淺談基于DEM提取磐石市水文特征上的應(yīng)用

王彬

摘 要：運(yùn)用GIS軟件ARC/INFO、ArcView，以磐石市地形資料為例，探討了數(shù)字高程模型（DEM）的建立并介紹其基本原理及其基本應(yīng)用。本次DEM的建立以磐石地區(qū)1：10000地形紙圖為數(shù)據(jù)源，矢量數(shù)據(jù)內(nèi)插生成DEM的方法，并提取該地區(qū)的水文特征。

關(guān)鍵詞：ArcView；DEM；GIS；水文特征提取

1 引言

今年的中央一號(hào)文件對(duì)水利工作作出了重大戰(zhàn)略部署，水文是水利的重要基礎(chǔ)，今后水文工作的發(fā)展方向必將是自動(dòng)化和信息化。在此背景下，研究水文特征，收集水文資料、進(jìn)行水文分析、關(guān)注水文情勢(shì)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警，則顯得尤為重要。近年的防汛抗洪中，水文監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)為科學(xué)有序地防洪搶險(xiǎn)做出了重要貢獻(xiàn)，充分說明了水文工作在社會(huì)事業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的重要性和必要性。

地球信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡(jiǎn)稱GIS）是一種采集、儲(chǔ)存、管理、分析，顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)，作為一種多信息源的空間化、動(dòng)態(tài)化、多學(xué)科交叉的信息科學(xué)和技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)正好符合反映流域或區(qū)域水文系統(tǒng)要素的空間分布和動(dòng)態(tài)變化的要求。因此它成了流域水文模擬研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)地理位置

磐石市為飲馬河、輝發(fā)河、富太河、擋石河等河的發(fā)源地，地理坐標(biāo)東經(jīng)125°40′～126°40′，北緯42°39′～43°27′。磐石市地處吉林省中南部，吉林市南部，東靠樺甸市，南鄰輝南縣，西與梅河口市、東豐縣、伊通縣接壤，北與雙陽縣、永吉縣毗連。

2.2 研究區(qū)氣象水文

磐石市地處內(nèi)陸山區(qū)的中緯度亞溫帶大陸性氣候區(qū)，四季分明，寒暑溫差變化顯著，多年平均氣溫4.72攝氏度，多年平均降水量為697.2mm（其中約有80%降水量集中在6～8月份）。

該區(qū)冬季多受西伯利亞高空寒冷高氣壓帶影響，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，年平均風(fēng)速2.5m/s。蒸發(fā)量多年平均值為1320.1mm（直徑20cm蒸發(fā)皿），蒸發(fā)量大于降水量。磐石市標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.62m，無霜期100～150天，年平均日照時(shí)數(shù)為2372.6小時(shí)。

本區(qū)水系較發(fā)育，地表水系為松花江的支流輝發(fā)河水系。低山丘陵區(qū)的溝谷地帶發(fā)育季節(jié)性河流，流量不大。

2.3研究區(qū)地形地貌

磐石市地處長(zhǎng)白山麓，地形中部、東北部高，南北部較低，似屋脊地勢(shì)，海拔300m～1000m，成為境內(nèi)松花江兩大支流水系-飲馬河水系和輝發(fā)河水系的分水嶺?？睖y(cè)區(qū)地貌總體特征：低山丘陵分布廣泛，山體短小，走向紊亂?？睖y(cè)區(qū)地勢(shì)以中-低山、丘陵為特征，最高峰為七個(gè)頂子，海拔為569.7m。區(qū)內(nèi)地勢(shì)北高南低，平均海拔高度318～325m。按照地貌成因及形態(tài)，可分為構(gòu)造剝蝕低山、丘陵和沖積河谷地貌（如圖1）。地形地貌條件是影響地表水運(yùn)動(dòng)以及地下水的補(bǔ)徑排條件的重要因素。

3 研究區(qū)DEM的建立

本文所介紹的主要內(nèi)容是基于DEM的地表水文分析，是利用水文分析工具提取重要地形指標(biāo)，如坡度、坡長(zhǎng)、坡向等。通過對(duì)這些基本水文因子的提取和對(duì)基本水文分析，可以在DEM表面之上再現(xiàn)水流的流動(dòng)過程，最終完成水文分析過程。

3.1 1：10000柵格DEM的建立

GIS中常用的DEM是基于2.5維表現(xiàn)形式的規(guī)則網(wǎng)格（GRID）和三角網(wǎng)（TIN），以及基于二維平面形式表示的等值線圖。其中以等高線為數(shù)據(jù)源制作DEM是最常用的一種方法，傳統(tǒng)的地形圖被廣泛用作數(shù)據(jù)源應(yīng)用于DEM的生成。

