河流水系編碼規(guī)則的研究與應(yīng)用——以黃河流域?yàn)槔?br/>

姜 晟,李旭文,張 詠,牛志春,黃 楨,金 焰

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 南京 210036)

河流水系編碼規(guī)則的研究與應(yīng)用
——以黃河流域?yàn)槔?/p>

姜 晟,李旭文,張 詠,牛志春,黃 楨,金 焰

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 南京 210036)

以黃河流域?yàn)橹饕芯繀^(qū),利用 ArcGIS、SQL Server等專業(yè)軟件,針對(duì) 1∶250 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)開展環(huán)境系統(tǒng)河流水系編碼研究。通過(guò)對(duì)編碼定義、規(guī)則及編碼流程的具體闡述,提出了一種科學(xué)可行的河流水系編碼方法。驗(yàn)證結(jié)果表明,該方法具有良好的應(yīng)用性和推廣價(jià)值,對(duì)于加強(qiáng)環(huán)境管理信息化以及更加科學(xué)高效地完成流域水環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警工作同樣具有十分積極的意義。

水系編碼;環(huán)境系統(tǒng);黃河流域

1 概述

長(zhǎng)期以來(lái)流域水環(huán)境一直是環(huán)保部門關(guān)注的重要領(lǐng)域,伴隨著環(huán)境管理信息化進(jìn)程的推進(jìn),為了更好地適應(yīng)國(guó)家水污染監(jiān)控現(xiàn)代化的需要,就必須對(duì)流域內(nèi)以河流為主體的對(duì)象水體制定規(guī)則、統(tǒng)一編碼[1],從而更加科學(xué)高效地實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)控與預(yù)警。

目前,國(guó)內(nèi)涉及水體的已公開頒布的代碼標(biāo)準(zhǔn)共有 3項(xiàng),分別為《中國(guó)河流名稱代碼》(SL 249-1999)、《中國(guó)湖泊名稱代碼》(SL 261-98)和《中國(guó)水庫(kù)名稱代碼》(SL 259-2000),均為水利部發(fā)布和實(shí)施的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并具有 3大特點(diǎn):(1)河流、湖泊、水庫(kù)分別編碼,相互獨(dú)立;(2)河流名稱代碼以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主要編碼依據(jù),湖泊、水庫(kù)名稱代碼則以流域、面積等因素作為重要參考屬性;(3)碼長(zhǎng)固定。

國(guó)外的河流水系代碼與編碼方法則較為多樣,各國(guó)通常根據(jù)不同的用途制定不同的編碼規(guī)則[2],現(xiàn)階段應(yīng)用較為普遍的共有 3大類:(1)用于流域水文水利管理方面的編碼;(2)用于某些專門用途的編碼;(3)用于流域水環(huán)境保護(hù)方面的編碼。第一類方法以芬蘭的河流編碼為代表,與中國(guó)水利部頒布的《中國(guó)河流名稱代碼》相類似,也是以河流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、流域面積等要素作為劃分編碼對(duì)象的依據(jù),代碼長(zhǎng)度為 18位,挪威等國(guó)也采用了此類編碼方法。愛爾蘭用于河流測(cè)站的相關(guān)編碼可以看作是一種專門用途的河流編碼,該編碼的用途只是作為河網(wǎng)測(cè)站的識(shí)別碼,不含有任何河流拓?fù)湫畔⒍耆?GIS系統(tǒng)提供,因此該代碼需要與GIS系統(tǒng)共同使用。而美國(guó)、德國(guó)、西班牙、葡萄牙等國(guó)則普遍使用了有利于水環(huán)境管理的編碼體系,這類編碼體系最為突出的特點(diǎn)是其完全基于水系特征,對(duì)于流域中的特定位置可以自動(dòng)識(shí)別其上下游河段,美國(guó)的流域編碼系統(tǒng) (Pfafstetter數(shù)字編碼體系[3])是此類編碼的典范。

鑒于目前國(guó)內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)中尚無(wú)一套真正意義上統(tǒng)一規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)水系代碼,因而,認(rèn)真學(xué)習(xí)國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)尤其是流域水環(huán)境保護(hù)方面的代碼編制經(jīng)驗(yàn),研究并制定出一套科學(xué)先進(jìn)的全國(guó)環(huán)境系統(tǒng)河流水系代碼,以滿足國(guó)家水污染監(jiān)控現(xiàn)代化、水環(huán)境管理信息化建設(shè)的需要,已經(jīng)成為一項(xiàng)緊迫而富有意義的工作。環(huán)保部信息中心于 2007年底起組織遼寧、江蘇、海南三省及中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所共同開展《全國(guó)環(huán)境系統(tǒng)河流代碼》規(guī)范研究,由遼寧省環(huán)境信息中心牽頭,并負(fù)責(zé)環(huán)境系統(tǒng)河流水系編碼規(guī)則的制定,江蘇省環(huán)境信息中心具體負(fù)責(zé)長(zhǎng)江、黃河流域水系代碼的編制工作。筆者以黃河流域?yàn)槔?較為系統(tǒng)地論述這套編碼方法和技術(shù)流程在該流域?qū)嵤?yīng)用的情況。

