基于GIS的數字河網特征信息提取研究

鐘國雄 朱正平

摘要 河網水系是重要的地形特征要素，數字河網的提取則是DEM數據一個重要的應用方面，在此基礎上進行水文信息參數計算，對于水文研究具有重要的意義。以九江市為研究區(qū)域，基于DEM數據，運用ArcGIS的水文分析模塊對研究區(qū)進行小尺度的河網特征信息提取與分析。結果表明，基于DEM提取數字河網的精度和效率能夠達到使用要求，河網密度等參數的計算結果能反映實際的情況，具有較高的可靠性，可進一步應用于水文研究。

關鍵詞 數字高程模型（DEM）；數字河網；ArcGIS

中圖分類號 P 333? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）07-0231-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.053

Research on Information Extracting of Digital River-network Based on GIS

ZHONG Guo-xiong， ZHU Zheng-ping

（School of Geosciences， Yangtze University， Wuhan， Hubei 430100）

Abstract River network is an important topographic feature element， and the extraction of digital river network is an important application of DEM （digital elevation model） data. On this basis， the calculation of hydrological information parameters is of great significance for hydrological research. Taking Jiujiang City as the research area， based on DEM data， the hydrological analysis module of ArcGIS was used to extract and analyze the small-scale river network feature information in the research area. The results showed that the accuracy and efficiency of extracting digital river network based on DEM could meet the requirements of use， and the calculation results of river network density and other parameters could reflect the actual situation， which had high reliability and could be further applied to hydrological research.

Key words Digital elevation model （DEM）;Digital river-network;ArcGIS

作者簡介 鐘國雄（1995—），男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向：3S的應用。通信作者，講師，博士，從事數字油田研究工作。

收稿日期 2022-08-25

DEM（digital elevation model，數字高程模型）通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬，是地表形態(tài)的一種數字化表達，蘊涵豐富的地形地貌、水文信息［1］。同時DEM數據是進行水文分析的重要輸入數據，相較于傳統(tǒng)方法，基于DEM數據提取的精度可以滿足水文模擬與生產的需要，這些水文信息對構建水文特征模型有很重要的作用，也對自然災害的重點監(jiān)測與防治等領域有重要的科學指導意義。

最初是從地形圖中尋找分水線和谷點，由最低點沿著谷點逐漸向上搜索，以獲取河流網絡參數和流域特征。這種方法耗時耗力且存在人為差異，隨著GIS的發(fā)展，研究轉向基于DEM的數字化與自動化提取研究［2］。O’Callaghan等［3］提出坡面流模擬方法，根據水總是沿斜坡最陡方向流動，該方法認為應對DEM數據進行平滑處理，以減少洼地數目來提高處理效率，并提出了最初的單流向算法（simple flow direction）。Tribe［4］依據O’Callaghan等的算法，指出了產生坡面徑流模擬算法的1個必要前提，即DEM中每個柵格單元都必須被賦予1個確定的水流方向。Garbrecht等［5］在此基礎上做進一步的改進，改進后可以處理所有洼地區(qū)域，這種算法被稱為 D8（deterministic eight-node）單流向算法，它是比較經典的單流向算法，由于算法簡單有效，該方法得到了國內外學者較為廣泛的應用。孔凡哲等［6］研究了目前對平坦區(qū)域以及洼地的處理方法，認為通過增加輸入地形高程信息，可以減少數字地形缺陷的生成，從而可以更好提取河網水系。許捍衛(wèi)等［7］以秦淮河流域為例，引入遙感信息來彌補DEM缺陷的方法可較好地提取該流域數字水系。

總體來看，現有研究大多數是以DEM數據為基礎，或引入其他數據，或對已有的算法進行改進，然后在GIS水文分析工具的支持下進行水文信息的提取，研究尺度或是針對全國范圍的大尺度研究，或是針對某個流域的小尺度研究。根據上述國內外研究情況，筆者以九江市為研究區(qū)，基于DEM數據，運用GIS的水文分析模塊對研究區(qū)進行小尺度的河網特征信息提取與分析，以期為九江市數字化水文建設與管理提供數據支持。

1 研究區(qū)概況

九江市位于江西省最北部，地處贛、鄂、湘、皖4省交界處，位于長江中下游南岸（28°41′～30°05′N，113°56′～ 116°54′E）。研究區(qū)內的水系資源十分豐富，境內主要有修河水系、長江和環(huán)鄱陽湖區(qū)河流組成的三大水系，研究區(qū)的DEM如圖1所示。

