基于ArcGIS的DEM數(shù)據(jù)修正及水系自動(dòng)提取

尤靜靜，王玉琴，蔡世鑫

(61618部隊(duì)，北京 100080)

基于全球數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件中的空間分析工具，能夠快速提取河流，由于很難獲取非常精確的DEM數(shù)據(jù)，因此在目標(biāo)圖更新作業(yè)中，基于該DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)提取的小河流、小水域無法與現(xiàn)有的矢量河流數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加使用。將DEM應(yīng)用于公路勘察設(shè)計(jì)中，可以提高設(shè)計(jì)周期，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，而通過ArcHydro工具對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，改進(jìn)地形數(shù)據(jù)，使修正后的DEM提取的水文要素更加貼近真實(shí)水系情況，生成更加準(zhǔn)確的水系。因此該問題的研究可以在保證DEM水系數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的條件下，研究公路建設(shè)對(duì)地表水流產(chǎn)生影響提供數(shù)據(jù)支撐。

1 DEM數(shù)據(jù)的水系自動(dòng)提取

基于DEM的地表水系生成主要利用ArcGIS中的水文分析工具提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、水流長(zhǎng)度、河流網(wǎng)絡(luò)以及對(duì)研究區(qū)的流域進(jìn)行分割等[1]。通過提取分析這些水文因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際地形的水文分析及應(yīng)用。

具體流程如圖1所示，主要包括水流地表模擬過程中水流方向確定、洼地填平、水流累計(jì)匯水量生成、溝谷生成及流域分割等。

圖1 水系提取流程圖

1.1 無洼地DEM的生成

由于一些真實(shí)地形原因，現(xiàn)實(shí)的DEM表面并不是光滑的地表模擬，存在凹陷不平，因此在進(jìn)行地表水流模擬時(shí)，進(jìn)行水流流向計(jì)算的過程中，受低高程?hào)鸥竦挠绊?，?huì)使該區(qū)域出現(xiàn)不正確的水流流向，因此，需要先對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼方計(jì)算，獲得無洼地DEM數(shù)據(jù)。

(1)水流方向提取

水流方向是指經(jīng)過每一個(gè)柵格時(shí)水流的指向，對(duì)Arcgis中的柵格編碼，即為水流方向的確定數(shù)值，其水流的流向根據(jù)計(jì)算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差來確定，距離權(quán)落差根據(jù)中心柵格的高程差除以兩柵格間的距離獲得[2]，同時(shí)柵格間的距離與方向有關(guān)，方向的數(shù)值則是利用D8算法進(jìn)行計(jì)算獲取。

(2)洼地計(jì)算

洼地表示水流流向存在不合理的區(qū)域，為了區(qū)分洼地區(qū)域是數(shù)據(jù)本身誤差造成還是地表的真實(shí)形態(tài)，在對(duì)洼地填充之前需要通過洼地深度的計(jì)算，來進(jìn)行判斷區(qū)分，同時(shí)在洼地計(jì)算中，首先根據(jù)流向判斷出洼地存在的位置，接著對(duì)洼地區(qū)域設(shè)置合理的閾值進(jìn)行填充處理，使生成的無洼地DEM能夠更加準(zhǔn)確的反應(yīng)真實(shí)的地表情況。

(3)洼地填充

經(jīng)過上一步驟的洼地計(jì)算，獲取原始DEM數(shù)據(jù)是否存在洼地，同時(shí)對(duì)洼地深度的計(jì)算提供了洼地填充時(shí)的閾值設(shè)置。Arcgis軟件中，在洼地填充時(shí)，對(duì)洼地深度大于閾值的區(qū)域，直接當(dāng)作真實(shí)地表形態(tài)保留。對(duì)洼地的填充是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的操作，對(duì)于被填充的洼地，會(huì)將其與周圍區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行洼地計(jì)算，在計(jì)算過程中，若形成新的洼地，則會(huì)繼續(xù)填充，直至所有洼地被填充完畢，不再有新的洼地產(chǎn)生[3]。

1.2 匯流累積量

模擬地表徑流的模型中，通過流向的數(shù)據(jù)計(jì)算出匯流累積量。分析地表徑流可知，每一個(gè)柵格中，其匯流累積量的數(shù)值代表著上游水流方向匯聚后流向該柵格的數(shù)量，匯流累積的數(shù)值越大，則該位置越容易形成地表徑流[4]。因此，通過水流方向來計(jì)算匯流累積量的過程如圖2所示。

圖2 匯流累積量計(jì)算

利用Arcgis軟件根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)來計(jì)算累積匯流量，由于降水、土壤、植被等因素會(huì)對(duì)徑流產(chǎn)生一定的影響，因此在計(jì)算中需要輸入配權(quán)數(shù)據(jù)來更精準(zhǔn)的模擬該區(qū)域地表徑流情況，系統(tǒng)默認(rèn)所有柵格的權(quán)值均為1，則計(jì)算出的匯流累積量就是該區(qū)域匯入的柵格數(shù)量。

