基于不同數(shù)據(jù)源的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)提取與對比分析

羅玉恒，王曉春，周　健

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 天水 741020)

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基于不同數(shù)據(jù)源的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)提取與對比分析

羅玉恒，王曉春，周健

(甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 天水 741020)

[摘要]為了研究基于地形圖、DEM和遙感影像三種不同數(shù)據(jù)源提取的數(shù)字河網(wǎng)之間的差異，選取天水市麥積區(qū)穎川河流域為研究對象，通過地形圖數(shù)字矢量化、Hc-DEM水文分析和遙感影像解譯三種不同方法分別提取數(shù)字化河網(wǎng)，并對不同數(shù)據(jù)源提取出的數(shù)字河網(wǎng)進行了對比分析，結(jié)果表明：在比例尺相近的情況下，基于Hc-DEM的地形參數(shù)提取到的數(shù)字河網(wǎng)精細程度最高，但在地勢平坦處會出現(xiàn)較大偏差；通過地形圖矢量化獲得的數(shù)字河網(wǎng)脈絡(luò)較為清晰，但地形圖數(shù)據(jù)時效性較差，不能夠全面準確地反映真實數(shù)據(jù)情況；通過遙感影像解譯采集出來的數(shù)字河網(wǎng)時效性好、更準確，但人為因素影響較大。因此，基于三種數(shù)據(jù)源提取數(shù)字河網(wǎng)時，應以DEM數(shù)據(jù)提取的為準，結(jié)合其他兩種數(shù)據(jù)源，修正由于數(shù)據(jù)源誤差所生成的錯誤河道，從而提高數(shù)字河網(wǎng)的精度。

目前數(shù)字化河網(wǎng)研究主要包括生成DEM的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與方法[1-2]、數(shù)字河網(wǎng)提取技術(shù)[3-5]、DEM分辨率[6]。這些研究大多數(shù)僅針對數(shù)據(jù)進行研究，而鮮有針對不同的數(shù)據(jù)源提取出的數(shù)字河網(wǎng)進行對比分析的研究[7]。為此，本研究以潁川河流域(包括東柯河流域)為樣本，基于1∶ 5萬地形圖、ASTER GDEM和遙感影像等三類數(shù)據(jù)源，通過數(shù)字矢量化、DEM數(shù)據(jù)分析和影像判讀等不同方法分別提取數(shù)字化河網(wǎng)，以期對不同數(shù)據(jù)源提取出的數(shù)字河網(wǎng)進行分析研究。

1流域概況

天水市麥積區(qū)的穎川河屬渭河一級支流，流域地處北緯34°20′～34°30′、東經(jīng)105°23′～106°40′，流域總面積356 km2，涉及麥積區(qū)馬跑泉、甘泉、麥積、伯陽4鎮(zhèn)57村7.7萬人，總耕地面積1.58萬hm2，多年平均降水量580 mm，氣候垂直地帶性和區(qū)域性差異顯著。穎川河發(fā)源于南部麥積山風景名勝區(qū)所處的西秦嶺，源頭處山高谷深、峰銳坡陡，平均坡度30°左右；區(qū)內(nèi)地形復雜，相對高差大，境內(nèi)西南最高山峰海拔2 234 m，東北最低處海拔1 048 m；北部屬黃土丘陵溝壑地貌，土層深厚，侵蝕強烈，天然植被稀少，水土流失比較嚴重。

2數(shù)據(jù)源分析

2.1地形圖數(shù)據(jù)分析

本研究的地形圖由12幅1∶ 5萬的天水地區(qū)地形分幅圖組成，采用高斯-克呂格地圖投影技術(shù)，等高距為20 m，數(shù)據(jù)格式為TIFF柵格數(shù)據(jù)。首先對分幅的地形圖數(shù)據(jù)進行配準、矢量化，再進行接邊處理，得到研究區(qū)的數(shù)字河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)；然后對數(shù)字河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)進行屬性及拓撲檢查，確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。通過對研究區(qū)的圖幅進行數(shù)據(jù)接邊、數(shù)據(jù)融合等處理，結(jié)合天水市麥積區(qū)行政區(qū)劃地圖，提取出基于地形圖這一數(shù)據(jù)源的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)，見圖1(a)。

圖1　通過不同數(shù)據(jù)源提取的潁川河流域數(shù)字河網(wǎng)

2.2DEM數(shù)據(jù)分析

本研究使用的DEM數(shù)據(jù)由ASTER GDEM第二版本(V2)的數(shù)據(jù)處理獲取，ASTER GDEM是全球空間分辨率為30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品。利用矩形框截取穎川河流域所在區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)。利用TIN-DEM的構(gòu)建不能準確表達地形與地表徑流匯集過程的關(guān)系，因而不能完全滿足水文分析的需要。Hutchinson提出了水文地貌關(guān)系正確的Hc-DEM的概念[8]，基于Hc-DEM的地形參數(shù)提取的數(shù)字河網(wǎng)不僅能夠正確地表達地形的連續(xù)和突變特征，而且能正確地反映水文要素，如水流方向、水流路徑、水系網(wǎng)絡(luò)等，保證提取河流網(wǎng)絡(luò)的互相連通，因而其準確性和精度更高。本研究DEM數(shù)據(jù)源的提取采用基于Hc-DEM的研究方法，生成了30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，見圖1(b)。

