基于多源DEM數(shù)據(jù)融合的城市水系及流域提取初探

劉佳嘉，周祖昊，劉琳，盧斌，戴東宸，朱家松，嚴(yán)子奇

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038; 2.水利部水資源與水生態(tài)工程技術(shù)研究中心,北京100038;3.中建水務(wù)環(huán)保有限公司，北京100037; 4.深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東深圳518000)

在城市徑流模擬研究中，提取城市模擬河網(wǎng)是基礎(chǔ)[1-2]。目前，基于DEM高程數(shù)據(jù)提取模擬河網(wǎng)[3-7]，因?yàn)槠洳僮骱?jiǎn)單、有免費(fèi)的覆蓋比較全面的DEM數(shù)據(jù)集以及集成到各GIS軟件系統(tǒng)而受到水文工作者廣為應(yīng)用，主要包括DEM高程填洼處理、柵格流向計(jì)算、柵格匯流累計(jì)數(shù)計(jì)算、模擬河網(wǎng)提取四大步驟。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，由于洼地及平坦區(qū)的存在，使得柵格流向不易確定，影響河網(wǎng)水系的提取，從而導(dǎo)致所提取的模擬河網(wǎng)同實(shí)際河網(wǎng)存在著較大誤差(尤其在平原地區(qū))，提取的流域范圍和實(shí)際范圍也存在著一定的差異[8]。為了提取同實(shí)際河網(wǎng)相似度高的模擬河網(wǎng)，學(xué)者們通過(guò)將實(shí)際河網(wǎng)信息燒錄到DEM中，增加相關(guān)河網(wǎng)柵格的匯水能力，確保河網(wǎng)柵格流向只能沿著實(shí)際河網(wǎng)流動(dòng)方向，從而消除平行河網(wǎng)，提高河網(wǎng)提取精度[9-11]。即便如此，提取的模擬河網(wǎng)也是同實(shí)際河網(wǎng)更加相似，而不是完全一樣。而且，這類修正方法并不適用于非河網(wǎng)柵格，無(wú)法解決流域范圍提取異常。這主要是由于DEM采樣誤差，導(dǎo)致個(gè)別柵格存在著“高估”和“低估”異常[12]。通常情況，研究人員會(huì)采用提高DEM精度的方法來(lái)減小這種誤差。一般采用地形高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM后進(jìn)行應(yīng)用[13-14]。具體方法為先將高程點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成不規(guī)則三角網(wǎng)，然后再對(duì)TIN數(shù)據(jù)重采樣為DEM。然而，由于高程點(diǎn)是離散的，在大尺度連續(xù)性上存在著誤差，從而導(dǎo)致局部DEM失真，對(duì)河網(wǎng)、非河網(wǎng)柵格的流向計(jì)算影響巨大。例如，如果某個(gè)離散點(diǎn)位于橋上，轉(zhuǎn)化成的DEM在提取水系的時(shí)候，會(huì)在橋位置斷開(kāi)。對(duì)低精度DEM而言，其空間連續(xù)性更好。因此，本研究提出一種通過(guò)融合2種精度DEM的方法增加水系和流域范圍的提取精度。這里假設(shè)不同精度DEM在不同區(qū)域有著一樣的誤差，可以通過(guò)數(shù)據(jù)融合加以抵消。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

坪山河位于深圳市東北部坪山新區(qū)，流經(jīng)惠州市后匯入東江一級(jí)支流西枝江，最后匯入東江。坪山河干流從西南至東北縱貫坪山新區(qū)全境，河道全長(zhǎng)13.5 km，深圳市境內(nèi)流域面積129.4 km2。深圳坪山河屬于山區(qū)性河流，雨季洪水暴漲暴落，旱季徑流量小甚至干涸。坪山河流域地勢(shì)為東南部、南部和西南部較高，主要為低山丘陵地區(qū)，為支流分布區(qū)域；中部和東北部較低，地勢(shì)相對(duì)平緩，為坪山河干流分布區(qū)域。城區(qū)面積占全流域近40%，坪山河干流橫穿坪山新區(qū)城區(qū)。

