不同DEM 數(shù)據(jù)源河網(wǎng)提取對(duì)比分析- 以章江流域?yàn)槔?/h1>
2020-04-18 06:18:04陳路明李明海
科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2020年6期
陳路明 李明海 嚴(yán) 政
（江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）
獲取與真實(shí)狀況吻合的河網(wǎng)是建立流域水文模型及進(jìn)行水文研究的重要前提[1]，水體分布信息的準(zhǔn)確獲取對(duì)于水資源調(diào)查、流域綜合治理、水利規(guī)劃、洪水監(jiān)測(cè)與災(zāi)害評(píng)估的領(lǐng)域具有重要的意義[2]。傳統(tǒng)上從地形圖種手動(dòng)提取河網(wǎng)工作量大且地形圖更新不及時(shí)，利用測(cè)繪儀器實(shí)地采集水系數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度最好但成本較高，大范圍內(nèi)提取水系不適用?；贒EM數(shù)據(jù)利用水文分析模型自動(dòng)提取水系，是一種兼顧精度和效率的方法。
1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)
1.1 研究區(qū)概況
本文選擇江西省贛州市章江流域作為三種DEM數(shù)據(jù)河網(wǎng)提取河網(wǎng)準(zhǔn)確度對(duì)比的研究區(qū)域。章江流域位于贛州市西南部，其地理坐標(biāo)為113°54′～115°3′E，25°15′～26°14′N，地處武夷山脈西南麓，包含崇義、上猶、大余、南康和章貢五個(gè)縣市級(jí)行政區(qū)。該地區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，地形以山地、丘陵為主，地勢(shì)起伏較大，植被覆蓋以林地為主。
1.2 數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理
本文所采用的DEM 數(shù)據(jù)為覆蓋研究區(qū)的ASTER GDEM V2 數(shù)據(jù)和SRTM3 V4.1 數(shù)據(jù)，分別獲取于CGIAR-CSI 和地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，AW3D30 數(shù)據(jù)下載于日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)網(wǎng)站，數(shù)據(jù)格式均為TIFF。行政邊界數(shù)據(jù)來(lái)源于GADM網(wǎng)站2018 年4 月發(fā)布的中國(guó)行政邊界數(shù)據(jù)庫(kù)。ASTER-GDEM、AW3D30 和SRTM3 數(shù)據(jù)都采用WGS-84 參考橢球體的經(jīng)緯度坐標(biāo)。研究區(qū)域跨越了多幅源DEM影像，水文分析計(jì)算累計(jì)匯流量需要連續(xù)的DEM。所以對(duì)研究區(qū)內(nèi)的ASTER-GDEM、AW3D30 和SRTM原始柵格影像，分別在在ArcGIS 軟件中進(jìn)行鑲嵌，然后利用研究區(qū)域邊界進(jìn)行裁剪得到章江流域的DEM。
2 章江流域河網(wǎng)提取
2.1 水文分析模型簡(jiǎn)介
基于DEM提取河網(wǎng)的算法可以分為三種：基于圖像處理的算法、基于地表幾何形態(tài)分析的算法、基于地表流水物理模擬分析的算法。單流向算法由于比較簡(jiǎn)單得到了廣泛應(yīng)用，主要是最大坡降法（D8 算法）。D8 算法假設(shè)每個(gè)格網(wǎng)的水流只有8 個(gè)可能的流向，對(duì)每個(gè)流向用特定的數(shù)字編碼，計(jì)算中心格網(wǎng)與周圍8 個(gè)相鄰格網(wǎng)的距離權(quán)落差，距離權(quán)落差值最大的格網(wǎng)就是水流流出的方向。以D8 算法為基礎(chǔ)[3]，對(duì)流域河網(wǎng)的提取及流域劃分模型也逐漸成熟，如ArcGIS 水文模塊、ArcSWAT、TOPZ 分布式水文模型以及Arc Hydro Tools 等[1]。本文采用ArcGIS 的水文模塊，分別提取三種DEM數(shù)據(jù)源的河網(wǎng)分布圖。
2.2 提取河網(wǎng)準(zhǔn)確度分析