2 數據來源與處理

2.1 數據來源

SRTM（shuttle radar topography mission）DEM是由美國國家航空航天局（NASA）和國家空間信息情報局（NGA）共同制作完成的雷達影像數據，該數據覆蓋地球80％以上的陸地表面，公開出來的覆蓋中國區(qū)域的精度為90 m，現通過地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/）獲得該DEM數據。此外，還有比例尺為1∶100萬的流域水系圖作為提取的參照對象進行準確度判別。所用的全部數據均采用WGS1984_UTM_Zone_49N投影坐標系統(tǒng)。

2.2 數據預處理

原始的DEM數據會存在一些洼地，它本質上是數據中存在的非連續(xù)變化像元，且相鄰像元值均較高。它既可能是由 DEM分辨率的高低不同而產生，也有可能是DEM生成過程中的誤差所導致。由于錯誤的洼地會導致在計算水流方向時和計算累積柵格時出現與原本方向不同的錯誤，甚至是水流倒流的現象，導致水流方向計算結果不正確。對DEM進行預處理是為了使每個柵格單元都有一個明確合理的水流方向［8］。用ArcGIS中的填洼工具進行填洼，預處理的流程如圖2所示。

3 研究方法

數字河網特征信息的提取包含以下5個步驟：①柵格單元水流方向的計算；②柵格單元匯流累積量的計算；③河流網絡的提??；④河流網絡的分級；⑤河網鏈接和矢量化。

3.1 水流方向計算

水流方向指一個柵格的流量在離開該柵格時的方向，它決定了地表徑流的方向及柵格間流量的分配［9］。Skidmore［10］提出將水流方向約定用2的n次方表示（n從0開始），按照順時針分別為遞增，共8個流向。該方法簡化了自然狀態(tài)下多種可能的水流方向，使水流明確偏向某個柵格，由于該方法對 DEM的處理簡單，概括性和實用性都很強，是目前應用范圍最廣泛的方法［9］。

3.2 匯流累積柵格計算

在模擬地表徑流的過程中，基于水流方向數據計算匯流累積量，它代表著區(qū)域內每個柵格單元點的累積量［11］。每個柵格單元的匯流累積量表示上游柵格所產生的匯流總量，而柵格匯流累積量近乎為0則很可能作為流域的分水嶺，河谷則相反。

3.3 河網提取

如果某一柵格點的匯流累積量超過了設定的一個最小集水面積閾值，則該柵格出現在河道上并成為水系的一部分。即通過設置合理閾值，提取柵格中大于最小匯流累積量的柵格，將屬性賦值為1并定義為河道，柵格之間互相連接就可以得到河網，而該閾值決定了河網提取的精度和詳細程度，也影響著該地區(qū)的河網密度以及后續(xù)子流域的劃分。

3.4 河網分級

河網分級工具的本質是根據柵格匯流累積量大小所進行的分級，并利用這些差別將河網主次關系加以區(qū)分，從區(qū)分結果中分析出水文規(guī)律并對理解該區(qū)域的河網情況有很好的作用，河流的特征可以僅從所分配的級別中獲取一些典型的情況。

3.5 河網鏈接和矢量化

對流量柵格進行提取可得到離散的柵格河網的形狀圖，但這個數據結果表示的是一些大于或等于一定累積量的柵格點，盡管看起來像連續(xù)的河流，但是經過放大后觀察，實質上是一些離散點。河網鏈接工具將這一系列的離散點依次連接，點成線，使其看起來像河網一樣的弧段，這樣便于判斷河流的方向，并為后續(xù)的河網矢量化作數據上的準備，河流的鏈接關系記錄著河網水系之間的結構信息。

4 結果與分析

4.1 河網提取閾值的確定與分析

如何確定一個合理提取的閾值是河網水系的提取與分析的關鍵［12］。當設置提取的閾值越大時，在水流累積柵格圖層中超過該閾值的柵格就越少，提取到的河網也就越稀疏。為了能夠找到最合適的閾值，結合研究區(qū)的實際地形特征，經過多次試驗比較，從而找到最合適的閾值。

在GIS軟件水文模塊中選擇柵格計算器工具，設定一組不同的集流閾值，提取得到多個柵格河網，并對比這些結果的差異。提取出的數字水系（藍色）和參照河網（紅色）的重合度對比如圖3所示。

通過不斷對比試驗，分別選取閾值為1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、4 000的數字水系和現有的1∶100萬參照河網進行疊加對比。發(fā)現提取出的數字水系（藍色）和參照河網 （紅色）河流主干流基本吻合。但是在東北部的邊界區(qū)域以及東南部的一小塊區(qū)域，不管提取閾值如何，參照河網與提取河網完全不能重合。對研究區(qū)實地以及對提取算法研究了解后發(fā)現，東北部的邊界區(qū)域為流經研究區(qū)內的長江河段，東南部的一小塊區(qū)域為研究區(qū)內的鄱陽湖段，這些區(qū)域內包含大量的坡度較小的平坦的區(qū)域，而由于提取算法存在局限性，導致在這些區(qū)域出現提取的誤差。但只是研究區(qū)的小部分，并未對整體造成實質的影響，屬于可接受的誤差。

