基于DEM的川西山地河網(wǎng)信息提取

許輝熙

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測繪工程系，四川 德陽 618000）

基于DEM的川西山地河網(wǎng)信息提取

許輝熙1

（1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測繪工程系，四川 德陽 618000）

基于DEM數(shù)據(jù)和D8算法，對研究區(qū)河網(wǎng)信息進(jìn)行提取。這種方法主要是通過研究區(qū)集水面積與河網(wǎng)密度、河源密度二階導(dǎo)數(shù)關(guān)系確定集水面積的閾值，避免了利用DEM提取流域河網(wǎng)時(shí)對閾值確定的反復(fù)過程，有助于模擬結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性；不同集水面積閾值對確定主河道的空間位置影響較小，但對河網(wǎng)提取的詳細(xì)程度具有重要影響，集水區(qū)面積閾值越大，河網(wǎng)就越稀疏。

DEM；水文特征；GIS空間分析；閥值

近年來，采用DEM數(shù)據(jù)提取流域水文信息的研究較多[1-5]，其中基于D8算法和DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)較為常用[6]。D8算法假設(shè)單個(gè)柵格中的水流只能流入與之相鄰的8 個(gè)柵格中。它用最陡坡度法來確定水流的方向，即在3×3 的DEM柵格上，計(jì)算中心柵格與各相鄰柵格間的距離權(quán)落差，取距離權(quán)落差最大的柵格為中心柵格的流出柵格。本文基于D8算法和ArcGIS的水文分析工具，運(yùn)用集水面積與河網(wǎng)密度、河源密度的二階導(dǎo)數(shù)來確定閾值生成河網(wǎng)。

1 研究區(qū)概況

阿壩藏族羌族自治州（簡稱阿壩州）位于四川省西北部，緊鄰成都平原。地貌以高原和高山峽谷為主。東南部為高山峽谷區(qū)，中部為山原區(qū)，西北部為高原區(qū)。長江上游主要支流岷江、大渡河縱貫全境，是黃河流經(jīng)四川唯一的地區(qū)。西北部的丘狀高原屬大陸高原性氣候，年平均氣溫0.8℃～4.3℃。山原地帶為溫涼半濕潤氣候，年平均氣溫5.6℃～8.9℃；高山峽谷地帶，隨著海拔高度變化氣候從亞熱帶到溫帶、寒溫帶、寒帶，呈明顯的垂直性差異，年平均氣溫1℃～5℃。面積約8.42×104km2。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)分辨率為90 m（見圖1）。

2 研究方法

1）無洼地DEM生成。由于地形影響，導(dǎo)致DEM表面存在一些低高程柵格區(qū)域，在進(jìn)行地表水文模擬時(shí)得到錯(cuò)誤的水流方向。因此，在進(jìn)行水流方向的計(jì)算之前，首先要對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無洼地的DEM。具體步驟為洼地提取、洼地貢獻(xiàn)率計(jì)算、洼地區(qū)域最低和最高高程計(jì)算、洼地填充等。

圖1 研究區(qū)DEM

2）匯流累積量計(jì)算。匯流累積量基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算，其大小代表著上游有多少個(gè)柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過該柵格，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成地表徑流。

3）水流長度計(jì)算。水流長度是指在地面上一點(diǎn)沿水流方向到其流向起點(diǎn)(終點(diǎn))間的最大地面距離在水平面上的投影長度。目前水流長度的提取方式主要有順流計(jì)算和溯流計(jì)算兩種方法。順流計(jì)算是計(jì)算地面上每一點(diǎn)沿水流方向到該點(diǎn)所在流域出水口的水平投影距離；溯流計(jì)算則是計(jì)算地面上每一點(diǎn)逆水流方向到其流向起點(diǎn)的水平投影距離[7]。本文采用溯流計(jì)算方法計(jì)算水流長度。

4）河網(wǎng)提取。目前常用的河網(wǎng)提取方法是采用地表徑流漫流模型計(jì)算。首先，在無洼地DEM上利用最大坡降的方法計(jì)算得到每一個(gè)柵格的水流方向；然后，利用水流方向柵格數(shù)據(jù)計(jì)算出每一個(gè)柵格在水流方向上累積的柵格數(shù)，即匯流累積量，所得到的匯流累積量則代表在一個(gè)柵格位置上有多少個(gè)柵格的水流方向流經(jīng)該柵格。假設(shè)每一柵格代表一份水流，則柵格的匯流累積量代表著該柵格的水流量；當(dāng)匯流量達(dá)到一定值時(shí)，就會產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，水流路徑構(gòu)成河網(wǎng)。具體計(jì)算步驟包括計(jì)算匯流累積矩陣、設(shè)定閾值、柵格河網(wǎng)形成和柵格河網(wǎng)矢量化等。閾值的設(shè)定直接影響到河網(wǎng)的提取結(jié)果。不同級別的溝谷對應(yīng)不同的閾值，相同級別的溝谷需要的閾值也是不同的。在設(shè)定閾值時(shí)，通過不斷實(shí)驗(yàn)來確定能滿足研究需要并且符合研究區(qū)域地形條件的合適閾值。