本研究主要采用2套DEM數(shù)據(jù)。一套來(lái)自于免費(fèi)的SRTM 90mDEM 數(shù)據(jù)集[11,15](圖1)，另一套由1∶1萬(wàn)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化所得，首先將各高程點(diǎn)高程轉(zhuǎn)成TIN數(shù)據(jù)，再將TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成90 m的DEM(圖2)。圖2右上角缺失的原因在于，由于右上角高程點(diǎn)較少，會(huì)存在一定的邊緣效應(yīng)，使得該區(qū)域轉(zhuǎn)置生成的DEM高程異常，從而在提取水系的時(shí)候?qū)е洛e(cuò)誤的結(jié)果。從圖中可以看出整體而言，2套數(shù)據(jù)集高程相對(duì)一致，但局部存在著一定的差異。而且，圖2的高程整體上高于圖1。

圖1 坪山河流域SRTM DEM

圖2 坪山河流域高程點(diǎn)生成DEM

2 DEM融合提取影響研究

在提取模擬河網(wǎng)的應(yīng)用時(shí)，為了提高水系提取精度，一般會(huì)采用實(shí)際水系進(jìn)行燒錄處理[16-19]。但這方法只能提高河網(wǎng)提取精度，無(wú)法修改非河網(wǎng)柵格。實(shí)際應(yīng)用中，由于DEM高程的“高估”和“低估”異常[12]，會(huì)使得無(wú)實(shí)際河網(wǎng)修正的區(qū)域流向異常，甚至導(dǎo)致流域邊界提取錯(cuò)誤(多出一部分或者缺失一部分)。在本研究中，主要通過(guò)采用不同的權(quán)重對(duì)2套DEM進(jìn)行融合處理，分析其對(duì)模擬河網(wǎng)提取的影響。本研究主要通過(guò)定性的方法，以實(shí)際河網(wǎng)和流域邊界檢查提取結(jié)果的正確性。

本研究按一定的比例對(duì)高程點(diǎn)生成DEM和SRTM DEM高程進(jìn)行融合，即新DEM高程=a×SRTM DEM高程+(1-a)×高程點(diǎn)生成DEM高程。其中，比例a分別取0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0共7個(gè)情景(后續(xù)稱這7個(gè)情景分別為DEM0、DEM1、DEM3、DEM5、DEM7、DEM9、DEM10)。由此可見(jiàn)，DEM0即為高程點(diǎn)生成DEM，DEM10即為SRTM DEM。接著，按相同的方法和參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這7個(gè)情景進(jìn)行模擬河網(wǎng)和流域范圍提取，并同實(shí)際河網(wǎng)和流域邊界進(jìn)行對(duì)比，分析DEM融合對(duì)水系提取的影響。采用ArcGIS中的水文分析模塊，以坡面流累積方法[3,11]提取模擬河網(wǎng)，并根據(jù)計(jì)算的柵格流向提取流域范圍。提取結(jié)果見(jiàn)圖3—9。

