基于DEM和WMS的流域特征提取及應(yīng)用

謝小華，朱建平

（江西省水文局，江西 南昌 330002）

21世紀(jì)以來，隨著計算機技術(shù)、遙感技術(shù)以及GIS技術(shù)的日益成熟，可以方便取得不同分辨率的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱 DEM）數(shù)據(jù)，DEM蘊含有豐富的地形、地貌信息，利用一定的算法就可以從中提取河網(wǎng)水系等要素，并應(yīng)用于流域洪水預(yù)報。目前，可用于提取流域水文信息的軟件較多，如ArcGIS等，本研究將利用WMS系統(tǒng)，探討流域特征的提取技術(shù)。

1 DEM原理和方法

1.1 基本原理

從DEM提取水系是根據(jù)坡面流模擬原理，即水總是沿斜坡方向流動的原理，從最陡坡度方向流動。首先確定DEM中每一個高程數(shù)據(jù)點的水流方向，計算出每一個高程數(shù)據(jù)點的上游集水區(qū)，結(jié)合上游集水區(qū)的高程數(shù)據(jù)，用閥值法確定屬于水系的高程數(shù)據(jù)點，最后根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)，從水系源頭開始將整個水系追索出來，同時進(jìn)行子流域的劃分，并對子流域和河網(wǎng)進(jìn)行編碼，構(gòu)建河網(wǎng)和子流域拓?fù)潢P(guān)系[1]，提取流域特征參數(shù)。其工作流程見圖1。

1.2 DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理

受DEM空間分辨率和DEM數(shù)據(jù)生成過程中誤差的影響，DEM 中有時會在洼地（Sink）和突起（Pink），這些洼地和突起使得在計算水流方向時會出現(xiàn)水流逆流的情況，造成DEM中水流方向不正確，給水流線的跟蹤和流域界線的確定帶來困難，因此，首先要對地形中的洼地和突起進(jìn)行處理，從而保證提取流域自然水系的連續(xù)性。

圖1 DEM提取水系流程圖

1.3 水流方向計算

地表徑流在流域空間內(nèi)總是從地勢高處向地勢低處流動，最后經(jīng)流域出口排出流域。為了準(zhǔn)確地劃定流域界線，首先要確定水流在每個柵格單元格內(nèi)的流動方向。一般采用傳統(tǒng)的D8算法。

D8算法的基本原理：假設(shè)單個格網(wǎng)中的水流只有8種可能的流向，分別定義為東北、東、東南、南、西南、西、西北和北，并用 128、1、2、4、8、16 、32 和 64 這 8 個有效特征碼表示，即流入與之相鄰的8個格網(wǎng)中。它用最陡坡度法來確定水流的方向，計算中心格網(wǎng)與各相鄰格網(wǎng)間的距離權(quán)落差，取距離權(quán)落差最大的格網(wǎng)為中心格網(wǎng)的流出格網(wǎng)，該方向即為中心格網(wǎng)的流向[2]。處理格網(wǎng)單元同相鄰8個格網(wǎng)單元之間的坡度按下式計算：

式中：hi—處理柵格單元高程；

hj—相鄰柵格單元高程；

D—兩個柵格單元中心之間的距離。

1.4 匯流累積量計算

匯流累積量表示區(qū)域內(nèi)的每個點的流水累積量，一個流域的匯流累積量計算是提取河流網(wǎng)絡(luò)的前提和基礎(chǔ)，流域內(nèi)一個柵格的匯流量反映了其匯集水流能力的強弱程度。柵格的匯流累積量越大，表示能夠流入的柵格數(shù)目越多，其匯流能力越強。在每個柵格點流向確定的基礎(chǔ)上，通過計算匯聚到每個柵格點上的上游水流直接或間接流向該柵格點的柵格數(shù)目，就確定了該柵格點的上游集水面積，從而建立了水流匯集數(shù)據(jù)模型。具體說明建立一個5×5柵格數(shù)據(jù)模型（見圖2），圖中數(shù)據(jù)表示格網(wǎng)單元高程值，用上述水流流向計算的方法循環(huán)處理每個格網(wǎng)點，直到每個柵格點的水流流向都得到確定，這樣整個柵格數(shù)據(jù)模型就建立起來了。

