基于空間信息技術(shù)的六股河流域河網(wǎng)水系提取

王正勇, 楊勝梅, 馬 琨, 寧 晶, 何 亮, 韓賢權(quán)

(1.湖北省襄陽市水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441021； 2.長江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010)

?

基于空間信息技術(shù)的六股河流域河網(wǎng)水系提取

王正勇1, 楊勝梅2, 馬 琨2, 寧 晶2, 何 亮2, 韓賢權(quán)2

(1.湖北省襄陽市水文水資源勘測局，湖北 襄陽 441021； 2.長江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所，武漢 430010)

快速有效地獲取河網(wǎng)水系特征信息對于流域水文分析具有重要的意義。為此，選取遼寧省六股河流域作為研究對象，以30 m空間分辨率的數(shù)字高程模型(DEM)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用美國ESRI公司開發(fā)的地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS，對該流域的水流方向、累積匯流柵格、河網(wǎng)水系等基礎(chǔ)信息進行了提取研究。將河網(wǎng)提取結(jié)果與國家基礎(chǔ)信息中心提供的1∶4 000 000河流水系基礎(chǔ)資料進行對比，提取結(jié)果的干流河網(wǎng)段與實際水系形態(tài)特征較為吻合，提取的流域面積與實際流域面積相差1.99%，表明空間信息技術(shù)應(yīng)用于六股河流域水文基礎(chǔ)信息提取是可行的，可為流域水文模擬、數(shù)字流域建設(shè)等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

空間信息技術(shù)；DEM；河網(wǎng)水系提??；水文特征；河網(wǎng)密度

1 研究背景

近年來，隨著空間信息技術(shù)的快速發(fā)展，以地理信息系統(tǒng)為代表的“3S”技術(shù)在海量數(shù)據(jù)存儲與管理、空間分析及可視化方面的功能日趨強大[1]。集成空間信息技術(shù)與水文模型的水文分析應(yīng)用成為了水文學(xué)的重要發(fā)展方向，而河網(wǎng)等一些基礎(chǔ)水文信息為這些研究提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)字高程模型(DEM)屬于地理空間數(shù)據(jù)的一種，它通過地面高程值序列來描述地形在空間上的分布特征。DEM有3種表達形式：等高線、規(guī)則格網(wǎng)和不規(guī)則三角網(wǎng)，其中以規(guī)則格網(wǎng)使用最為普遍，在流域水文模擬中得到廣泛應(yīng)用[2]。DEM蘊含著豐富的地表形態(tài)信息，如地形、地貌、坡度、坡向等，利用一定的算法，就可從中提取出河網(wǎng)水系、分水線等水文特征要素以及地形特征因子要素。目前使用較多的為D8單向流算法，由于該算法簡單易用，被ArcInfo提供的水文分析擴展模塊Arc Hydro Tools、ArcGIS Desktop提供的Hydrology工具以及RIVIX公司提供的River tools等一些軟件平臺所采用[3]。該算法的唯一缺陷是無法確定洼地以及平地的水流方向。針對這一問題，國外學(xué)者隨后又提出了采用窗口掃描的方式來確定平坦及洼地的水流方向，這一方法的不足是可能會出現(xiàn)不連續(xù)的河網(wǎng)水系[4]。后來又有多向流算法被國外學(xué)者提出[5]，由于該算法相對單向流算法來說，較為復(fù)雜，所以在推廣應(yīng)用方面不及單向流算法普遍。國內(nèi)清華大學(xué)研究開發(fā)的TUD-Basin數(shù)字流域模型也可以用于流域數(shù)字河網(wǎng)的提取。

六股河流域是遼寧省西部重要水源地區(qū)，該流域山地居多，平地相對較少，河網(wǎng)水系發(fā)育較好，基于前文的分析，可采用單向流算法進行河網(wǎng)水系的提取。本文基于ArcGIS 10.1軟件平臺，通過DEM數(shù)據(jù)，對遼寧省六股河流域進行河網(wǎng)提取試驗研究。

