高精度DEM在南四湖濱湖洼地排澇分區(qū)中的應(yīng)用

尚書河耿 勇陳立峰李玥璿

高精度DEM在南四湖濱湖洼地排澇分區(qū)中的應(yīng)用

尚書河1耿 勇2陳立峰1李玥璿2

一、引言

目前對南四湖濱湖洼地進(jìn)行排澇分區(qū)，通?；?∶10000或1∶50000比例尺地形圖，參照市縣水利工程統(tǒng)計(jì)手冊，由相關(guān)技術(shù)人員在地形圖上進(jìn)行劃定，工作周期長，現(xiàn)場調(diào)查任務(wù)繁重，最終成果矢量化后還存在一定誤差。而通過1∶5000比例尺DOM生成的高精度DEM，進(jìn)行高精度等高線的自動提取，可以定量地對微地貌特征進(jìn)行量測，協(xié)助劃定排澇分區(qū)，提高了工作效率與成果質(zhì)量，從而指導(dǎo)骨干泵站及干溝治理，也能為區(qū)域資源開發(fā)和災(zāi)害防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、研究區(qū)概況

南四湖流域?qū)倩春恿饔蛞抒疸羲担饔蛎娣e3.17萬km2，其中湖東0.85萬km2，湖西2.19萬km2，湖面0.13萬km2。包括山東省菏澤市、濟(jì)寧市、棗莊市，泰安市、臨沂市的部分面積，以及河南、江蘇、安徽三省的部分面積。匯集入湖的大小河流共有53條，其中湖東28條，湖西25條，來水經(jīng)南四湖調(diào)蓄后，在微山湖分別經(jīng)韓莊運(yùn)河和不牢河下泄入中運(yùn)河，再南下排入駱馬湖。

湖東在津浦鐵路以東基本為山丘，與蒙山支脈和沂河毗臨，鐵路以西是丘陵平原，地面比降一般為1/1000～1/10000。湖西黃泛平原位于黃河與廢黃河之間，地面比降在1/5000～1/20000。該區(qū)地面高程自西向東，由南、北向中間凹下，總趨勢又呈簸箕狀向東漸次緩降，由于受歷代黃河改道、決口和沖積影響，地形呈波狀起伏，崗、洼相間。

沿湖37m等高線（廢黃河高程，下同）以下地區(qū)常年承受湖、河側(cè)滲影響，汛期受湖、河水位頂托，嚴(yán)重影響區(qū)內(nèi)澇水自排，嚴(yán)重時(shí)在地上積水0.1～0.2m，形成濱湖洼地，面積2303km2，屬于魯南泰沂低山丘陵與魯西南黃泛平原交接地帶，地勢低洼，地形開闊，二級壩以北地區(qū)地面高程一般為33.8～35.0m，以南地區(qū)地面高程一般為32.6～33.5m，僅在青山、郗山附近為低山丘陵微地貌分布。

三、排澇分區(qū)提取

以山東省國土測繪院2008年航空攝影影像資料生成的濟(jì)寧1∶5000DEM的基礎(chǔ)上，將濱湖洼地范圍面狀圖層利用在Arctoolbox中的工具中轉(zhuǎn)化成raster圖層，裁剪DEM后得到洼地范圍內(nèi)的DEM。依據(jù)DEM中每一個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)和相鄰高程點(diǎn)的數(shù)據(jù)差來確定水流方向，然后根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)來計(jì)算每一個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)的上游集水區(qū)，再根據(jù)集水區(qū)內(nèi)部和集水區(qū)之間的高程數(shù)據(jù)，用閥值法確定所屬水系的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)將排澇分區(qū)追索出來，流程如下：柵格DEM→填洼預(yù)處理→柵格水流方向計(jì)算→排澇分區(qū)生成。