圖2 柵格數(shù)據(jù)模型建立示例

1.5 流域河網(wǎng)生成

以設(shè)定的集水閥值為標(biāo)準(zhǔn)，每一個柵格的匯流累積量代表著能夠注入該柵格所有單位水量的數(shù)量，當(dāng)柵格的匯流累積量大于某一給定的閥值時，即定義為河道，其他定義為空。將各水道按有效水流方向連接產(chǎn)生流域河網(wǎng)，提取流域。

上述提取河網(wǎng)的過程在WMS系統(tǒng)中被定義為一個命令執(zhí)行。

2 WMS概述

WMS（Watershed Modeling System，流域建模系統(tǒng)）是基于GIS的專業(yè)水文模擬處理軟件，由美國Brigham Young大學(xué)環(huán)境模型研究實驗室（EMRL）開發(fā)，提供水文模擬全過程的工具。包括流域、子流域的自動生成、幾何參數(shù)的計算、水文參數(shù)（如匯流時間、流域坡度等）的計算等，并能實現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化。

WMS可以使用矢量地圖、DEM、TIN等格式的數(shù)據(jù)來進(jìn)行地形分析和水文模擬。系統(tǒng)嵌入了多種傳統(tǒng)的概念性水文模型，通過多個模塊聯(lián)合，WMS可以進(jìn)行流域的降雨-徑流、水土保持效果評估、城市下水道布局、洪水預(yù)報、水庫設(shè)計等方面的研究[3]。其優(yōu)點如下：

（1）WMS是完整的一體化流域解決方案，集GIS工具、基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集工具、地形數(shù)據(jù)輸入與編輯工具、自動描繪集水區(qū)、水文建模等等；具有強大的前后處理、圖形顯示和可視化功能。

（2）支持大多數(shù)行業(yè)的水文標(biāo)準(zhǔn)，能夠與 HECRAS、HEC-HMS等工具友好結(jié)合，其劃分的流域信息可以導(dǎo)入RAS、HMS系統(tǒng)中應(yīng)用。

（3）界面操作簡單，成本費用低。

3 研究實例

3.1 研究流域概況

研究流域遂川江位于江西省吉安市遂川縣，屬贛江一級支流，流域面積2882 km2。流域地形以山地、丘陵為主，境內(nèi)高山連綿起伏，溝谷縱橫，區(qū)域內(nèi)植被較好，森林覆蓋率達(dá)70%。流域?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)區(qū)，雨量充沛，氣候溫和，年平均降水量1694 mm，是江西境內(nèi)暴雨中心之一。

3.2 河網(wǎng)提取

本研究所采用數(shù)字高程模型（DEM），由90 m精度SRTM地形文件轉(zhuǎn)換而來，使用Global Mapper軟件導(dǎo)出（DEM見圖3）。WMS河網(wǎng)提取步驟：

3.2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

本文所采用DEM是WGS84地理坐標(biāo)系，是用經(jīng)緯度表示的橢球體坐標(biāo)系，但在WMS中需將其轉(zhuǎn)換為X、Y表示的平面直角坐標(biāo)系，即UTM投影坐標(biāo)系。

3.2.2 水流累積量設(shè)定

設(shè)置水流累積計算的集水閥值 （Min Accumulation），河網(wǎng)的詳細(xì)程度取決于該閥值的大小，當(dāng)上游集水面積等于集水閥值的柵格點定義為河流的起始點，上游集水面積大于集水閥值柵格點定義為河流，WMS正是基于這個原理來定義河網(wǎng)，將匯流柵格中所有大于或等于集水閥值的柵格提取出來，即得到了河網(wǎng)。

3.2.3 河網(wǎng)生成

WMS通過地形參數(shù)化程序 （TOPAZ）進(jìn)行河網(wǎng)提取，地形參數(shù)化程序通過DEM預(yù)處理、流向計算、統(tǒng)計流水累積量等步驟進(jìn)行。

3.2.4 流域提取

提取流域前需先設(shè)定流域出口點，以該出口點為終點向上游提取流域。WMS結(jié)合水流方向，統(tǒng)計該出口點上游所有流經(jīng)該點的柵格，一直檢索到流域邊界，所有符合條件的柵格連接在一起就生成了流域。WMS中使用Create Outlet Point命令創(chuàng)建流域出口點，使用DEM菜單下勾畫流域命令提取流域。

