基于DEM的古坊河流域信息提取及對(duì)比分析

金　晶，彭志榮，汪紅洲

(1.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029)

基于DEM的古坊河流域信息提取及對(duì)比分析

金晶1，彭志榮1，汪紅洲2

(1.江西水利職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330029)

摘要：以會(huì)昌縣古坊河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于數(shù)字高程模型DEM，通過對(duì)DEM的預(yù)處理、水流方向的提取、匯流累積量的提取、河網(wǎng)水系的提取等確定流域信息。將提取得到的結(jié)果與在CAD中人工判讀的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。結(jié)果表明：流域面積與比降基本吻合，河長(zhǎng)存在較大誤差，在今后的工作中可以直接利用GIS提取山洪溝流域面積和比降以減少實(shí)際的工作強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：DEM；流域信息；河網(wǎng)水系；GIS

古坊河系貢水二級(jí)支流、湘水一級(jí)支流，發(fā)源于江西省贛州市會(huì)昌縣安下村，自東北向西南流經(jīng)謝屋村、鄒屋村、禾塘村、小壩村，于狗脛村匯入湘水。古坊河流域范圍內(nèi)有兩座并聯(lián)水庫，分別是東鄉(xiāng)水庫和冬瓜坑水庫。東鄉(xiāng)水庫與冬瓜坑水庫之間平時(shí)補(bǔ)充灌溉用水，汛期兩水庫下泄洪量分別沿支流匯入古坊河。會(huì)昌縣古坊河由于受洪水的影響，流域內(nèi)溪溝山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生，直接威脅沿河兩岸的村莊、道路等安全，給集鎮(zhèn)人民生活帶來許多困難、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失，嚴(yán)重制約著區(qū)內(nèi)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)一步提高。因此，需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行治理，建立起山洪災(zāi)害防治體系。本文探討了對(duì)于山洪溝流域直接用DEM圖提取流域信息與人工判讀得出的結(jié)果的誤差，為山洪溝流域信息提取提供依據(jù)。

1流域地形處理與流域信息提取

1.1DEM的預(yù)處理

首先，根據(jù)古坊河的坐標(biāo)和調(diào)查得出的古坊河流域內(nèi)的居民地以及古坊河水系的情況，經(jīng)過分析，在GIS中創(chuàng)建SHP圖形用于裁剪，然后在ERDAS中裁出能包括古坊河流域的邊界光滑的DEM圖。接著，對(duì)DEM圖進(jìn)行填洼和平坦地區(qū)處理。之所以在DEM圖中出現(xiàn)洼地是因?yàn)檎鎸?shí)的地形或DEM生成過程中的誤差導(dǎo)致的。從目前的研究情況來看，它形成的原因一般認(rèn)為是因?yàn)檎`差而導(dǎo)致的偽地形。水流流向的判讀會(huì)因?yàn)橥莸氐拇嬖诙鴰碛绊?，可能?huì)阻礙后續(xù)水流線的生成，使我們得到一些錯(cuò)誤的信息。因此在ArcGIS中計(jì)算水流方向之前，需要對(duì)數(shù)字高程模型進(jìn)行填洼處理。常用的填洼方法是0’callaghan和Mark提出的，直接在原始DEM中修正洼地內(nèi)的單元格的高程值[1]。填洼的原理是：如果遇到洼地，比較該柵格相鄰8個(gè)柵格的高程，用最小的值賦予這個(gè)柵格，對(duì)峰頂?shù)奶幚硪彩穷愃频姆椒╗2]。

運(yùn)用ERDAS軟件中的Subset，裁剪出原始DEM圖見圖1。再利用ArcGIS水文分析中的填洼對(duì)包含古坊河流域的原始DEM圖進(jìn)行填洼處理見圖2。

圖1　分辨率30 m的裁剪后的原始DEM圖

圖2　填洼處理后的DEM圖

1.2水流方向的提取

基于DEM水文分析的基礎(chǔ)是水流方向的提取。在目前的研究中，最廣泛采用的是單流向法——D8法[3]。它是基于3×3的網(wǎng)格窗口，假定每一個(gè)網(wǎng)格中的水只能流向與之相鄰的8個(gè)網(wǎng)格中的一個(gè)，從而對(duì)水流形態(tài)進(jìn)行判別，如圖3所示。該方法是建立在最陡坡度的基礎(chǔ)上，認(rèn)為網(wǎng)格以點(diǎn)源的形式產(chǎn)流，將千萬種可能的流向歸納成八種并用一維線來描述河道，從而確定網(wǎng)格流向[4]。這種方法簡(jiǎn)單并且具有實(shí)用性從而被廣泛接受和使用。

