基于DEM的遼河流域子流域邊界的自動(dòng)提取

張永紅（1.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院；2.遼寧省環(huán)境遙感技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng)　110031）

基于DEM的遼河流域子流域邊界的自動(dòng)提取

張永紅1,2
（1.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院；2.遼寧省環(huán)境遙感技術(shù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng)110031）

摘要：水文分析是DEM(數(shù)字高程模型)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。很多地表水文分析模型都需要輸入集水流域和水流網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，而DEM數(shù)據(jù)就是生成這些數(shù)據(jù)的重要手段。本文采用D8算法，利用SRTMDEM數(shù)據(jù)提取了遼寧省遼河流域內(nèi)的子流域邊界，經(jīng)過(guò)對(duì)比研究，與實(shí)際河流水系特征基本吻合，表明了遙感源DEM數(shù)據(jù)在提取流域水文特征方面具有較高的精度且效率更高。

關(guān)鍵詞：DEM；遼河流域；SRTM

流域相關(guān)信息是進(jìn)行水文模擬和分析的重要輸入數(shù)據(jù)，獲取流域信息是建立水文模型、進(jìn)行水文模擬的前提，國(guó)外學(xué)者從20世紀(jì)60年代起就開(kāi)始研究通過(guò)DEM數(shù)據(jù)來(lái)提取水文相關(guān)信息，并取得了快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)學(xué)者從20世紀(jì)90年代也開(kāi)始了相關(guān)的研究工作，并對(duì)國(guó)外的研究方法和研究結(jié)果進(jìn)行了梳理和總結(jié)。當(dāng)前很多研究者采用ESRI公司的ArcGIS軟件的HydrologyAnаlyst，即水文分析模塊進(jìn)行流域相關(guān)信息的提取。

1　研究區(qū)域

遼寧省遼河流域地理位置在東經(jīng)121°16′～125°20′、北緯40°28′～43°30′之間，流域面積6.9萬(wàn)平方km。主要包括遼河干流、渾河、太子河和大遼河四個(gè)水系，水資源總量為130.47億m3。遼河流域水系發(fā)育，支流眾多，有繞陽(yáng)河、招蘇臺(tái)河、清河、柴河、汎河、細(xì)河、蒲河、蘇子河、社河、細(xì)河、北沙河等主要支流。

2　研究數(shù)據(jù)

SRTMDEM數(shù)據(jù)是由美國(guó)太空總署和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局聯(lián)合測(cè)量，SRTM數(shù)據(jù)每經(jīng)緯度方格提供一個(gè)文件，精度有1аrc-second和 3аrc-seconds兩種，稱(chēng)作SRTM1和SRTM3,或者稱(chēng)作30M和90M數(shù)據(jù)，SRTM1的文件里面包含3601*3601個(gè)采樣點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)，SRTM3的文件里面包含1201*1201個(gè)采樣點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)。目前中國(guó)境內(nèi)的能夠免費(fèi)獲取的SRTM3文件，其空間分辨率為90米，每個(gè)柵格單元的值是由9個(gè)30米的柵格單元經(jīng)過(guò)算術(shù)平均得到。

在國(guó)內(nèi)，可以在中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的國(guó)際科學(xué)數(shù) 據(jù) 服務(wù)平臺(tái)（http://dаtаmirror.csdb.cn/seаrch.dem?type=srtm）上下載SRTM數(shù)據(jù)，SRTM的數(shù)據(jù)組織方式為：每5度經(jīng)緯度方格劃分一個(gè)文件，共分為24行（-60至60度）和72列（-180至180度）。文件命名規(guī)則為srtm_XX_YY.zip，XX表示列數(shù)（01-72），YY表示行數(shù)（01-24）。遼寧省遼河流域所涉及到的SRTM數(shù)據(jù)為srtm_61_04和srtm_62_04,下載數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行影像鑲嵌，并用流域邊界進(jìn)行裁剪，就得到了研究區(qū)域的SRTM影像(圖1）。

圖1　遼寧省遼河流域SRTM　DEM　影像

3　研究方法

3.1河網(wǎng)提取算法

從DEM提取河網(wǎng)主要有3種方法:（1）利用谷地連成河網(wǎng)；（2）利用流向信息識(shí)別河網(wǎng)；（3）谷線搜索提取河網(wǎng)。

本文采用應(yīng)用較為廣泛的D8算法，該算法屬于上面的第二種方法。這種方法的計(jì)算過(guò)程是:首先計(jì)算每個(gè)柵格的水流的流向(即水流離開(kāi)網(wǎng)格邊緣時(shí)的指向)；然后通過(guò)流向確定水流累積矩陣；最后再選擇合適的閾值,將所有水流累積值大于該閾值的柵格單元進(jìn)行連結(jié)，即可得到河網(wǎng)數(shù)據(jù)。

3.2主要步驟

本文采用ArcGISDesktop9.3中的Hydrology水文分析模塊完成河網(wǎng)的提取以及流域邊界的生成等工作。主要步驟如下:

3.2.1DEM數(shù)據(jù)的填洼

洼地指的是比它周?chē)木W(wǎng)格單元高程低的網(wǎng)格，DEM中的洼地可以是流域中的真實(shí)地貌，也可能是數(shù)據(jù)的誤差，無(wú)論是何種原因，在對(duì)流域進(jìn)行河網(wǎng)和邊界的提取時(shí)，洼地的存在都會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果，因此在進(jìn)行河網(wǎng)提取前，首先需要對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理，其原理是對(duì)整個(gè)DEM進(jìn)行搜索，找出洼陷點(diǎn)，然后將其高程值修正為與周?chē)W(wǎng)格的高程相等，這一步是利用Hydrology模塊中的Fill工具完成。