圖3 遂川江流域數(shù)學(xué)高程模型

提取河網(wǎng)的詳細(xì)程度可通過調(diào)節(jié)集水閥值來控制，閥值越小，提取的河網(wǎng)越細(xì)，閥值越大，河網(wǎng)越稀疏[4]。 對比閥值為 5 km2、3 km2、2 km2和 1 km2提取的河網(wǎng)信息可知（見圖4），閥值為5 km2，河網(wǎng)較稀疏，閥值為1 km2，河網(wǎng)太細(xì)，且提取了偽河道，而閥值為3 km2、2 km2時，兩者的河網(wǎng)相差不大，但閥值為2 km2與實際河網(wǎng)更吻合。

3.3 流域特征參數(shù)提取

WMS可以自動計算出諸如流域面積、流域平均高程、坡度、比降等流域特征參數(shù)，通過與人工測量值相比（見表1），有些參數(shù)的誤差較小，而有些誤差則較大，考慮與測量方法、DEM數(shù)據(jù)精度等有關(guān)。流域面積提取值為2870 km2，與人工測量值僅相差-0.4%，表明提取的流域邊界接近實際邊界，兩者分水嶺基本重合。主河道長度、流域平均高程的誤差稍大，尤其是主河道縱比降，是因為本DEM精度較低，流域地形發(fā)生坦化，地形特征值損失多，高程信息墑減少，河道起始點的空間位置發(fā)生變化，河道縮短，坡度變緩。

3 結(jié)語

（1）利用WMS的空間分析功能，基于DEM數(shù)據(jù)提取的河網(wǎng)信息與實際情況基本吻合，其精度與集水閥值的取值大小有明顯關(guān)系，閥值越小，水系越細(xì)，閥值越大，水系越稀疏，對遂川江流域而言閥值采用2 km2較為合適。當(dāng)閥值小于等于1 km2時，提取的河網(wǎng)中明顯存在很多長度極短的河道，它們多是實際不存在的河道——偽河道，為解決這個問題，有學(xué)者提出指定最小河道長度閥值的方法，即給定一個最小河道長度閥值，當(dāng)河道長度小于該閥值的就從網(wǎng)絡(luò)中刪除，大于等于閥值則予以保留[5]。

（2）本研究所采用DEM數(shù)據(jù)精度為90 m，分辨率較低，且其在自身生成過程中或存有系統(tǒng)誤差，對提取的河網(wǎng)信息存在一定的影響，主要體現(xiàn)在柵格單元高程值的概化作用上，在地形復(fù)雜的地區(qū)作用表現(xiàn)的更為突出。研究表明，遂川江流域地形復(fù)雜，境內(nèi)高山起伏，溝谷縱橫，提取流域面積的誤差相差甚小，僅為-0.4%，流域平均高程、流域長度次之，但主河道縱比降誤差很大。流域平均高程提取值為519 m，反應(yīng)該流域?qū)俸０屋^高的山丘區(qū)，與實際情況接近；流域形狀系數(shù)為 0.33，接近人工測量值 0.29，其值遠(yuǎn)小于 1，說明遂川江流域外形近似長條形，其結(jié)果與提取的水系圖一致，徑流上表現(xiàn)為水量集中較慢。

（3）基于DEM、WMS提取的河網(wǎng)信息、流域特征參數(shù)，可應(yīng)用于水文預(yù)報模型，其提取方法在提高工作效率的同時不僅可以保證數(shù)據(jù)提取的精度，而且可以減低獲取參數(shù)的成本，減少人力，方便快捷高效。同時，結(jié)合其他軟件，如HEC-HMS等，為其提供模型支撐，在數(shù)字流域的建設(shè)、水資源管理等方面都具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 不同閥值提取的河網(wǎng)圖

表1 流域特征參數(shù)比較表

[1］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.

[2］原立峰，周啟剛.基于DEM的流域水文特征提取方法研究[J］.水文泥沙，2006，28（5）：20-21.

[3］賀國平，張 彤，趙月芬，李會安.水文模型WMS在流域降雨——徑流模擬上的應(yīng)用[J］.北京水務(wù)，2007，（2）.

[4］易衛(wèi)華，楊 平.基于DEM數(shù)字河網(wǎng)提取時集水面積閥值的確定[J］.江西水利科技，2008，34（4）：259-262.

[5］唐從國，劉叢強.基于ArcHydro Tools的流域特征自動提取——以貴州省內(nèi)烏江流域為例[J］.地球與環(huán)境，2006，34（3）：30-37.