圖3　D8法網(wǎng)格水流方向定義

將填洼處理后的DEM圖導(dǎo)入ArcGIS中，利用流向工具計(jì)算得出水流方向，結(jié)果見圖4。

圖4　流向工具處理后的水流方向圖

1.3匯流累計(jì)量的提取

匯流累積分析是指通過提取水流流向柵格，從而生成匯流累積柵格的過程。匯流是一個(gè)不斷累積的過程，每一個(gè)匯流累積柵格的值，它表示上游匯流區(qū)域內(nèi)所有匯入該柵格的柵格單元總數(shù)[5]。簡(jiǎn)而言之，就是假定最初每個(gè)柵格都代表一個(gè)單位水量，根據(jù)提取的水流流向，該點(diǎn)所通過的水量就是匯入該柵格的總個(gè)數(shù)。這是基于水流流向數(shù)據(jù)計(jì)算所得。其值越大，就表示該地區(qū)越容易產(chǎn)生地表徑流。

本研究利用水文分析工具集中的流量工具提取匯流累積量柵格，結(jié)果如圖5所示。

圖5　匯流累計(jì)量圖

1.4河網(wǎng)水系的提取

基于DEM開展水文分析，最主要的目的就是提取出流域的河流網(wǎng)絡(luò)。目前，在所有提取河網(wǎng)水系的方法中，最普遍的方法是地表徑流模型。先前我們已經(jīng)得到了流域的匯流累積量，也就是在水流方向上每一個(gè)柵格所流過的水量值。在匯流量超過一個(gè)臨界值時(shí)，地表徑流就會(huì)產(chǎn)生，該值被稱為積水面積閾值[6]。流域內(nèi)所有柵格與臨界值進(jìn)行比較，超過臨界值的柵格所形成的路徑就是水流的路徑，即河網(wǎng)。然后，河網(wǎng)矢量化成河網(wǎng)形文件(即shape文件)輸出就可以將河網(wǎng)提取出來了。提取河網(wǎng)后，可以利用GIS的幾何計(jì)算的功能計(jì)算出河流的長(zhǎng)度。

本研究利用ArcGIS的柵格計(jì)算功能，提取匯流量大于800的柵格單元，得到的柵格河網(wǎng)，再利用水文分析中的柵格河網(wǎng)矢量化功能得到河網(wǎng)水系圖，如圖6所示。

圖6　流域河網(wǎng)水系圖

1.5古坊河流域的確定

用于研究的DEM圖是根據(jù)分析古坊河河源河口的經(jīng)緯度坐標(biāo)裁剪出來的。可以根據(jù)調(diào)查得出的古坊河流域內(nèi)的居民地以及古坊河水系的情況來確定古坊河的流域。

流域盆地是指被分水嶺分割而形成的匯水區(qū)域。它是基于水流方向數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析確定出互相連接的同一流域盆地上的柵格。流域盆地的出水口在流域的邊界上，所以流域盆地可以通過分析流域邊界上的出水口位置來確定。確定之后，我們可以通過計(jì)算匯入該出水口的上游的柵格位置，最終確定流域盆地的集水區(qū)域。

以柵格為基礎(chǔ)，利用水文分析工具中的盆域分析，得出流域的柵格數(shù)據(jù)。再運(yùn)用轉(zhuǎn)換工具柵格轉(zhuǎn)面，將流域柵格圖層轉(zhuǎn)換成矢量圖層。然后利用GIS的計(jì)算幾何功能計(jì)算出每個(gè)流域的流域面積，提取出來的古坊河流域。

1.6子流域的提取

操作ArcGIS時(shí)，應(yīng)用河網(wǎng)連接工具對(duì)提取的柵格河網(wǎng)進(jìn)行分析，將分析的結(jié)果作為小流域的出水口數(shù)據(jù)。這是因?yàn)橥ㄟ^河網(wǎng)連接分析得到的數(shù)據(jù)內(nèi)含有每一段河網(wǎng)弧段的連接信息。這些信息中，包含弧段的起點(diǎn)、終點(diǎn)等數(shù)據(jù)。一般情況下，小流域的出水口位置就在弧段的終點(diǎn)處。

子流域集水區(qū)域的生成原理與大流域的是一樣的。小流域的出水口位置被確定后，就等于確定了該集水區(qū)域的最低點(diǎn)，與水流方向結(jié)合在一起分析，該出水口上游所有流入該點(diǎn)的柵格位置就能被確定。這些柵格就組成了分割后的子流域區(qū)域。在ArcGIS中，應(yīng)用水文分析工具中的河流連接，先利用計(jì)算得到的河網(wǎng)文件和流向柵格文件建立河流連接[7]，再結(jié)合現(xiàn)有的流向柵格，利用分水嶺工具提取出子流域。這之后，將子流域柵格文件轉(zhuǎn)換成矢量文件，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算就可以得出子流域的面積，古坊河子流域圖見圖7。