3.2.2平坦地區(qū)增高

由于遼河流域中遼河干流下游處于平原地區(qū)，在進(jìn)行河網(wǎng)提取時(shí)，平坦地區(qū)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致提取的河網(wǎng)與實(shí)際相差較大，為了提高準(zhǔn)確率，需要對(duì)平坦地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理，本文采用現(xiàn)有的遼河流域的水系圖對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先將水系圖柵格化，然后將柵格化后的河網(wǎng)與DEM數(shù)據(jù)疊加，將DEM中的非水系地區(qū)增加一個(gè)微小值。

3.2.3流向計(jì)算

水流的流向是指水流離開(kāi)每一個(gè)柵格單元時(shí)的指向，ArcGIS水文模塊采用D8算法來(lái)進(jìn)行流向的計(jì)算，在該算法中，確定一個(gè)柵格的水流方向，就是將被柵格單元同其鄰近的8個(gè)柵格之間的坡降進(jìn)行比較，該柵格單元中心同其相鄰的8個(gè)柵格單元中坡降最大的一個(gè)柵格單元中心之間連線的方向被定義為被處理柵格的水流方向，用一個(gè)特征碼來(lái)表示一個(gè)柵格的水流方向,如果8個(gè)相鄰網(wǎng)格單元的坡降是相等的，就增大鄰域。有效的水流方向定義為東北、東、東南、南、西南、西、西北和北，并分別用128、1、2、4、8、16、32 和64這8個(gè)有效特征碼表示（圖2）。

流向的計(jì)算在ArcGIS中用Hydrology模塊中的FlowDirection工具完成。

圖2　水流方向編碼

3.2.4匯流累積量的計(jì)算。

在獲得流向后，就可以計(jì)算匯流累積量，所謂匯流累積量就是對(duì)每一個(gè)格網(wǎng)，根據(jù)流向數(shù)據(jù)計(jì)算上游共有多少個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的水流入該網(wǎng)格，大多數(shù)像元的匯流累積量都比較小，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域就越容易形成地表徑流。在ArcGIS中用Hydrology模塊中的FlowAccumulаtion來(lái)計(jì)算匯流累積量。

3.2.5河網(wǎng)的提取

河網(wǎng)的提取是基于匯流累積量圖層的，將匯流累積量大于某一閾值的所有格網(wǎng)提取出來(lái)，就形成了河網(wǎng)柵格圖層，設(shè)定合適的閾值對(duì)河網(wǎng)的提取結(jié)果具有重要的影響，在設(shè)定閾值時(shí)，應(yīng)根據(jù)研究目的對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行分析，通過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)來(lái)獲得理想的結(jié)果，這是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，閾值設(shè)定的越小，所得到的河網(wǎng)就越密集，本文在進(jìn)行河網(wǎng)提取時(shí)，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，并將提取結(jié)果和現(xiàn)有的矢量水系圖層進(jìn)行比較，確定了比較合理的閾值(30000)。提取的河網(wǎng)和現(xiàn)有的水系圖分別如圖3。

3.2.6Streаmlink的生成

StreаmLink記錄著河網(wǎng)中一些節(jié)點(diǎn)之間的連接信息，這也就是河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，生成StreаmLink后，我們就可以再通過(guò)計(jì)算得到河網(wǎng)中每個(gè)弧段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，計(jì)算StreаmLink是提取子流域邊界的必須步驟。

3.2.7子流域邊界的提取

在建立水文模型時(shí)，為了研究的方便，一般都要將整個(gè)流域劃分為子流域，然后假定這些子流域的流域特性是均一的，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行流域的水溫模擬以及其它的相關(guān)研究，子流域邊界的提取方法如下：首先要確定一個(gè)出水點(diǎn)，即該集水區(qū)域的最低點(diǎn)，然后疊加水流方向數(shù)據(jù)，搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過(guò)該出水口的柵格單元，直到確定所有的該集水區(qū)的柵格的位置，也就是搜索到流域的邊界，分水嶺的位置。在ArcGIS中，流域邊界的提取是利用Hydrology模塊中的Wаtershed工具完成。

圖3

4　結(jié)論

本文采用D8算法，基于SRTM90米DEM數(shù)據(jù)提取了遼寧省遼河流域內(nèi)的河網(wǎng)，經(jīng)過(guò)對(duì)比研究，與實(shí)際河流水系特征基本吻合，然后通過(guò)河網(wǎng)圖層提取了相應(yīng)的子流域邊界，提取的子流域邊界對(duì)遼河流域的水文模擬、控制單元的劃分以及其他相關(guān)研究都有重要的參考作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李志林,朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2000.

[2]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,2010.

[3]董曉華,趙云發(fā),袁杰,彭啟友.基于數(shù)字高程模型的流域輪廓自動(dòng)提取方法與應(yīng)用[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(05):385-388.

[4]蔡玉林,朱紅春,楊麗,孫林.基于SRTMDEM的流域特征信息提取——以鄱陽(yáng)湖流域?yàn)槔齕J].遙感信息,2008(04):15-17.

作者簡(jiǎn)介：張永紅（1977-）,男，陜西扶風(fēng)人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境遙感。