在提取數(shù)字河網(wǎng)處理過程中，涉及一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是最小水道長度，即按照給定的最小水道給養(yǎng)面積閥值，根據(jù)水流匯集格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型可以生成流域河網(wǎng)。由于河道長短與其集水面積息息相關(guān)，因此，最小長度閥值通常以柵格數(shù)來設(shè)定，經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的閥值為研究區(qū)柵格數(shù)的1%。本文分別以柵格數(shù)的1%、1.5%、2%三種閥值方案進(jìn)行了對比，生成的河網(wǎng)主干非常一致，只是河網(wǎng)的詳細(xì)程度上存在差別。閥值越小，提取的流域自然水系越詳細(xì)，河道的起點(diǎn)越向上游延伸。通過與研究區(qū)地形圖的水系特征比較得出，當(dāng)閥值取柵格數(shù)的1.5%時(shí)，提取的流域自然水網(wǎng)最理想。

在通過柵格水流方向計(jì)算后，相應(yīng)的流域內(nèi)部集水邊界也會自動生成。通過比較發(fā)現(xiàn)，由于研究區(qū)的一些特定的自然和人為限制，例如公路、堤防等，排澇分區(qū)的提取由于算法無法識別邊界假閉合等缺陷，同樣存在一定誤差，需參考研究區(qū)地形圖和規(guī)劃圖，并結(jié)合DEM特征和部分實(shí)地GPS對現(xiàn)狀河道的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)矯正。

四、結(jié)果分析與討論

通過以上數(shù)字方法提取出濱湖洼地一級排澇分區(qū)75個(gè)，后期人工編輯整理后，成果符合現(xiàn)狀水系。DEM數(shù)據(jù)生成過程本身會造成高程值部分失真，填洼等技術(shù)處理也同樣會影響數(shù)字河網(wǎng)提取的精度。排澇分區(qū)提取對地理高程數(shù)據(jù)較為敏感，采用DEM所確定流域河網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和空間位置首先取決于DEM數(shù)據(jù)精度。研究表明，只有當(dāng)DEM數(shù)據(jù)的尺寸小于所模擬的水文現(xiàn)象檔的特征尺度，才能提供必要的信息。在地勢十分平坦的區(qū)域，如果數(shù)據(jù)精度無法提供真實(shí)存在的細(xì)微高程差別，就無法生成合理的數(shù)字河網(wǎng)。為此，選取較高精度的1∶5000DEM作為數(shù)據(jù)源，基本可滿足數(shù)據(jù)精度要求。

在排澇分區(qū)提取過程中，對最小水道長度閥值沒有明顯設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中最小水道的集水面積取決于很多因素，比如研究區(qū)內(nèi)地貌、下墊面差異等。盡管最小水道閥值的選擇對確定主要河道的空間位置并沒有什么影響，但當(dāng)其取一個(gè)常數(shù)值時(shí)，會使得從DEM中提取的流域河網(wǎng)水系和實(shí)際情況有些差別。本文所取的最小水道長度閥值略大于經(jīng)驗(yàn)值，是由研究區(qū)的特點(diǎn)所決定的，由于地勢平坦，產(chǎn)流后的地表徑流方式以漫淹為主，水流擴(kuò)散十分緩慢，因此，研究區(qū)的排澇分區(qū)生成必須具備較大的集水面積閥值。

五、結(jié)語

在南四湖濱湖洼地1∶5000比例尺DEM的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS10.CS對研究區(qū)進(jìn)行排澇分區(qū)研究。在保持高精度DEM前提下，數(shù)字地表水系和排澇分區(qū)可以通過基于DEM自動提取出來，但存在河道局部偏移及河網(wǎng)失真等問題，需要進(jìn)行局部修正。在DEM數(shù)字高程預(yù)處理過程中保持高程信息的特征不丟失，以及發(fā)展專業(yè)處理平坦區(qū)域和澇洼地的有效算法，將進(jìn)一步提高平原洼地區(qū)域數(shù)字水系及排澇分區(qū)提取的效率和精度■

（作者單位：1.山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設(shè)計(jì)院 250100 2.濟(jì)寧市洙趙新河管理處 272000）