2 研究區(qū)域概況

六股河是葫蘆島市境內(nèi)最大的一條獨流入海的河流，發(fā)源于葫蘆島市建昌縣谷杖子鄉(xiāng)雙廟村北簍子山，河源海拔1 092 m。河流全長158 km，流域集水面積為3 045 km2，流域徑流主要由降雨補給，多年平均徑流量5.43億m3。整個流域南北向較東西向長，呈牽?；ㄐ螤?。其中，山地占整個流域面積的一半以上，丘陵占1/3左右，平原占10%左右。流域內(nèi)山地主要分布于西北部。流域東與小凌河、煙臺河為鄰，西北由大凌河環(huán)繞，西南與狗河為界。六股流域?qū)龠|西低山丘陵區(qū)，河谷區(qū)以侵蝕堆積地貌類型為主，其它地區(qū)以風(fēng)化剝蝕地貌類型為主。區(qū)域內(nèi)沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖均有出露。

3 研究方法與數(shù)據(jù)來源

3.1 研究方法

基于ArcGIS Desktop提供的水文分析工具Hydrology進行流域河網(wǎng)水系特征信息提取時，主要包括DEM數(shù)據(jù)填洼、計算水流方向、計算柵格單元累積匯流量、生成流域河網(wǎng)水系4個方面的內(nèi)容[6-8]，具體研究流程如圖1所示。

圖1 基于Hydrology水文分析工具提取河網(wǎng)水系流程Fig.1 Flowchart of extracting river networks based on the Hydrology tool

3.1.1 DEM數(shù)據(jù)填洼

DEM數(shù)據(jù)在采集過程中存在的偶然誤差，會導(dǎo)致一些凹陷區(qū)域的存在。但并非所有的凹陷區(qū)域都是由于DEM誤差引起，有些洼地是流域?qū)嶋H地形地貌的真實反映，所以，在進行洼地填充前，需要對流域洼地深度進行計算，并結(jié)合流域?qū)嶋H地形特點，為洼地填充設(shè)置一個合理的閾值，并進行填洼處理，從而得到比較光滑的無洼DEM數(shù)據(jù)，為后續(xù)河網(wǎng)水系提取提供前期準備。

3.1.2 柵格水流方向確定

Hydrology模塊采用了簡單易用的D8單流向算法。在該算法中，中心柵格單元水流有8種可能流向，對它的8個鄰域柵格按照2的整數(shù)次方進行編碼，分別為：1，2，4，8，16，32，64，128，各編碼對應(yīng)的方向依次為：正東，東南，正南，西南，正西，西北，正北，東北，通過計算中心與鄰域柵格之間的坡降(也稱之為距離落差)，并以最大坡降來確定水流方向。兩柵格之間的坡度θij可通過式(1)進行計算。

(1)

3.1.3 累積匯流量計算

累積匯流量越大，表示流經(jīng)該柵格的上游柵格單元就越多，該柵格所在區(qū)域也越容易形成地表徑流。柵格單元的累積匯流量計算過程如圖2所示，其中圖2(a)表示DEM數(shù)據(jù)，圖2(b)表示基于D8算法的柵格單元水流流向的確定，圖2(c)表示累積匯流量計算結(jié)果。

圖2 柵格單元累積匯流量計算

圖3 河網(wǎng)生成示意圖Fig.3 Diagram of river network generation

3.1.4 河網(wǎng)生成

在前面計算得到累積匯流柵格矩陣的基礎(chǔ)上，給定合適的集水面積閾值，通過柵格計算(Raster Calculator)得到河網(wǎng)的柵格形式，再進行柵格河網(wǎng)矢量化(Stream to Feature)，得到矢量格式的河網(wǎng)。集水面積閾值的取值大小與流域地形特征、下墊面狀況等多種因素有關(guān)[8]。閾值越小，提取的河網(wǎng)就越精細，反之，則越稀疏。圖3是給定最小水道集水面積閾值為3的情況下，河網(wǎng)的生成示意圖。

3.2 數(shù)據(jù)來源

使用的地形數(shù)據(jù)為遼寧省六股河流域DEM數(shù)據(jù)，地面分辨率為30 m，通過中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心下載得到，如圖4所示。對河網(wǎng)提取試驗結(jié)果進行驗證所采用的1∶4 000 000河流水系數(shù)據(jù)由國家基礎(chǔ)地理信息中心網(wǎng)站下載得到。

圖4 六股河流域DEM數(shù)據(jù)(空間分辨率：30 m)Fig.4 DEM of Liugu river basin (spatial resolution: 30 m )