圖3 基于DEM0提取的模擬河網(wǎng)和流域范圍

圖4 基于DEM1提取的模擬河網(wǎng)和流域范圍

圖5 基于DEM3提取的模擬河網(wǎng)和流域范圍

圖6 基于DEM5提取的模擬河網(wǎng)和流域范圍

圖7 基于DEM7提取的模擬河網(wǎng)和流域范圍

圖8 基于DEM9提取的模擬河網(wǎng)和流域范圍

圖9 基于DEM10提取的模擬河網(wǎng)和流域范圍

以模擬河網(wǎng)作為研究對(duì)象，從圖中可以看出，對(duì)于A區(qū)而言，高程點(diǎn)生成的DEM(DEMO)提取的模擬河網(wǎng)相似度較大，且隨著SRTM DEM權(quán)重加大誤差也越大。對(duì)于B區(qū)而言，所有DEM情景提取的河網(wǎng)均同實(shí)際河網(wǎng)差異較大。分析B區(qū)河道匯流處高程(圖10，高程點(diǎn)轉(zhuǎn)TIN數(shù)據(jù))，可以發(fā)現(xiàn)，由于橋的存在，使得局部地區(qū)的高程要高于上下游河道，這樣會(huì)在這些地方形成“高估”的河道柵格，從而使得在填洼過(guò)程中岔口上游支流河網(wǎng)柵格被填平，從而降低了河網(wǎng)柵格的匯流能力，提取出錯(cuò)誤的流向，乃至錯(cuò)誤的河道。對(duì)C區(qū)而言，DEM5情景下提取的結(jié)果和實(shí)際河網(wǎng)擬合程度最高。對(duì)D區(qū)和E區(qū)而言，SRTM DEM效果要好于高程點(diǎn)生成的DEM，且隨著SRTM DEM權(quán)重加大，結(jié)果也越好。整體而言，SRTM DEM提取的水系要好于高程點(diǎn)生成的DEM，且隨著SRTM DEM 權(quán)重加大，提取的效果有變好的趨勢(shì)。但局部而言，融合后的DEM效果會(huì)出現(xiàn)最優(yōu)情況，如A區(qū)河流DEM1和DEM3提取效果最好；B區(qū)和D區(qū)之間的河流，DEM1提取效果最好；C區(qū)河流DEM5提取效果最好。

圖10 B區(qū)匯流局部高程

以提取的流域范圍為研究對(duì)象，可以發(fā)現(xiàn)，整體上SRTM DEM提取的流域范圍同實(shí)際流域范圍相似度更高，且隨著SRTM DEM權(quán)重加大，效果也逐漸變好。對(duì)局部區(qū)域而言，影響有所差異。對(duì)于流域下游東部區(qū)域的缺失誤差而言，主要是由于高程點(diǎn)生成DEM右上角數(shù)據(jù)缺失引起的，但刨除DEM10可以看出，隨著高程點(diǎn)生成DEM權(quán)重增加，在該區(qū)域提取的范圍有增加趨勢(shì)。對(duì)流域南部區(qū)域的缺失差異而言，主要是由于E區(qū)河流提取誤差引起的，這主要來(lái)自于高程點(diǎn)生成DEM，因此隨著SRTM DEM權(quán)重加大，這部分差異呈減小趨勢(shì)。對(duì)流域西部區(qū)域的缺失差異而言，也是由提取的異常河流導(dǎo)致的；但可發(fā)現(xiàn)DEM5—DEM9提取的范圍要大于DEM10，由此可見(jiàn)融合DEM有助于改變局部柵格流向。對(duì)于流域西北區(qū)域的缺失誤差而言，所有情景相差不大。對(duì)于流域北部區(qū)域的多余誤差而言，隨著STRM DEM權(quán)重加大，多余的面積有減小趨勢(shì)。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)2種不同精度的DEM按不同比例進(jìn)行融合，采用相同的方法和參數(shù)提取模擬河網(wǎng)和流域范圍，并以實(shí)際河網(wǎng)和流域范圍為參考，定性評(píng)價(jià)河網(wǎng)和流域范圍提取準(zhǔn)確程度。結(jié)果表明，相比于單一的DEM數(shù)據(jù)，融合DEM數(shù)據(jù)能夠提高局部河網(wǎng)和流域范圍的準(zhǔn)確程度。數(shù)據(jù)融合的意義在于，通過(guò)對(duì)不同DEM數(shù)據(jù)源的加權(quán)，相互抵消各DEM的“高估”和“低估”誤差，從而實(shí)現(xiàn)效果改進(jìn)。然而，對(duì)于兩者都有的誤差，則不論如何融合均不能改進(jìn)效果，例如本研究中B區(qū)的橋梁影響誤差。根據(jù)坪山河實(shí)例，綜合考慮提取的模擬河網(wǎng)和流域范圍的精度以及誤差，認(rèn)為DEM5(即對(duì)SRTM DEM和高程點(diǎn)生成的DEM高程進(jìn)行平均)效果最優(yōu)，能夠反映流域情況，用于水文模型應(yīng)用。