基于ASTER GDEM數(shù)據(jù)的黃土丘陵溝壑區(qū)流域信息提取研究

黎雅楠 武丹

摘? 要：數(shù)字高程模型（DEM）主要描述地面高程，其中包含了豐富的水文信息，是目前流域分析主要數(shù)據(jù)源之一。該文以陜西省富縣作為研究區(qū)域，利用30m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，基于ArcGIS10.3平臺Hydrology模塊，經(jīng)過洼地填充、水流方向計算、匯流累積量計算、匯流閾值確定、河網(wǎng)提取等對研究區(qū)流域提取方法進(jìn)行研究，并對流域特征進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明：當(dāng)匯流閾值為11000時，提取的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)最接近，利用導(dǎo)數(shù)關(guān)系基本可以確定提取的河網(wǎng)反映了真實水系的閾值。

關(guān)鍵詞：ASTER GDEM數(shù)據(jù);黃土高原丘陵溝壑區(qū);GIS空間分析;匯流閾值

中圖分類號 P208文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）11-0077-3

Abstract：Digital elevation model （DEM） mainly describes ground elevation，which contains rich hydrological information，and is one of the main data sources of current watershed analysis. This paper uses Fuxian County of Shaanxi Province as the research area，using ASTER GDEM data with 30m resolution. Based on the Hydrology module of ArcGIS10.3 platform，the method of watershed extraction in the study area was studied after the filling of the earth，the calculation of water flow direction，the calculation of the cumulant accumulation，the determination of the convergence threshold and the river network extraction，and the comprehensive analysis of the watershed characteristics. The results show that：When the convergence threshold is 11000，the extracted river network is closest to the actual river network，and the derivative relationship can be used to determine that the extracted river network reflects the threshold of the real water system.

Key words：ASTER GDEM data;Hilly and gully region of the Loess Plateau;GIS spatial analysis;Confluence threshold

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是對地球表面地形地貌的一種離散表達(dá)，蘊含豐富的水文特征、地形地貌信息等，已成為數(shù)字流域提取的主要手段[1]。數(shù)字高程模型一般有規(guī)則格網(wǎng)DEM、不規(guī)則三角網(wǎng)DEM和等高線DEM3種結(jié)構(gòu)，規(guī)格格網(wǎng)結(jié)構(gòu)易于與遙感和柵格GIS結(jié)合，而且在格網(wǎng)DEM上提取各種地形地貌因子也最為簡便，因此使格網(wǎng)DEM在數(shù)字地面模型數(shù)據(jù)組織中占據(jù)主導(dǎo)地位[2]。如美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）提供分辨率為30m、90m的DEM數(shù)據(jù)，目前被廣泛應(yīng)用于區(qū)域范圍內(nèi)的地貌、土壤、水文和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究中。利用DEM數(shù)據(jù)可以提取地形因子，也可進(jìn)行水文分析、提取流域信息研究。現(xiàn)階段，廣泛應(yīng)用的流域信息自動提取的工具主要有TOPAZ、RiverTools和ArcGIS[3]，其中ESRI公司和美國得克薩斯州奧斯汀大學(xué)水資源研究中心開發(fā)的ArcGIS水文模塊，用于河網(wǎng)提取分析功能強大，能快速提取流域信息，國內(nèi)外運用此模塊已經(jīng)對提取流域研究地表水文特征等進(jìn)行了大量的研究[4-6]。

本研究運用ArcGIS10.3平臺提供的Hydrology模塊，利用延安市富縣30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，對研究區(qū)進(jìn)行流域信息提取研究，以期對其水文信息進(jìn)行全面的了解，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況 位于陜西省北部，延安市南部的富縣，地處陜、甘、寧3省交界處。該區(qū)地處陜北高塬溝壑區(qū)與丘陵溝壑區(qū)的過渡地帶，全境東西長111km，南北寬73.8km，面積約為4182km2。該縣縣域遼闊、資源豐富、四季分明、日照充足、降水適中，地形地貌包括以洛河和葫蘆河為主的河流階地、中部高塬溝壑區(qū)、塬區(qū)北部的丘陵溝壑以及東部和西部的土石低山區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)源 本研究所使用的DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/）的ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)，ASTER GDEM數(shù)據(jù)是NASA根據(jù)對地觀測衛(wèi)星Terra所獲取的地球表面觀測數(shù)據(jù)制作完成的，數(shù)據(jù)覆蓋全球99%的范圍，采用UTM/WGS 84投影，空間分辨率為30 m。取N35-E108、N36-E108、N35-E109、N36-E109四景影像，對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌處理，鑲嵌好的DEM影像如圖1所示。

