域進(jìn)行比較,結(jié)果如表1所示。不難看出,DEM提取的子流域面積與實(shí)際流域面積比較接近,在廣生隆、大佘太和十二分子流域,面積的相對誤差在5%以內(nèi),但在烏拉特前旗流域的誤差較大,原因可能是該地區(qū)地勢較平坦,提取誤差較山區(qū)為大。此外,林杰等[32]認(rèn)為,HEC-GeoHMS對人類活動(dòng)影響較大的流域提取效果不佳,烏拉特前旗流域受人類活動(dòng)影響較大,可能也是誤差較大的原因。

5 結(jié) 論

以免費(fèi)獲取的SRTM DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用HEC-GeoHMS模塊,完成DEM數(shù)據(jù)的預(yù)處理、水流方向的確定、匯流累積量的計(jì)算,并根據(jù)DEM屬性數(shù)據(jù),計(jì)算出不同匯流累積量閾值的河網(wǎng)密度,確定出研究流域的最適閾值為15km2,從而提取出流域水系,其后由水系和出水點(diǎn)的資料,劃分出烏梁素海東部流域的各子流域,由此得到結(jié)論:

a.將基于DEM的水文信息提取結(jié)果與流域數(shù)字地形圖相疊加,表明水系和子流域與數(shù)字地形圖匹配良好,3″的DEM可有效應(yīng)用于烏梁素海東部流域分布式水文模型的建立。

b.流域參數(shù)提取的精度和詳細(xì)程度取決于DEM的質(zhì)量和分辨率[33]。考慮DEM數(shù)據(jù)的精度(3″)和研究區(qū)面積(4823km2),本文的結(jié)果從效率和精度上都是較好的。

據(jù)此認(rèn)為,SRTM DEM數(shù)據(jù)可有效應(yīng)用于烏梁素海東部流域水系及子流域的獲取,這不僅節(jié)省了昂貴的數(shù)字地形圖獲取所需支付的費(fèi)用,同時(shí)為干旱半干旱地區(qū)水系提取提供了高效可行的數(shù)據(jù)源。

[1]PAZ A R,COLLISCHONN W.River reach length and slope estimates for large-scale hydrological models based on a relatively high-resolution digital elevation model[J].Journal of Hydrology,2007,343:127-139.

[2]GRIMALDI S,NARDI F,BENEDETTO F D,et al.A physicallybased method for removing pits in digital elevation models[J].Advances inWater Resources,2007,30:2151-2158.

[3]孔凡哲,芮孝芳.處理DEM中閉合洼地和平坦區(qū)域的一種新方法[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(3):290-294.

[4]王建平,任立良,吳益.一種新的DEM填洼處理算法[J].地球信息科學(xué),2005,7(3):51-54.

[5]謝順平,都金康,王臘春.利用DEM提取流域水系時(shí)洼地與平地的處理方法[J].水科學(xué)進(jìn)展,2005,16(4):535-540.

[6]王培法,都金康,馮學(xué)智.DEM不確定性影響評價(jià)中的填洼分析[J].地理與地理信息科學(xué),2007,23(1):24-26.

[7]孔凡哲,李莉莉.利用DEM提取河網(wǎng)時(shí)集水面積閾值的確定[J].水電能源科學(xué),2005,23(4):65-67.

[8]易衛(wèi)華,楊平.基于DEM數(shù)字河網(wǎng)提取時(shí)集水面積閾值的確定[J].江西水利科技,2008,34(4):259-262.

[9]李晶,張征,朱建剛,等.基于DEM的太湖流域水文特征提取[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2009,34(5):138-142.

[10]蔡玉林,朱紅春,楊麗,等.基于 SRTM DEM的流域特征信息提取:以鄱陽湖流域?yàn)槔齕J].遙感信息,2008(4):15-17,70.

[11]劉剛,趙榮.基于DEM的瀾滄江流域水文信息提取方法的研究[J].地理信息世界,2007,5(1):56-59.

[12]許寶榮,楊太保,鄒松兵.基于DEM的干旱區(qū)河網(wǎng)系統(tǒng)模擬:以柴達(dá)木盆地流域?yàn)槔齕J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2004,19(5):315-319.

[13]于瑞宏,劉廷璽,許有鵬,等.人類活動(dòng)對烏梁素海濕地環(huán)境演變的影響分析[J].湖泊科學(xué),2007,19(4):465-472.

[14]LIN W T,CHOU W C,LIN C Y,et al.Automated suitable drainage network extraction from digital elevation models in Taiwan's upstream watersheds[J].Hydrological Processes,2006,20:289-306.