研究區(qū)ASTER GDEM、SRTM 和AW3D30 原始DEM 經(jīng)過(guò)ArcGIS 水文模塊填洼后的特征如表所示。三種DEM數(shù)據(jù)源的匯流面積最大差值為57 平方公里，相對(duì)誤差為0.78%?？梢哉J(rèn)為，三種DEM數(shù)據(jù)源都能用于統(tǒng)計(jì)流域面積。
填洼后研究區(qū)DEM 基本特征
為了使提取的河網(wǎng)更接近真實(shí)水系，方便與Google Earth水系和國(guó)家地理信息與測(cè)繪局發(fā)布的1:400 萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息圖進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)之后，確定由各DEM提取數(shù)字河網(wǎng)時(shí)集水面積閾值均取625 平方公里，得到三種DEM提取的河網(wǎng)和國(guó)家1:400 萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息河網(wǎng) 如圖。
結(jié)合DEM可以看出，在地形起伏變化較大的山地丘陵地段，三種DEM數(shù)據(jù)源提取的河網(wǎng)都能較為準(zhǔn)確的反映河流流向，但是在地勢(shì)起伏變化較小的平原地段，隨著DEM數(shù)據(jù)源分辨率的降低，提取河網(wǎng)與真實(shí)河網(wǎng)相比出現(xiàn)的偏差越來(lái)越大；在一些地段，甚至?xí)霈F(xiàn)非常不合理的河網(wǎng)。AW3D30 的垂直精度最高，但是在一些河段提取的河網(wǎng)也出現(xiàn)了偏差，這是由于AW3D30 發(fā)布時(shí)間較晚，部分區(qū)域缺乏有效數(shù)據(jù)，采用的插值和數(shù)據(jù)填充方法還不盡完善，導(dǎo)致DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。章江之上存在較多數(shù)量的大橋，可以看到在大橋處3 種DEM數(shù)據(jù)源提取的河網(wǎng)都與實(shí)際位置發(fā)生了微小偏移，這是由于之前填洼時(shí)未能排除橋梁和水壩引起的DEM異常?？偟膩?lái)說(shuō)，AW3D30 提取的河網(wǎng)精度最高，但要注意檢查數(shù)據(jù)總體質(zhì)量。
章江流域河網(wǎng)對(duì)比
3 結(jié)論
本文采用ArcGIS 水文模塊提取河網(wǎng)的方法，用三種可免費(fèi)得到的最高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，提取了贛州市章江流域的數(shù)字河網(wǎng)，并對(duì)提取的河網(wǎng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出了以下結(jié)論：
（1）在地形起伏的較大的地段，ASTER GDEM、SRTM 和AW3D30 提取的河網(wǎng)都能準(zhǔn)確的反映河流走向，與真實(shí)河網(wǎng)的吻合度高。
（2）從DEM提取數(shù)字河網(wǎng)的精度與河道周圍地形有關(guān)，地勢(shì)越陡，地形越陡峭提取的河網(wǎng)精度越高，地勢(shì)越平坦，提取河網(wǎng)的精度越低。在平原和地形平緩的區(qū)域提取河網(wǎng)，為了提高準(zhǔn)確度，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇AW3D30 作為源數(shù)據(jù)。
（3）用地表漫流模型從DEM中自動(dòng)提取河網(wǎng)的算法是一種理想狀態(tài)下的模擬河網(wǎng)，只考慮到地形因素，而實(shí)際水系的形成是受多方便因素綜合影響造成的。一般得到的DEM模型，包含了橋梁和大壩等人造地物的高程，這會(huì)對(duì)DEM水文分析造成異常。因此，要得到符合實(shí)際的高精度模擬河網(wǎng)，還應(yīng)考慮人類活動(dòng)對(duì)自然水流流向的影響，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以及對(duì)算法進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。
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2.2 提取河網(wǎng)準(zhǔn)確度分析