4 流域水文特征信息提取與河網(wǎng)驗證

4.1 六股河流域水文特征提取

根據(jù)前述的研究方法，利用ArcGIS 10.1軟件的Hydrology水文分析模塊，首先對六股河流域DEM數(shù)據(jù)進行洼地填充預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上，確定柵格單元的水流方向，計算柵格單元的累積匯流量，提取給定水道集水面積閾值下的河網(wǎng)水系。

圖5中的(a)至(d)分別是最小水道集水面積閾值為2 000，5 000，10 000和20 000個柵格條件下生成的河網(wǎng)水系。由圖5可以看出，隨著柵格閾值的逐漸增大，提取的河網(wǎng)水系呈現(xiàn)逐漸稀疏的趨勢。

4.2 集水面積閾值的確定

集水面積閾值的確定是河網(wǎng)提取過程中的難點和重點?？紤]到集水面積閾值與河網(wǎng)密度存在一定的相關(guān)關(guān)系，一般認為河網(wǎng)密度趨于平緩時所對應(yīng)的集水面積閾值為較合理的閾值[9-11]。本文對六股河流域集水面積閾值與其相應(yīng)的河網(wǎng)密度關(guān)系進行研究，以確定合適的閾值大小。河網(wǎng)密度為流域單位面積上的河段長度，通常采用平均河長(l)與平均面積(a)的比值來表示。對于流域面積為A，河段總長為L，河段數(shù)為m的流域來說，河網(wǎng)密度Ds可表示為

圖5 六股河流域在不同閾值條件下的河網(wǎng)提取結(jié)果Fig.5 Extraction results of river network of Liugu river basin under different threshold conditions

(2)

本文通過ArcGIS提供的Create Fishnet，Intersect，Joins and Relates等工具，對六股河流域不同集水面積閾值下的河網(wǎng)密度進行計算和統(tǒng)計，如表1和圖6所示。

表1 六股河流域累積匯流柵格閾值及對應(yīng)的河網(wǎng)密度

圖6 六股河流域河網(wǎng)密度與累積匯流閾值的關(guān)系曲線Fig.6 Relation between river network density and flow accumulation threshold

圖7 基于空間信息技術(shù)提取的六股河流域水系Fig.7 Final extraction result of river network based on spatial information technology

從圖6可以看出，當(dāng)累積匯流閾值較小時，河網(wǎng)密度變化較為劇烈，隨著閾值的不斷增大，河網(wǎng)密度與匯流閾值關(guān)系曲線逐漸變得平緩。在累積匯流柵格數(shù)為17 000時，河網(wǎng)密度曲線趨于穩(wěn)定，故最后選擇17 000累積匯流柵格數(shù)作為本文六股河流域河網(wǎng)提取閾值，相應(yīng)的流域河網(wǎng)如圖7所示。

4.3 結(jié)果驗證

(1) 干流河網(wǎng)形態(tài)比較。將本文最終提取的六股河流域河網(wǎng)結(jié)果與國家1∶4 000 000河流水系數(shù)據(jù)進行幾何校正，投影到同一個平面地理坐標系下(CGCS2000_3_Degree_GK_ CM_120E)，由于1∶4 000 000河流水系數(shù)據(jù)只包含六股河流域的干流水系，故將河網(wǎng)提取結(jié)果的干流水系形態(tài)與實際河網(wǎng)數(shù)據(jù)進行空間對比，發(fā)現(xiàn)六股河流域干流河網(wǎng)的提取結(jié)果與實際水系形態(tài)基本一致。

(2) 流域盆地面積驗證。六股河流域的實際流域面積為3 045 km2，采用空間信息技術(shù)提取的六股河子流域面積之和為3 105.5 km2，相對誤差僅為1.99%，說明采用空間信息技術(shù)提取的流域結(jié)果與實際情況非常接近。

5 結(jié) 論

本文以六股河流域為例，研究了利用空間信息技術(shù)提取流域水系特征要素的方法，取得了較為滿意的效果。一方面，通過分析流域河網(wǎng)密度與累積匯流閾值關(guān)系曲線，尋找變化穩(wěn)定點來確定合適的河網(wǎng)提取閾值，并將河網(wǎng)提取的最終結(jié)果與實際水系進行對比分析，形態(tài)特征吻合較好；另一方面，本文提取的流域總面積與六股河實際流域面積相差僅為1.99%，進一步說明利用空間信息技術(shù)提取流域特征要素準確度較高，具有較強的實用性，對于數(shù)字流域建設(shè)，流域水文模型構(gòu)建具有十分重要的理論意義和實用價值。

[1] 李 麗, 郝振純. 基于DEM的流域特征提取綜述[J]. 地球科學(xué)進展, 2003, 18(2): 251-256.