[15]JAR VIS A,REUTER H I,NELSON A,et al.Hole-filled seamless SRTM data V3,International Centre for Tropical Agriculture(CIAT)[EB/OL].[2009-12-16].http://srtm.csi.cgiar.org.

[16]LINDSAY J B,CREED I F.Distinguishing actual and artefact depressions in digital elevation data[J].Computers&Geosciences,2006,32:1192-1204.

[17]TARBOTON DG,BRAS R L,RODRIGUEZ-ITURBE I.Onthe extraction of channel networks from digital elevation data[J].Hydrological Processes,1991,5:81-100.

[18]AO T Q,TAKEUCHI K,ISHIDAIR A H,et al.Development and application of a new algorithm for automated pit removal for grid DEMs[J].Hydrological Sciences Journal,2003,48:985-997.

[19]MACKAY D S.Extraction and representation of nested catchment areas from digitalelevation models in lakedominated topography[J].Water Resources Research,1998,34:897-901.

[20]謝順平,都金康,羅維佳,等.基于DEM的復(fù)雜地形流域特征提取[J].地理研究,2006,25(1):96-102.

[21]JENSON S K,DOMINIGUE J O.Extracting topographic structure from digital elevation data for geographic information system analysis[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1988,54:1593-1600.

[22]MARKS D M,DOZIER J,FREW J.Automated basin delineation from digital elevation data[J].Geo-Processing,1984,2:299-311.

[23]O'CALLAGHAN J F,MARK D M.The extractionof drainage networks from digital elevation data[J].Computer Vision,Graphics and Image Processing,1984,28:323-344.

[24]GONG J Y,XIE J B.Extraction of drainage networks from large terrain datasets using high throughput computing[J].Computers&Geosciences,2009,35:337-346.

[25]HELMLINGER K R,KUMAR P,FOUFOULA-GEOR GIOU E.On the use of digital elevation model data for Hortonian and fractal analysis of channel networks[J].Water Resources Research,1993,29:2599-2613.

[26]曹玲玲,張秋文.基于SRTM的數(shù)字河網(wǎng)提取及其應(yīng)用[J].人民長江,2007,38(8):150-152.

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

[28]馮杰,解河海,成麗婷.基于子流域的TOPMODEL模擬研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2009,26(4):4-8.

[29]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.

[30]DA ROS D,BORGA M.On the use of digital elevation model data for the derivation of the geomorphologic instantaneous unit hydrograph[J].Hydrological Processes,1997,11:13-33.

[31]唐從國,劉叢強(qiáng).基于Arc Hydro Tools的流域特征自動(dòng)提取:以貴州省內(nèi)烏江流域?yàn)槔齕J].地球與環(huán)境,2006,34(3):30-37.

[32]林杰,張波,李海東,等.基于HEC-GeoHMS和 DEM的數(shù)字小流域劃分[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,33(5):65-68.

[33]CHOROWICZ J,ICHOKU C,RIAZONOFF S,et al.A combined algorithm for automated network extraction[J].Water Resources Research,1992,28:1293-1302.

Information extraction of drainage network of the eastern basin of Wuliangsuhai Lake based on DEM

ZHU Chao1,YU Rui-hong1,LIU Hui-ying1,SUN Ruo-peng1,LIU Jin-wei2
(1.College of Environment and Resources,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China;2.College of Life Sciences,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China)

Taking the eastern basin of Wuliangsuhai Lake as a study area,drainage network density was determinedwith different confluence cumulant thresholds by using the HEC-GeoHMS mode based on 3 second of arc Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)DEM.The optimal confluence cumulant threshold of 15 km2was determined by relationship between drainage density and threshold.The extraction of drainage network and subdivision of basins were realized,and it was overlaid with the digital topographic map at 1∶250000 scale.The results indicated that drainage network and subbasins extracted from DEM was well consistent with the digital topographic map,that is to say 3 second of arc SRTM DEM could be effectively used for drainage network extraction of the eastern basin of Wuliangsuhai Lake.It could not only save time and energy in topography measurement,but also raise the accuracy of drainage network extraction.

DEM;HEC-GeoHMS;optimal confluence cumulant;information of drainage network;automated extraction

TV212.5+1

A

1004-6933(2011)03-0075-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.019

國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(081012608)

朱超(1987—),男,山東菏澤人,本科生,水文水資源專業(yè)。E-mail:interzhuc@163.com

于瑞宏,副教授。E-mail:yrh0108@163.com

(收稿日期:2010-05-17 編輯:徐 娟)