研究區(qū)ASTER GDEM、SRTM 和AW3D30 原始DEM 經(jīng)過(guò)ArcGIS 水文模塊填洼后的特征如表所示。三種DEM數(shù)據(jù)源的匯流面積最大差值為57 平方公里，相對(duì)誤差為0.78%?？梢哉J(rèn)為，三種DEM數(shù)據(jù)源都能用于統(tǒng)計(jì)流域面積。
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為了使提取的河網(wǎng)更接近真實(shí)水系，方便與Google Earth水系和國(guó)家地理信息與測(cè)繪局發(fā)布的1:400 萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息圖進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)之后，確定由各DEM提取數(shù)字河網(wǎng)時(shí)集水面積閾值均取625 平方公里，得到三種DEM提取的河網(wǎng)和國(guó)家1:400 萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息河網(wǎng) 如圖。
結(jié)合DEM可以看出，在地形起伏變化較大的山地丘陵地段，三種DEM數(shù)據(jù)源提取的河網(wǎng)都能較為準(zhǔn)確的反映河流流向，但是在地勢(shì)起伏變化較小的平原地段，隨著DEM數(shù)據(jù)源分辨率的降低，提取河網(wǎng)與真實(shí)河網(wǎng)相比出現(xiàn)的偏差越來(lái)越大；在一些地段，甚至?xí)霈F(xiàn)非常不合理的河網(wǎng)。AW3D30 的垂直精度最高，但是在一些河段提取的河網(wǎng)也出現(xiàn)了偏差，這是由于AW3D30 發(fā)布時(shí)間較晚，部分區(qū)域缺乏有效數(shù)據(jù)，采用的插值和數(shù)據(jù)填充方法還不盡完善，導(dǎo)致DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。章江之上存在較多數(shù)量的大橋，可以看到在大橋處3 種DEM數(shù)據(jù)源提取的河網(wǎng)都與實(shí)際位置發(fā)生了微小偏移，這是由于之前填洼時(shí)未能排除橋梁和水壩引起的DEM異常?？偟膩?lái)說(shuō)，AW3D30 提取的河網(wǎng)精度最高，但要注意檢查數(shù)據(jù)總體質(zhì)量。
章江流域河網(wǎng)對(duì)比
3 結(jié)論
本文采用ArcGIS 水文模塊提取河網(wǎng)的方法，用三種可免費(fèi)得到的最高分辨率的DEM數(shù)據(jù)，提取了贛州市章江流域的數(shù)字河網(wǎng)，并對(duì)提取的河網(wǎng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出了以下結(jié)論：
（1）在地形起伏的較大的地段，ASTER GDEM、SRTM 和AW3D30 提取的河網(wǎng)都能準(zhǔn)確的反映河流走向，與真實(shí)河網(wǎng)的吻合度高。
（2）從DEM提取數(shù)字河網(wǎng)的精度與河道周圍地形有關(guān)，地勢(shì)越陡，地形越陡峭提取的河網(wǎng)精度越高，地勢(shì)越平坦，提取河網(wǎng)的精度越低。在平原和地形平緩的區(qū)域提取河網(wǎng)，為了提高準(zhǔn)確度，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇AW3D30 作為源數(shù)據(jù)。
（3）用地表漫流模型從DEM中自動(dòng)提取河網(wǎng)的算法是一種理想狀態(tài)下的模擬河網(wǎng)，只考慮到地形因素，而實(shí)際水系的形成是受多方便因素綜合影響造成的。一般得到的DEM模型，包含了橋梁和大壩等人造地物的高程，這會(huì)對(duì)DEM水文分析造成異常。因此，要得到符合實(shí)際的高精度模擬河網(wǎng)，還應(yīng)考慮人類活動(dòng)對(duì)自然水流流向的影響，對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行修正以及對(duì)算法進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)。
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