[2] 李 晶, 張 征, 朱建剛, 等. 基于DEM的太湖流域水文特征提取[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2009, 34(5): 138-142.

[3] 陳 旺, 鄧亞東, 梁 虹, 等. 數(shù)字化水系輔助DEM提取Karst地區(qū)水系的應(yīng)用研究[J]. 長江科學(xué)院院報, 2010, 27(8): 74-78.

[4] 吳 冰, 李昌文. 基于SRTM DEM的盤龍河流域河網(wǎng)提取研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報, 2013, 24(6): 157-162.

[5]QUINN P，BEVEN K，CHEVLALIER P，etal． The Prediction of Hillslope Flow Paths for Distributed Hydrological Modeling Using Digital Terrain Models[J]. Hydrological Processes, 1991, 5 (1): 59-79．[6] 閆 玲, 謝 桃, 劉家富, 等. 基于 DEM 的平通河流域水文信息提取研究[J]. 人民長江, 2015, 46 (增1): 6-8. [7] 李 毅, 石豫川, 王 平, 等. 基于 DEM 的吉太曲流域水文信息分析[J]. 人民黃河, 2015, 37(9): 32-37.

[8] 吳 輝, 嚴志雁, 汪鎮(zhèn)達. 基于DEM的自動河網(wǎng)提取方法——以江西省黎川縣為例[J]. 水利與建筑工程學(xué)報, 2012, 10(4): 27-30.

[9] 陳東風(fēng), 鞏倫寶, 李 振. 基于不同空間尺度 DEM 河網(wǎng)提取的閾值選取準則研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報, 2015, 26 (2): 109-113.

[10]孔凡哲, 李莉莉. 利用DEM提取河網(wǎng)時集水面積閾值的確定[J]. 水電能源科學(xué), 2005, 23 (4): 65-67.

[11]劉羽婷, 張行南, 劉伯娟. 基于地形帶分類的最佳閾值與河網(wǎng)密度關(guān)系研究[J].長江科學(xué)院院報, 2014, 31(4):17-20.

(編輯：黃 玲)

Extraction of River Networks of Liugu River WatershedBased on Spatial Information Technology

WANG Zheng-yong1, YANG Sheng-mei2,MA Kun2, NING Jing2, HE Liang2, HAN Xian-quan2

(1. Bureau of Hydrological Resources Survey of Xiangyang, Hubei Province, Xiangyang 441021, China； 2.Engineering Safety and Disaster Prevention Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Quickly and efficiently obtaining river network information is of great significance for basin hydrological analysis. In this paper, the fundamental information of flow direction, flow accumulation raster, and river network is extracted using ArcGIS based on DEM(digital elevation model) data with spatial resolution of 30 meters. Liugu river watershed in Liaoning province is taken as a case study. Furthermore, the extraction results are compared with the real river stream with spatial resolution of 1∶4 000 000, and the main river stream network matches well. The area difference between the extraction and the actual basin is only 1.99%, indicating that the spatial information technology is available to the watershed characteristics extraction. The extraction data could provide data support for hydrologic simulation and digital basin construction.

spatial information technology; DEM; extraction of river streams; hydrological characteristics; river network density

2016-02-22；

2016-09-12

國家自然科學(xué)基金項目(51509007，41301434，51409021)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)項目(CKSF2016033/GC，CKSF2015020/GC)

王正勇(1975-)，男，湖北襄陽人，工程師，主要從事水文水資源研究管理工作，(電話)15897997666(電子信箱)289684609@qq.com。

楊勝梅(1983-)，女，安徽桐城人，高級工程師，博士，主要從事空間信息技術(shù)在資源、環(huán)境、災(zāi)害領(lǐng)域應(yīng)用方面的研究，(電話)027-82829089(電子信箱)yangshengmei_cky@163.com。

10.11988/ckyyb.20160130

2016,33(11):63-67

P333

A

1001-5485(2016)11-0063-05