2 編碼定義與規(guī)則

針對(duì)整個(gè)黃河流域進(jìn)行代碼編制,必須首先明確河流水系代碼的定義與結(jié)構(gòu),然后依據(jù)具體編碼規(guī)則確定流域、水系、干支流河段的劃分,最終確定各對(duì)象的名稱與代碼。

本研究所涉及的編碼對(duì)象是由國(guó)家測(cè)繪局提供的 2003年版 1:250 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),主要包括河流、湖泊、水庫(kù)、運(yùn)河、引水工程、主要渠道等地表水體。根據(jù)編碼需要,將黃河流域劃分為流域、水系、河段 3級(jí),其中流域是指地表水及地下水的分水線所包圍的集水區(qū)域或匯水區(qū)域,水系是由相互連通的自然和人工河流、湖泊、水庫(kù)、渠道等水體組成的地表水系統(tǒng),河段為貫通任意兩條支流之間或支流與河流始 (終)端、入?？?、湖泊、水庫(kù)之間的河流部分。

代碼由拉丁字母 (不包括字母 I、O、Z)與阿拉伯?dāng)?shù)字共同構(gòu)成,碼位長(zhǎng)度不固定,從左至右分別為流域、水系、干流 (或支流)河段 (湖泊、水庫(kù)、干渠)第 1、2、3、…、n層代碼,終端識(shí)別碼、連接碼。當(dāng)連接碼連接的是同一水系中的河段時(shí),連接碼之后僅為河段代碼;當(dāng)連接碼連接的是不同流域、不同水系之間的河段時(shí),連接碼之后的代碼由流域、水系及河段的代碼組成。代碼中不存在終端識(shí)別碼時(shí),后續(xù)代碼依次前移;代碼中不存在連接碼時(shí),代碼在連接碼前結(jié)束。具體代碼結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 河流水系代碼結(jié)構(gòu)

流域的劃分、名稱與代碼直接引用《中國(guó)河流名稱代碼》(SL 249-1999)規(guī)定的一級(jí)流域名稱和代碼。水系是具備水力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最小編碼單位。無(wú)論入海河、內(nèi)流河、獨(dú)流河、水庫(kù)、湖泊、渠道,均按照“相互連通的地表水體組成水系”原則進(jìn)行水系劃分。流域內(nèi)水系凡與《中國(guó)河流名稱代碼》(SL 249-1999)相同的均直接引用,部分不同水系則重新劃分、賦名?！蔼?dú)流河”視作一個(gè)獨(dú)立水系進(jìn)行編碼。水系的編碼,首先將與《中國(guó)河流名稱代碼》(SL 249-1999)規(guī)定名稱相同的水系進(jìn)行排序,其次名稱不同的水系依據(jù)模擬流量的大小進(jìn)行排序。按照二次排序的順序,依次將各水系編碼為 AA、AB、AC、…、AY,BA、BB、BC、…、BY,…,YA、YB、YC、…、YY(不包括字母 I、O、Z)。

河段劃分是本編碼的基礎(chǔ)性規(guī)則,其原則是:

(1)首先從入海口 (內(nèi)流河流從最下游)開始,最多選取水系干流上涵蓋源頭和入?？?(內(nèi)流河流為“終端”)、流域面積大、徑流量大、處于人口稠密區(qū)、環(huán)境質(zhì)量要求高的 49個(gè)支流,從下游向上游采用偶數(shù)字依次編碼為 02、04、06、…、98,對(duì)49個(gè)支流之間形成的各干流河段從下游向上游采用奇數(shù)字依次編碼為 01、03、05、…、99,形成干流第 1層河段代碼。

(2)選取第 1(2、3、4、…)層編碼干流之間未編碼支流中的最多 4個(gè)支流 (原則同前),從下游向上游采用偶數(shù)字 2、4、6、8依次編碼,并在編好的代碼前加上該支流上層代碼,組成支流第 2(3、4、…)層代碼。例如:第 1層代碼為 03,則第2層為:032、034、…、038。

(3)對(duì) 4個(gè) 2層編碼支流之間形成的各干流河段,從下游向上游采用奇數(shù)字 1、3、5、7、9依次編碼,并在編好的代碼前加上該河段上層代碼,組成該河段第 2(3、4、…)層代碼,例如:第 1層代碼為 03,則第 2層為:031、033、…、039。