2.3遙感影像數(shù)據(jù)分析

遙感影像數(shù)據(jù)采用穎川河流域2014年航空攝影測量影像資料，分辨率在5 m左右。穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)的提取采用人工影像解譯判讀的方法進行數(shù)據(jù)采集。河網(wǎng)實際寬度大于20 m的采用地形線轉(zhuǎn)圖斑的形式提取，2～20 m寬度的河網(wǎng)采用線狀地物提取，線狀河網(wǎng)寬度通過屬性賦值進行區(qū)分。地物解譯由內(nèi)業(yè)人員對影像進行預判解譯，可采用直接目視判讀解譯，也可利用已有土地利用類型數(shù)據(jù)庫與影像底圖(DOM)套合，參考調(diào)查數(shù)據(jù)進行解譯，并在計算機中依據(jù)影像將預判解譯的界線、圖斑、地類等標繪在調(diào)查底圖上。通過內(nèi)業(yè)解譯，將能夠確認的地物和界線、不能夠確認的地類或界線，分別用不同的線劃、顏色、符號、注記等形式標繪在調(diào)查底圖上，對影像不夠清晰或內(nèi)業(yè)無法判讀解譯的地物或界線，以及線狀河流寬度，由野外補充調(diào)查確定，最終繪制出由航片影像數(shù)據(jù)解譯的研究區(qū)數(shù)字河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)，見圖1(c)。

3數(shù)字河網(wǎng)對比分析

基于以上三種不同數(shù)據(jù)源分別提取穎川河流域的數(shù)字河網(wǎng)，結(jié)果對比見表1。提取結(jié)果分析如下:①由1∶ 5萬比例尺的地形圖提取出的穎川河流域河網(wǎng)較為稀疏，但河網(wǎng)脈絡(luò)清晰,主干層次分明。地形圖矢量化提取數(shù)字河網(wǎng)的精度與地形圖的比例尺有很大關(guān)系，本研究采用的1∶ 5萬地形圖精度為5 m，地物精度較粗，因此缺失很多小支流。②由30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)基于Hc-DEM的地形參數(shù)提取的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)最為稠密。由DEM數(shù)據(jù)提取數(shù)字河網(wǎng)的精度與當?shù)氐牡孛嫫露扔嘘P(guān)，地勢越陡提取精度越高，地勢越平坦提取精度越低，同時也與DEM數(shù)據(jù)源的分辨率有關(guān)。③由人工判讀遙感影像解譯采集出來的穎川河流域的數(shù)字河網(wǎng)最為真實，但由于5 m左右分辨率的影像地圖一般判讀地物的寬度為2 m以上的線狀地物，因此還是會缺失部分河網(wǎng)數(shù)據(jù)。

表1　基于三種數(shù)據(jù)源的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)特征

4結(jié)論

在比例尺相近的情況下，基于Hc-DEM的地形參數(shù)提取到的數(shù)字河網(wǎng)精細程度最高，但在地勢平坦處會出現(xiàn)較大偏差；通過地形圖矢量化獲得的數(shù)字河網(wǎng)脈絡(luò)較為清晰，但地形圖數(shù)據(jù)時效性較差，不能夠全面準確地反映真實數(shù)據(jù)情況；通過遙感影像解譯采集出來的數(shù)字河網(wǎng)時效性好、更準確，但人為因素影響較大。因此，基于三種數(shù)據(jù)源提取數(shù)字河網(wǎng)時，應以DEM數(shù)據(jù)提取的河網(wǎng)為準，結(jié)合其他兩種數(shù)據(jù)源，修正由于數(shù)據(jù)源誤差所生成的錯誤河道，從而提高數(shù)字河網(wǎng)的精度。

[參考文獻]

[1] 周買春,黎子浩,Jayawardena A W.數(shù)值地形圖的生成及其水文地貌特征評價[J].水利學報,2002(2):71-74.

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[7] 劉遠,周買春,陳芷菁,等.基于不同DEM數(shù)據(jù)源的數(shù)字河網(wǎng)提取對比分析——以韓江流域為例[J].地理科學,2001,32(9):1112-1118.

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(責任編輯徐素霞)

[基金項目]甘肅省科技支撐計劃項目(144FKCE084)

[中圖分類號]P333

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)06-0059-02

[作者簡介]羅玉恒(1982—)，男，江西九江市人，講師，碩士，主要從事“3S”技術(shù)教學與應用研究；通信作者王曉春(1966—)，男，甘肅天水市人，教授，學士，主要從事林學研究。

[收稿日期]2015-09-30

[關(guān)鍵詞]數(shù)據(jù)源；DEM；數(shù)字化河網(wǎng)；穎川河流域