1.3 河網(wǎng)的提取

河網(wǎng)基于累積匯流矩陣生成，因此對(duì)河網(wǎng)的提取，首先需要計(jì)算出實(shí)驗(yàn)區(qū)域的累積匯流矩陣。以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算、處理得到地表的流域信息。由于內(nèi)插原因及真實(shí)地形的存在，DEM表面存在一些凹陷地區(qū)，因此為了獲取合理的水流方向，在進(jìn)行流向計(jì)算之前，要對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填挖方計(jì)算。依據(jù)的河網(wǎng)提取方式是利用地表徑流漫流模型計(jì)算：首先在無洼地DEM上根據(jù)最大坡降的方法獲取每一個(gè)柵格的水流方向[5]；接著采用水流方向柵格數(shù)據(jù)計(jì)算出每一個(gè)柵格在水流方向累積的柵格數(shù)，即匯流累積量，所獲得的匯流累積量則代表一個(gè)柵格上有多少個(gè)柵格的水流方向經(jīng)過該柵格；當(dāng)匯流量達(dá)到一定值的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于該臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，即為河網(wǎng)[6]。

2 DEM數(shù)據(jù)修正

2.1 采集區(qū)域河網(wǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

依據(jù)上述理論以及Arcgis操作軟件，根據(jù)河網(wǎng)的獲取流程，將DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行河網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取操作，獲取作業(yè)區(qū)域的河網(wǎng)數(shù)據(jù)，現(xiàn)將基于原始DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)提取的河網(wǎng)與根據(jù)影像采集河網(wǎng)數(shù)據(jù)疊加，結(jié)果如圖3所示，紅色河網(wǎng)表示根據(jù)原始DEM自動(dòng)提取的河流數(shù)據(jù)，綠色河網(wǎng)表示根據(jù)影像采集的河網(wǎng)數(shù)據(jù)。

圖3 兩種河網(wǎng)數(shù)據(jù)疊加

DEM自動(dòng)提取的河流雖然能顯示出原目標(biāo)圖中沒有的河流信息，但它生成的河流較為平直，不夠曲緩，支流部分表現(xiàn)不夠準(zhǔn)確。將依據(jù)影像采集的水系圖層與基于DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)生成的河流疊加對(duì)比，如圖3所示：拐點(diǎn)位置存在一定的偏差，通過DEM自動(dòng)提取的水系要素，只能反映出一定的河流關(guān)系，而不能顯示實(shí)際河流的準(zhǔn)確位置，因此不能直接應(yīng)用于目標(biāo)圖更新中水系的采集，對(duì)于該問題，需要對(duì)不夠精準(zhǔn)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正。

2.2 DEM數(shù)據(jù)修正

基于DEM自動(dòng)提取的河流流向是準(zhǔn)確的，目標(biāo)圖更新時(shí)，可以將其與目標(biāo)圖中原有河流數(shù)據(jù)疊加參考，針對(duì)自動(dòng)提取的河網(wǎng)數(shù)據(jù)基本不能使用的問題，利用ArcHydroTools工具進(jìn)行地形數(shù)據(jù)修正。

將根據(jù)影像采集的河流數(shù)據(jù)作為參考，嵌入DEM中，在地形數(shù)據(jù)中生成一條匯水的渠道，以此實(shí)現(xiàn)地形的改善。

將采集的河流要素強(qiáng)加到DEM中修正地形數(shù)據(jù)的過程，本質(zhì)上是根據(jù)設(shè)置河流的緩沖值、河流要素在垂直方向下降或者升高的值、河流要素在垂直方向下降或者升高的額外值[7]。該任務(wù)中，依據(jù)的是30 m的DEM數(shù)據(jù)，所以緩沖參數(shù)默認(rèn)為5個(gè)象元，因此其改善距離為150 m，所以間距小于300 m的兩個(gè)河段會(huì)合并。

修正后的DEM數(shù)據(jù)如圖4所示，渲染顯示部分基本是采集的河流形狀。

圖4 修正后的DEM數(shù)據(jù)

2.3 修正后DEM數(shù)據(jù)的河網(wǎng)自動(dòng)提取

基于修正后的DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行河網(wǎng)自動(dòng)提取，獲取的水系非常貼合依據(jù)影像數(shù)據(jù)采集的河流，為目標(biāo)圖水系矢量信息的更新提供極大的作業(yè)效率，作業(yè)成果如圖5所示，其中，藍(lán)色為修正后衍生的DEM提取的河網(wǎng)數(shù)據(jù)，紅色為基于影像采集的河流數(shù)據(jù)。

圖5 修正后DEM生成河網(wǎng)與影像采集河網(wǎng)疊加

原數(shù)據(jù)加入了采集的河流進(jìn)行修正，因此在減小閾值，獲取更細(xì)小的河流時(shí)，這些細(xì)小河流會(huì)依據(jù)地形接入到采集的河流中，并且河流的形狀也更貼切依據(jù)影像采集的河流狀態(tài)。

3 小 結(jié)

本文利用ArcHydroTools中的DEM Reconditioning工具，使用采集的河流數(shù)據(jù)對(duì)DEM數(shù)據(jù)修正，使衍生出的水文要素更加貼近實(shí)際地形數(shù)據(jù)，生成更準(zhǔn)確的結(jié)果。在依據(jù)DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)提取水系信息的生產(chǎn)中，不但提高了作業(yè)效率，同時(shí)確保河網(wǎng)信息提取的準(zhǔn)確性。