1：10000DEM的建立，利用大比例尺數(shù)字地圖為信息源，是最快捷的方法，一般采用Arc/info軟件。地形圖上的等高線含有豐富的高程信息，利用這些高程信息產(chǎn)生DEM數(shù)據(jù)，可以發(fā)揮地形圖的作用，而地表的地形變化一般來說都是比較小的。結(jié)合課題，本次DEM的建立以磐石地區(qū)1：10000地形紙圖為數(shù)據(jù)源，矢量數(shù)據(jù)內(nèi)插生成DEM。DEM的建立簡(jiǎn)單概括為：第一步柵格底圖的生成；第二步高程信息的獲??；第三步將生成的矢量圖利用不規(guī)則三角形內(nèi)插生成DEM。通過以上DEM的生成步驟，在操作過程中嚴(yán)格要求，利用Arcview軟件，我們生成了研究區(qū)的數(shù)字高程模型如圖2。

3.2 基于DEM的重要地形因子分析和提取

3.2.1 研究區(qū)高程因子：是地面任一點(diǎn)距大地水準(zhǔn)面的垂直距離。DEM所提供的原始數(shù)據(jù)即為海拔高程，是DEM最基本信息。如圖3

3.2..2 研究區(qū)幾個(gè)重要地形因子的提?。豪蒙傻腄ME可以提取研究區(qū)坡向因子。坡向影響著地面光熱等資源的分配，決定地表徑流的流向，是影響地理景觀的重要因子之一。利用它可以計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)的每一點(diǎn)的太陽光照量，從而測(cè)定每一點(diǎn)的生物量；提取研究區(qū)坡長(zhǎng)因子。坡長(zhǎng)直接影響地面徑流的速度，相同條件下，坡面越長(zhǎng)，匯聚的流量越大，侵蝕能力越強(qiáng)；提取研究區(qū)等高線。等高線是地面上高程相同的各點(diǎn)連成的閉合曲線。根據(jù)等高線圖形，可以量算各點(diǎn)的高程、坡向和坡度，也可以形象地表現(xiàn)出研究區(qū)的地貌形態(tài)特征；提取研究區(qū)平面曲率因子，通過生成的圖形可以反映出研究區(qū)地表所有的山脊線和山谷線。較大比例尺DEM可提取出溝脊線和溝谷線；提取研究區(qū)溝壑密度因子。溝壑密度的提取可通過水文分析的方法來獲得，然后通過統(tǒng)計(jì)查詢，查出溝壑的長(zhǎng)度，再除以區(qū)域面積，則可得到區(qū)域的溝壑密度。其關(guān)鍵是確定溝壑的標(biāo)準(zhǔn)。溝壑密度能從宏觀上真實(shí)反映地形破碎程度和地面被徑流切割的程度，是反映土壤受侵蝕程度的重要定量指標(biāo)。研究區(qū)溝壑密度值越大，地表與降雨、徑流接觸發(fā)生侵蝕的面積就越大，降雨徑流的沖刷力和侵蝕力就越大，越易引起土壤侵蝕。

4 結(jié)束語

DEM的主要應(yīng)用有：（1）在測(cè)繪中繪制等高線，生成坡度圖、坡向圖、剖面圖等，以輔助地形、地貌分析；（2）在環(huán)境與規(guī)劃中可用于土地現(xiàn)狀的分析、各種規(guī)劃及洪水險(xiǎn)情預(yù)報(bào)等；（3） 與GIS聯(lián)合進(jìn)行空間分析，提取水文特征。

在水文模擬應(yīng)用中主要是描述流域地形。包括流域劃分和子流域的邊界確定，河網(wǎng)的識(shí)別和提取坡度、坡向、坡長(zhǎng)、密度、地形起伏、地面粗糙度的確定等，從而為流域分布式水文模型的構(gòu)建提供下墊面參數(shù)。隨著DEM提取水文特征技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，今后在平坦地區(qū)利用DEM提取水文特征的精度將會(huì)有進(jìn)一步的提高。

本次研究利用軟件GIS生成的DEM對(duì)磐石市水文特征進(jìn)行定量分析，可以清楚地掌握磐石市的水文特征。并且該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，建立系統(tǒng)的成本低。所建立的的系統(tǒng)、圖件和研究結(jié)果將為當(dāng)?shù)厝藗兊纳a(chǎn)生活提供科學(xué)保障。