3 結(jié)果與分析

與其他方法相比較，D8 算法有著模型簡單、計(jì)算效率高、應(yīng)用方便等顯著優(yōu)點(diǎn)，在水文分析中得到了廣泛應(yīng)用，其流向確定性的約束使它并不適合模擬水流在坡面上漫散流動的情況，在平緩地區(qū)會導(dǎo)致大量不合理的平行流現(xiàn)象出現(xiàn)，降低了流域特征提取的精度[8]。

3.1 集水面積閾值對河網(wǎng)提取的影響

基于ArcGIS10 Hydrology水文處理工具包，分別采用 1 000 m2、2 000 m2、3 000 m2、4 000 m2、5 000 m2、6 000 m2、7 000 m2、7 500 m2、8 000 m2、8 500 m2、9 000 m2和9 500 m2共12個(gè)集水面積閾值提取河網(wǎng)信息。由圖2對比可知，不同集水面積閾值對確定主河道的空間位置影響較小，但提取的數(shù)字流域河網(wǎng)的特征會發(fā)生明顯變化。由圖2可知，隨集水面積閾值的增大，提取的流域河網(wǎng)隨之稀疏。當(dāng)集水面積閾值由1 000 m2增至9 500 m2時(shí)，各級河網(wǎng)的條數(shù)分別隨集水面積閾值的增大而呈現(xiàn)不同程度的減少（表1），研究區(qū)溝壑長度由21 819.329 km減少到7 198.685 6 km；河流條數(shù)由5 856條減少到659條；溝壑密度由0.263 4 km·km-2減少到0.086 9 km·km-2；河源密度由0.070 7個(gè)·km-2減少到0.008 0個(gè)·km-2。

3.2 集水面積閾值與河網(wǎng)特征的關(guān)系

本研究選取河網(wǎng)密度和河源密度作為河網(wǎng)提取定量分析的主要指標(biāo)。由表1數(shù)據(jù)，通過集水面積閾值與河網(wǎng)密度、河源密度之間的擬合關(guān)系，得到如下冪函數(shù)關(guān)系：

式中，yh為河源密度（個(gè)·km-2）；yg為溝壑密度（km·km-2）；x為集水面積。

對河源密度和溝壑密度求二階導(dǎo)數(shù)得：

圖2 流域河網(wǎng)隨集水面積閾值變化

將集水面積代入公式（3）、（4），得到河網(wǎng)特征（河網(wǎng)密度、河源密度）與集水面積的關(guān)系，如圖3所示。

表1 集水面積閾值與溝壑、河源密度

圖3 集水面積與河網(wǎng)密度、河源密度的二階導(dǎo)數(shù)

由圖3可知，集水面積閾值在4 500～6 000 m2范圍出現(xiàn)拐點(diǎn)，與實(shí)際矢量化水系的河網(wǎng)密度和河源密度相比較，集水面積閾值為6 000 m2時(shí)自動提取的河網(wǎng)密度和河源密度與實(shí)際值較接近，結(jié)果見圖4。因此，與傳統(tǒng)方法相比，采用上述確定集水面積閾值的方法，避免了利用DEM提取流域河網(wǎng)時(shí)對閾值手動調(diào)節(jié)的繁瑣過程，有助于模擬結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。

圖4 河網(wǎng)提取結(jié)果

3.3 精度評價(jià)

以陸地衛(wèi)星遙感影像TM 432波段R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）假彩色合成影像為背景，疊加河網(wǎng)提取結(jié)果（圖 5）。由圖5可知，匯流累積量越大，靠近支流干道的地方提取效果越好，在更小的支流末梢，則無法提取。隨著DEM 數(shù)據(jù)精確度的提高及提取流域特征的技術(shù)改進(jìn)，流域特征提取的精確度也將進(jìn)一步提高。

圖5 河網(wǎng)提取結(jié)果與TM影像水系疊合

4 結(jié) 語

1）集水區(qū)面積閾值的確定對水系提取至關(guān)重要，與水系的提取結(jié)果有著密切的關(guān)系，集水區(qū)面積閾值越小，水系就越密集。

2）集水面積閾值對主干河道影響極小，但對河網(wǎng)提取的詳細(xì)程度具有重要影響。隨集水面積閾值的增大，提取的流域河網(wǎng)隨之稀疏。

3）GIS技術(shù)在水文研究中起到愈來愈重要的作用，有關(guān)理論已經(jīng)比較成熟，方法也在廣泛應(yīng)用，許多河網(wǎng)提取算法有待改進(jìn)，流域水文特征的提取精度有待近一步提高。

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P208

B

1672-4623（2015）04-0065-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.024

許輝熙,博士后,副教授,主要從事地理學(xué)、遙感與GIS技術(shù)應(yīng)用研究。

2014-08-12。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41371125）；四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級項(xiàng)目（川建院[2013]104號）。