基于DEM數(shù)據(jù)的黑河流域信息提取

先濤

摘 要 流域信息是構建現(xiàn)代分布式水文模型及相關研究的前提。數(shù)字高程模型反映區(qū)域地面高程的分布情況，是提取流域信息的重要途徑。本文利用ArcGIS10.1的水文分析模型（ Hydrology model）及SRTM—DEM數(shù)據(jù)，提取黑河流域水流方向、匯流累積量和河網(wǎng)等信息，簡要分析黑河流域水系現(xiàn)狀。

關鍵詞 黑河流域 數(shù)字高程模型 ArcGIS 河網(wǎng)

中圖分類號：TV212.5+1 文獻標識碼：A

0引言

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是表示區(qū)域地形上的三維向量系列，DEM有地形信息顯示精度高，易實現(xiàn)自動化、實時化等優(yōu)點。應用DEM能方便實現(xiàn)地表水文分析。國外應用DEM進行流域分析始于20世紀60年代，在80年代、90年代達到高峰，我國在90年代重點開始對國外相關軟件研究，近幾年偏向分布式子流域特征的提取。

1 基本原理

1.1研究區(qū)概況

黑河流域是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸流域，位于河西走廊中部，大致介于 98€？101€？0′E，38€？42€癗之間。對黑河流域水文特征的研究，有利于流域及河西走廊地區(qū)的水文現(xiàn)狀及地區(qū)發(fā)展進行把握。

1.2研究方法

ArcGIS10.1是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）推出的地理信息系統(tǒng)軟件平臺，它的水文分析模型的主要功能是從數(shù)字高程模型中提取地表水文要素的特征信息，并進行分析及可視化顯示。本文根據(jù)DEM數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，以ArcGIS為工具，提取黑河流域水流方向、洼地填充和匯流累積量計算，最終提取黑河流域河網(wǎng)水系。

2數(shù)據(jù)預處理

采用黑河流域SRTM-DEM數(shù)據(jù)四景，先鑲嵌處理，再用黑河流域邊界裁剪得到黑河流域范圍DEM數(shù)據(jù)。DEM是比較光滑的地形表面的模擬，且由于自身誤差，使得DEM表面存在一些凹陷的區(qū)域，在進行水流方向計算時，會得到不合理的甚至錯誤的水流方向，因此須先對DEM數(shù)據(jù)進行洼地填充。經(jīng)洼地提取，洼地深度計算后，就可以進行洼地填充，得到無洼地DEM。

3提取黑河流域及其水系

3.1水流方向提取

對于每一個格網(wǎng)，水流方向是指水流離開此格網(wǎng)時的指向。在ArcGIS中，通過將中心上個的8個領域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一值確定。水流方向采用D8算法，即通過計算中心柵格與鄰近柵格的最大距離權落差來確定。 打開水流計算工具，進行一系列設置，最后得到水流方向數(shù)據(jù)。

3.2匯流累積量計算

匯流累積量表示區(qū)域內(nèi)經(jīng)過每個柵格的流水累積量。利用水流方向數(shù)據(jù)來計算匯流累積量，其方法為：假設數(shù)字高程模型每個柵格點處有一個單位的水量，根據(jù)上一步流向分析結果計算流過每個柵格的水量大小，從而得到匯流累積量。

3.3河網(wǎng)提取

目前河網(wǎng)提取的方法主要采用地表徑流模型：得到匯流累積量之后，假設每一個柵格攜帶一份水量，那么柵格的匯流累積量就代表該柵格的水流量，當匯流量達到一定值得時候，就會產(chǎn)生地表徑流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些路徑構成的網(wǎng)絡，就是河網(wǎng)。進行水流網(wǎng)絡的提取，關鍵是根據(jù)水流累積量設置閾值，通常情況下積水面積閾值設定的越小，提取的河網(wǎng)分叉越多，河流長度越長。河網(wǎng)的生成，選擇“柵格河網(wǎng)矢量化”，分析得到柵格河網(wǎng)。設定閥值時，對整個區(qū)域分析并生成一個新的柵格圖層，其中匯流量大于閥值的柵格設1，否則設置為無數(shù)據(jù)。閾值設置為“flowcc”>=5000，得到柵格河網(wǎng)DEM，再經(jīng)過柵格河網(wǎng)矢量化，得到合理的矢量河網(wǎng)（圖1）。

4結論分析

對由DEM數(shù)據(jù)經(jīng)空間分析得到的黑河流域信息進行檢驗，將提取到的黑河流域水系圖與參考黑河流域水系圖（圖2）進行對比：

兩圖中主要水系的走向、輪廓大致一致，說明GIS環(huán)境下基于DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)的方法具有可行性。誤差分析，兩圖北部水系存在較大誤差，仔細分析不難發(fā)現(xiàn)參考圖西北部雖只有較少水系，但有干涸的水流的痕跡或地貌輪廓。經(jīng)查閱相關資料，判斷原因如下：黑河流域由于屬于較為缺水的地區(qū)，多年以來中上游修筑水渠截水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)象明顯，導致下游地區(qū)水流量驟減、西北部地區(qū)干旱狀況加劇，一些支流水量逐年降低甚至干涸，而與本文基于DEM數(shù)據(jù)研究流域水系的理論分布情況存在差距。這種人為因素導致理論與現(xiàn)實存在誤差，西北部干涸的河網(wǎng)既是佐證；此外，數(shù)據(jù)本身存在的誤差、數(shù)據(jù)生產(chǎn)年代較早和實測誤差等，導致在參考水系圖上反映的水系并不和理論水系完全吻合。從總的效果看，本文所述方法具有較高精度，而且從下游干涸的支流進一步證實了黑河中上游過量截取水流導致下游河網(wǎng)干涸的嚴重后果。

參考文獻

[1] 陳聞晨.涇河流域DEM流域信息提取[J].水資源與水工程學報，2010（03）：111-114.

[2] 李新，馬明國，王建，等.黑河流域遙感—地面觀測同步試驗：科學目標與試驗方案[J]. 地球科學進展，2008（09）：897-914.

[3] 李勇，于宏兵，艾麗娜，等.Arc Hydro模型提取流域水文信息及精度分析——以松花江流域為例[J].水資源與水工程學報，2013（06）：120-123.