基于ArcGIS 的豐寧縣下廟水庫(kù)流域面積量測(cè)

李 曉，王寧娟，申宿慧，張宇慧

（1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031；2.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031）

研究區(qū)位于河北省豐寧縣下廟水庫(kù)流域，該水庫(kù)位于湯河支流大西溝上，是一座?。?）型水庫(kù)。水庫(kù)流域?qū)俚蜕角鹆甑孛玻饔蛏狡峦翆虞^厚，植被較好。

基于ArcGIS的水庫(kù)流域面積量測(cè)主要包括：①DEM數(shù)據(jù)的獲??；②利用ARCGIS9.2提取流域面積，包括河流網(wǎng)絡(luò)提取、流域分割等；③投影變換及流域面積的獲取。

1 DEM數(shù)據(jù)的獲取

DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接影響著結(jié)果的精度，獲取方法有很多，本次采用公開的DEM數(shù)據(jù)SRTM3，SRTM 全稱是Shuttle Radar Topography Mission，即航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命，SRTM數(shù)據(jù)主要是由美國(guó)太空總署（NASA）和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局（NIMA）聯(lián)合測(cè)量，其測(cè)量數(shù)據(jù)覆蓋中國(guó)全境。SRTM數(shù)據(jù)每經(jīng)緯度方格提供1個(gè)文件，精度有1 arc-second和3 arc-seconds兩種，稱作SRTM1和SRTM3,或者稱作30m和90m數(shù)據(jù)，SRTM1文件包含3601×3601個(gè)采樣點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)，SRTM3文件里包含1201×1201個(gè)采樣點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)。目前能夠免費(fèi)獲取中國(guó)境內(nèi)的SRTM3文件，是90m的數(shù)據(jù)，每個(gè)90m的數(shù)據(jù)點(diǎn)是由9個(gè)30m的數(shù)據(jù)點(diǎn)算術(shù)平均得來的。

SRTM3數(shù)據(jù)包括一定坐標(biāo)范圍的數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用研究中，根據(jù)研究區(qū)域的范圍，首先需要對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如裁切、拼接等操作，以便獲取需要的數(shù)據(jù)。本次下廟水庫(kù)流域的繪制采用柵格數(shù)據(jù)裁切操作。

2 利用ARCGIS提取流域面積

2.1 無洼地DEM生成和匯流累積量計(jì)算

DEM是比較光滑的地形表面模型，但是由于DEM誤差及一些真實(shí)地形（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM表面存在一些凹陷的區(qū)域。在進(jìn)行水流方向計(jì)算時(shí)，由于這些區(qū)域的存在，往往得到不合理甚至錯(cuò)誤的水流方向。因此在進(jìn)行水流方向計(jì)算之前，首先對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無洼地的DEM。

匯流累積量計(jì)算是基于水流方向數(shù)據(jù)，得到無洼地的DEM后，計(jì)算基于無洼地的水流方向，由水流方向數(shù)據(jù)得出匯流累積量。

2.2 河網(wǎng)的提取

河網(wǎng)的生成基于匯流累積量數(shù)據(jù)，首先利用Map Algebra工具集中的Multimate Map Output工具中的con命令得到柵格河網(wǎng)，再利用Hydrology工具集中的Stream to Feature工具獲取矢量化的柵格河網(wǎng)。其中流域閾值是很重要的一個(gè)參數(shù)，流域閾值是指最小流域面積，小于這個(gè)流域面積的洼地都會(huì)被填平。

2.3 流域的分割

流域的分割主要步驟包括流域盆地的確定、匯水區(qū)出水口的確定和集水流域的生成。

流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域，利用Hydrology工具集中的Basin工具計(jì)算得到。

流域出口點(diǎn)數(shù)據(jù)為水庫(kù)位置，本次在googleearth中查出水庫(kù)位置坐標(biāo)，將其加載到GIS中，利用Hydrology工具集中的Snap pour point工具尋找該點(diǎn)。然后利用Hydrology工具集中的Watershed工具生成集水流域。

3 投影變換及流域面積的獲取

地圖投影是將地圖從球面轉(zhuǎn)換到平面的數(shù)學(xué)變換，空間數(shù)據(jù)成圖必須先進(jìn)行地圖投影。從網(wǎng)站上下載的SRTM數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)是1984 年世界大地坐標(biāo)系WGS84，地球坐標(biāo)需要轉(zhuǎn)換為平面投影坐標(biāo)。

鑒于工程對(duì)精度要求一般，為簡(jiǎn)便計(jì)算，選擇的投影坐標(biāo)為Projected Coordinate Systems中的UTM中的WGS1984，用公式緯度/6+31計(jì)算分帶并選擇，本次研究區(qū)處于50N分帶中。

進(jìn)行平面投影之后，在重生成的影像上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇屬性對(duì)話框Attribute，其中COUNT字段中的數(shù)值代表每類地物中所包含的像素個(gè)數(shù)，再乘以每個(gè)像素的面積得到影像圖的面積；每個(gè)像素所代表的面積，在重分類后的影像上選擇屬性框properties，在彈出的layer properties窗口中選擇Source選項(xiàng)欄，CellSize（X,Y）項(xiàng)的值為單元格大小信息。最后通過Field Calculator計(jì)算面積，并把計(jì)算出來的值存放到另外一個(gè)字段里，比如AREA 字段。本次計(jì)算得到下廟水庫(kù)流域面積58.53km2。同時(shí)從5 萬地形圖勾繪得到流域面積58.41km2。兩者對(duì)比，流域形狀幾乎一致，流域面積數(shù)值相差0.21%。

4 結(jié)語

（1）以豐寧縣下廟水庫(kù)為研究對(duì)象，利用Arc GIS9.2的空間分析功能，實(shí)現(xiàn)了無地形圖地區(qū)對(duì)工程位置處流域面積的提取及計(jì)算，經(jīng)與5萬地形圖勾繪得到的流域面積對(duì)比，兩者相差0.21%，證明了方法的可行性。

（2）研究ArcGIS的其他功能并應(yīng)用于水文計(jì)算中，還可以對(duì)ArcGIS進(jìn)行二次開發(fā)，把水文計(jì)算軟件和GIS系統(tǒng)結(jié)合起來，使其更好地為生產(chǎn)實(shí)踐服務(wù)。

［1］葉守澤，詹道江.工程水文學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

［2］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.豐寧滿族自治縣下廟水庫(kù)大壩安全鑒定報(bào)告［R］.2008.

［3］湯國(guó)安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［4］http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp

［5］戴勤奮.地理信息系統(tǒng)的坐標(biāo)系定義［J］.海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài).2002，18（6）：24-27.