從整體來看，當閾值較大，為4 000、3 000等時，各主要支流的主河道河網消失，支流河網長度也有明顯縮短的趨勢，缺失了很多細節(jié)，不能較為真實地呈現出水系的樣貌；而當閾值設為1 000時，提取的河網過于詳細，對比可以很明顯發(fā)現提取的河網出現較多的長度較短但實際不存在的偽河道，這與實際的情況并不一致，這是研究工作中需要注意的問題。經過詳細對比后，發(fā)現當閾值為1 500 時，發(fā)現在主干流區(qū)河流基本吻合，主要支流相似度很高，只是在次級支流區(qū)域的分支里擬合性略差，考慮到數字河網提取時的誤差，誤差也在允許范圍內。最終設置閾值為1 500，提取出的柵格水系圖與現有的1∶100萬九江水系圖在絕大部分區(qū)域較為吻合。

4.2 河流長度的計算

河流長度實質上是指從流域分水嶺到最高級河流間的長度，它能影響河流對河道周圍土壤的侵蝕力，河流長度的提取和分析是環(huán)境資源保護和流域生態(tài)系統(tǒng)保護中的重要特征參數。ArcGIS中有Downstream（順流計算）和Upstream（溯流計算）2種提取方式，分別記錄沿著水流方向到上（下）游流域出水口中最長距離所流經的柵格數，提取結果顯示二者是一致的。最終提取的長度為364.91 km，而修河是境內最長的河流，修河干流總長357 km，相對誤差為2.21%，證明了提取河流長度的可靠性。

4.3 河流分級與統(tǒng)計分析

根據提取結果，將各區(qū)縣行政區(qū)劃與河網疊加，可以明顯看出水系在各縣市內的空間分布，運用Strahler分級方法對研究區(qū)的河道分級，結果如圖4所示。從圖4可以看出，分級的結果顯示與實際情況一致，可以從結果知道該區(qū)域河網水系干支主次關系以及一些典型的特征。

用標識工具統(tǒng)計各區(qū)域內的水系河網，并按位置選擇逐個統(tǒng)計各區(qū)縣內河網總長度，經過計算得到表1河網密度表。

河網密度等于河流長度與面積的比值，它能夠反映流域范圍內的河道空間密集程度，也反映了水系分布的密度情況，是流域排水效率的指標。由表1可知，各區(qū)縣相應的河網密度及研究區(qū)內平均河網密度為0.182 0 km/km2。對比得知，市區(qū)、修水縣、武寧縣和德安縣的河網密度高于平均值，結合實際情況得知，全境最大河流修河也流經修水縣和武寧縣，武寧縣境內有大型水庫柘林湖，德安縣有博陽河，市區(qū)內有眾多湖泊，與提取結果有客觀上的吻合性。同時區(qū)域河網密度過高也反映出該區(qū)域發(fā)生洪澇災害的可能性較大，如果該區(qū)域上游產生長時間的強降雨，就會導致下游支流發(fā)生洪澇災害，即流域內河網密度大的區(qū)域發(fā)生洪澇災害的可能性也會更大。因此當夏季降雨時，這些地區(qū)易發(fā)生洪澇災害，需要加以關注并進行重點監(jiān)測與防治。

5 結論

基于DEM數據，運用GIS的水文分析模塊對研究區(qū)進

行小尺度的河網特征信息提取與分析，避免了傳統(tǒng)方法的耗

時耗力，從提取效率和提取精度2個方面來看是切實可行的，同時得出以下結論：

（1）研究區(qū)內提取修河的長度為364.91 km，而修河干流實際總長357 km，相對誤差為2.21%，說明了提取河流長度的可行性。

（2）提取的河網水系在主干流有很高的提取精度，誤差在于部分支流以及部分實際不存在的次級支流偽河道，部分支流與實際長度相比短一些。若提取的閾值減小，可縮短分支流長度與實際長度的差距，但不可避免將增加偽河道的數量，故充分考慮研究區(qū)的實際地形的特征，經過多次試驗，河網水系提取閾值確定在1 500。

（3）根據確定的提取閾值，計算出研究區(qū)內平均河網密度為0.182 0 km/km2。通過各區(qū)縣的河網密度與全境平均密度比較，可以看出修水縣、武寧縣和德安縣的水系較為豐富，在持續(xù)強降雨時，也是災害發(fā)生較嚴重的區(qū)域，因此需要重點監(jiān)測與防治。

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