2 研究方法

2.1 ArcGIS河網(wǎng)提取流程 主要利用ArcGIS10.3中空間分析模塊的Hydrology工具箱來進(jìn)行流域提取，根據(jù)已有研究區(qū)范圍內(nèi)的DEM數(shù)據(jù)和其它數(shù)據(jù)，借助ArcGIS10.3平臺，對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終提取研究區(qū)流域河網(wǎng)信息[7]。本研究提取流域信息的主要步驟包括DEM預(yù)處理、流向分析、匯流單元分析、河網(wǎng)結(jié)構(gòu)提取、統(tǒng)計流域和河流的水力特征值等，如圖2所示。

2.2 匯流閾值確定方法 通過實驗來確定閾值，分別選取1000～15000為集水面積閾值，提取水系并計算其河網(wǎng)密度，通過河網(wǎng)密度二階導(dǎo)數(shù)求取河網(wǎng)密度與真實河網(wǎng)最接近的閾值。

2.3 洼地填充與水流方向提取 在ArcGIS10.3中選取Hydrology模塊中的Fill工具，計算得到無洼地的DEM。利用洼地填充后的DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS10.1中選取Hydrology模塊的Flow Direction工具，提取得到水流方向。

2.4 匯流累積量計算與匯流閾值設(shè)置 通過實驗來確定集水面積閾值，分別選取1000、2000、3000、…、15000為集水面積閾值提取水系并計算河網(wǎng)密度，通過河網(wǎng)密度二階導(dǎo)數(shù)求取河網(wǎng)密度與真實河網(wǎng)最接近的閾值。

3 結(jié)果與分析

3.1 匯流閾值與河網(wǎng)密度的關(guān)系 基于ArcGIS10.3平臺中的統(tǒng)計工具，得到不同閾值下的河網(wǎng)長度，然后通過計算河流長度與流域面積的比值得到河網(wǎng)密度，結(jié)果見表1。

由圖4可知，匯流閾值在10000～12000范圍出現(xiàn)拐點，河網(wǎng)密度與匯流閾值的二階導(dǎo)數(shù)冪函數(shù)關(guān)系為[y=16.886x-2.493]，相關(guān)性R2為1。當(dāng)匯流閾值為11000時，提取的河網(wǎng)與實際水系最吻合，結(jié)果見圖5所示。通過求取河網(wǎng)密度與匯流閾值的二階導(dǎo)數(shù)，確定匯流閾值的方法，避免了利用DEM提取流域信息時的繁瑣過程，且提高了流域提取的準(zhǔn)確性。

3.2 精度評價 采用Landsat8 OLI遙感影像543波段R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）假彩色合成影像為背景，疊加河網(wǎng)提取結(jié)果（圖6）。由圖6可知，在較小的支流末梢，無法提取，匯流累積量越大，靠近支流干道的地方提取效果越好。隨著DEM數(shù)據(jù)精確度的提高及提取流域特征的技術(shù)改進(jìn)，流域特征提取的精確度也將進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論與展望

以陜西省延安市富縣為研究區(qū)域，利用ArcGIS10.3水文分析模塊對研究區(qū)進(jìn)行流域信息提取研究。結(jié)果表明：當(dāng)匯流閾值為11000（集水面積閾值為1.1km2）時提取的河網(wǎng)與研究區(qū)真實的水系最為接近，取得了較為理想的結(jié)果，可以為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供數(shù)據(jù)支撐。

運用GIS和DEM數(shù)據(jù)自動提取流域信息具有現(xiàn)勢性，而且方便快捷，廣泛適用于各個流域的水文分析，但是不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)對流域提取結(jié)果會產(chǎn)生影響，今后應(yīng)注重多種分辨率DEM提取河網(wǎng)精度比較研究;其次，隨著GIS技術(shù)相關(guān)理論和方法的日益成熟，在水文領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越多，但由于處理方法以及實際地形的差異，流域提取的精度也會受到一定的影響，提高精度是今后的研究重點。

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（責(zé)編：王慧晴）