(4)以此類推,形成第 2、3、4、…層河段代碼,直至干流上的全部支流和河段編碼完畢。

(5)對(duì)各支流重復(fù)這一過(guò)程,直至全部支流編碼完畢。

水系編碼拓樸示意見圖 2。

圖2 水系編碼拓?fù)涫疽?/p>

3 編碼流程

根據(jù)上述編碼規(guī)則,在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件 SQL Sever的支持下開展河流水系編碼。編碼流程主要分為 4個(gè)部分,分別為河網(wǎng)預(yù)處理、流量獲取、數(shù)據(jù)檢查及編碼,基本流程如圖 3所示。

圖3 編碼基本流程

3.1 河網(wǎng)預(yù)處理

研究所使用的河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)是從國(guó)家 1∶250 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù) (由國(guó)家測(cè)繪局提供,2003年版)庫(kù)中“hydnt.e00”文件中的“HYDNT_arc”圖層轉(zhuǎn)化得來(lái)。直接轉(zhuǎn)化生成的 shape文件中存在大量的無(wú)名河、雙線河以及重疊或部分重疊的矢量線段。因研究主要針對(duì)有名稱的河網(wǎng)進(jìn)行編碼,所以首先刪除無(wú)名河段;其次對(duì)存在雙線河的河段部分進(jìn)行雙線河處理,將其轉(zhuǎn)化為單線河;此外,對(duì)于矢量線段重疊的情況則采用“Shape To Line”及刪除重復(fù)線段方式加以處理。以上各步驟進(jìn)行處理前,都經(jīng)過(guò)重新生成節(jié)點(diǎn)以確保操作對(duì)象的準(zhǔn)確性。預(yù)處理后的黃河流域矢量圖見圖 4。

圖4 黃河流域矢量圖

3.2 流量獲取

編碼算法本身以及水系名稱確定都涉及到河網(wǎng)的流量,因此在河網(wǎng)編碼之前需要確定每條河流的流量。在河網(wǎng)真實(shí)流量難以獲取的情況下,可以簡(jiǎn)化處理,認(rèn)為真實(shí)流量與河網(wǎng)的流域面積成正比,從而利用流域面積來(lái)代表各河網(wǎng)相對(duì)流量的大小。這一步驟主要在 ArcGIS中由 ArcHydro工具來(lái)完成流量計(jì)算,然后將流量加載到河網(wǎng)數(shù)據(jù)中。流量獲取主要分為以下 6個(gè)步驟:

(1)DEM數(shù)據(jù)裁剪。將 1∶250 000數(shù)字地圖中的DEM數(shù)據(jù)合并、裁剪成與待編碼河網(wǎng)大小范圍完全一致的數(shù)據(jù),如圖 5所示。

圖5 黃河流域 DEM圖

(2)“Burn-in”主干河網(wǎng)。通過(guò) ArcMap打開已經(jīng)整合好的 DEM數(shù)據(jù)與河網(wǎng)數(shù)據(jù),利用“Terrain Preprocessing→DEM Manipulation→DEM Reconditioning”工具將矢量河網(wǎng)融合到 DEM數(shù)據(jù)中,從而使河網(wǎng)數(shù)據(jù)與高程數(shù)據(jù)相匹配[4]。

(3)洼地填平。利用“Terrain Preprocessing→DE M Manipulation → Fill Sinks”工具將“Burn-in”得到的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理,以避免 DE M在離散化過(guò)程中形成的洼地影響流向提取的準(zhǔn)確性[5]。

(4)生成水流方向。流向指的是水流離開網(wǎng)格時(shí)的指向,流向判斷是流域特征提取的關(guān)鍵內(nèi)容,決定了地表徑流路徑及網(wǎng)格單元間流量的分配。本研究依照單流向 D8算法[6],利用“Terrain Preprocessing→ Flow Direction”工具計(jì)算流向,生成的水流方向如圖 6所示。

圖6 黃河流域水流流向

(5)生成匯流面積。利用“Terrain Preprocessing→Flow Accumulation”工具獲得流量面積數(shù)據(jù)。

(6)流量獲取。利用編碼軟件中的流量獲取工具,為每個(gè)折線 (河段)獲得流量面積數(shù)據(jù),并將具體流量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件新增列“Flow”中。

3.3 數(shù)據(jù)檢查及修正

河網(wǎng)預(yù)處理之后,由于原始數(shù)據(jù)中存在錯(cuò)誤或者不適合編碼的數(shù)據(jù),必須經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)檢查與修正之后才能進(jìn)行編碼,這一過(guò)程包括 4個(gè)部分:

(1)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤識(shí)別。河網(wǎng)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤識(shí)別可以利用輔助工具提取出河網(wǎng)中存在的雙線河、湖泊水庫(kù)、海岸線等多個(gè)圖層。通過(guò)人工觀察這些圖層并與原圖層進(jìn)行對(duì)比,很容易發(fā)現(xiàn)雙線河處理是否正確、湖泊水庫(kù)岸線是否唯一、特定河段的 GB值是否正確等常見問(wèn)題。