圖7　古坊河子流域范圍圖

1.7河道平均比降的確定

河道平均比降J是指自分水嶺起根據(jù)沿流程的比降變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高程。在量取河長(zhǎng)的同時(shí)確定過河等高線，量取各等高線間距和相應(yīng)高程，按下列計(jì)算公式計(jì)算平均比降[8]。

(1)

式中：hn為各轉(zhuǎn)折點(diǎn)至下游控制斷面的高程差，m；ln為各轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的距離，km；L為河長(zhǎng)，km；J有效數(shù)字取三位，‰。

通過古坊河流域DEM圖，根據(jù)空間分析模塊中的等值線分析，提取出流域的等高線，見圖8。根據(jù)等高線，讀取若干比降變化特征點(diǎn)的高程和間距，并按照公式(1)計(jì)算出古坊河流域的平均比降。

圖8　古坊河流域等高線示意圖

2結(jié)果分析

基于DEM圖利用GIS的水文分析功能提取出的流域信息與根據(jù)現(xiàn)有的地形圖在CAD中勾繪得出的流域信息進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果見表1。

對(duì)于ArcGIS與CAD計(jì)算結(jié)果的相對(duì)偏差的絕對(duì)值認(rèn)為在2%以內(nèi)是合理的。根據(jù)表1可知，基于DEM利用GIS計(jì)算得出的流域面積與根據(jù)地形圖在CAD中人工勾繪出的相對(duì)偏差為0.82%，計(jì)算結(jié)果很接近。因此，對(duì)于山洪溝所在的中小流域，運(yùn)用GIS水文分析功能提取出來的流域面積是合理的。在GIS中對(duì)應(yīng)CAD中的主河道的比降相對(duì)偏差的絕對(duì)值為1.75%，我們也認(rèn)為是可信的。但是，GIS提取出的水系對(duì)應(yīng)CAD的主河道的長(zhǎng)度偏差較大，不適合使用。造成這種結(jié)果是由于以下幾點(diǎn)原因造成的：第一，它們的數(shù)據(jù)源不同，這里使用的CAD中的地形圖是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得出的，而使用的DEM圖是航拍得到的。第二，數(shù)據(jù)的時(shí)效性，這里使用的DEM圖是比較早期生成的，古坊河流域內(nèi)后來新建兩座水庫等一系列的工程措施，這引起了流域的變化。第三，圖像的比例尺的不同，CAD中的地形圖是1∶1萬，而DEM圖是1∶25萬的，這引起了平面位置精度誤差和垂直高度精度誤差。

表1　流域信息對(duì)比表

3結(jié)語

綜上所述，本文利用EARDS根據(jù)測(cè)量的經(jīng)緯度裁剪DEM后，用GIS對(duì)DEM圖進(jìn)行水文模擬分析，將模擬得出的流域信息與CAD中根據(jù)地形圖人工判讀得出的流域信息進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果得出流域面積和比降基本吻合，但河長(zhǎng)存在差異。故對(duì)于山洪溝流域可以基于DEM圖根據(jù)GIS進(jìn)行水文模擬分析得出流域面積以減少工作量。由于數(shù)據(jù)源不同和數(shù)據(jù)的時(shí)效性，河長(zhǎng)存在較大的差異。雖然比降基本吻合，但是運(yùn)用兩種軟件計(jì)算的方法是一樣的，不會(huì)明顯減少工作量。因此，對(duì)于山洪溝流域的研究中，對(duì)于無地形資料的山洪溝流域水文計(jì)算應(yīng)用GIS提取出流域信息是不合適的。對(duì)于有地形資料的較復(fù)雜的山洪溝流域，可以應(yīng)用GIS進(jìn)行水文模擬分析計(jì)算得出流域面積和比降，再通過CAD人工判讀出河長(zhǎng)。這樣對(duì)于今后的山洪溝研究工作，可以在一定程度上減少工作量，提高工作效率。

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Gufang River Basin information extraction and analysis based on DEM

JIN Jing1, PENG Zhirong1, WANG Hongzhou2

(1.Jiangxiwaterconservancyvocationalcollege,Nanchang330013,China;2.Jiangxiprovincialwaterconservancyplanningdesignandresearchinstitute,Nanchang330029,China)

Abstract：Take the Gufang River of Huichang county as a research subject, through the pretreatment of DEM, information extraction of water direction and river network to confirm basin information. The results extracted were compared and analyzed against the results of artificial read in CAD. The results showed that: the drainage area basically agrees well with hydraulic slope, but?the length of river exist notable error. We can extract catchment area and slope of mountain gullies directly by using GIS in the future work to reduce the actual work intensity.

Key words：DEM;watershed information; river network; GIS

作者簡(jiǎn)介：金晶(1991-)，女，助理講師，主要從事水文水資源方面的研究。

中圖分類號(hào)：P333.9;TP311.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)05-0040-04