(2)數(shù)據(jù)檢查。利用數(shù)據(jù)檢查工具中的錯(cuò)誤提示來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題數(shù)據(jù)的 F ID值或節(jié)點(diǎn) ID值,然后利用“find”工具查找到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

(3)已編碼/未編碼圖層對(duì)比。完成一次試編碼后利用“Analysis Tools→ Extract→ Select”工具選出已編碼河段 (對(duì)應(yīng)的 SQL語(yǔ)句為“RiverCode”<>‘’),形成一個(gè)由已編碼折線段組成的新圖層。將已編碼圖層和原圖層選擇用不同顏色顯示,通過(guò)對(duì)比明確顯示出已編碼區(qū)域和未編碼區(qū)域,在兩者相鄰處通常存在數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

(4)數(shù)據(jù)修正。數(shù)據(jù)修正實(shí)質(zhì)上是數(shù)據(jù)的編輯,包括折流向反轉(zhuǎn)、屬性修改、線段刪除等。

3.4 編碼

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)檢查與錯(cuò)誤修正后,即可進(jìn)行水系編碼。編碼是一個(gè)包含多次試編碼的循環(huán)過(guò)程,每次試編碼完畢均可生成對(duì)應(yīng)的已編碼河網(wǎng)圖層,將其與原圖層對(duì)比就能夠查看到當(dāng)前編碼區(qū)域是否已經(jīng)覆蓋流域內(nèi)的全部水系,若未覆蓋則對(duì)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行檢查修正并重新編碼直至全部對(duì)象編碼完成。部分區(qū)域編碼結(jié)果見圖 7。

圖7 部分區(qū)域編碼結(jié)果示意

3.5 生成最終代碼表

使用ArcCatalog將黃河流域完成編碼后的各水系 shape文件轉(zhuǎn)換為 Access數(shù)據(jù)庫(kù)支持的 mdb文件格式,然后利用 SQL Server 2008編輯最終生成完整的黃河流域水系代碼表。

4 結(jié)果與討論

通過(guò) ArcGIS、SQL Server等專業(yè)軟件,利用黃河流域 1∶250 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)開展研究和實(shí)驗(yàn),完整地論述了一種環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)切實(shí)可行的河流水系編碼方法,該方法與傳統(tǒng)的水利部門編碼相比具有 4大優(yōu)點(diǎn):

(1)以水環(huán)境保護(hù)為主要用途,在計(jì)算機(jī)中易于根據(jù)代碼識(shí)別上下游關(guān)系,能夠?yàn)樗廴痉乐?、?yīng)急指揮系統(tǒng)建設(shè),流域水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償、排污權(quán)交易等工作提供有效支持。

(2)用一套代碼涵蓋了河流、湖泊、水庫(kù)、干渠等各類地表水體,遵循水系的自然水文關(guān)系和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(3)代碼碼長(zhǎng)不固定,碼位利用率高。

(4)代碼具有良好的可擴(kuò)展性,能夠滿足基層自行編碼、擴(kuò)展編碼的需要。

從目前對(duì)黃河流域 25個(gè)水系 2萬(wàn)余個(gè)河段已完成的編碼結(jié)果來(lái)看,該方法具有明顯的環(huán)境針對(duì)性、實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值,對(duì)于促進(jìn)環(huán)境管理信息化、更加科學(xué)高效地完成流域水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控與預(yù)警工作同樣具有十分積極的意義。

[1]羅宇翔,賈仰文,王建華,等.基于 DEM與實(shí)測(cè)河網(wǎng)的流域編碼方法[J].水科學(xué)進(jìn)展,2006,17(2):259-264.

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The Research and Application of River Coding Rules for Environment System with the Study of the Yellow River Basin

J IANG Sheng,L IXu-wen,ZHANG Yong,N IU Zhi-chun,HUANG Zhen,J IN Yan
(Jiangsu Provincial EnvironmentalMonitoring Center,Nanjing,Jiangsu 210036,China)

An application reaserch of River Coding Rules for Environment System was carried outwith the geographic information data by usingArcGIS,SQL Server,and other professional softwares.Though taken the Yellow River as the study area,a scientific and feasible River Coding rules had been proposed,and the test results had shown that themethodwas quite valuable in the application and promotion.Furthermore,it also had a positive meaning for the environmentalmonitoring and forewarning.

river coding rules;environment system;Yellow River basin

X32

B

1674-6732(2011)-01-0025-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.008

2010-08-09

“國(guó)控污染源項(xiàng)目”信息類技術(shù)規(guī)范項(xiàng)目。

姜晟 (1983—),男,助理工程師,碩士,從事環(huán)境監(jiān)測(cè)與信息工作。