基于ArcGIS的DEM流域劃分

程 崢，李永勝，高微微

(西北大學城市與環境學院，陜西 西安710127)

自20世紀50年代后期以來，DEM在測繪、土木、地質、防洪、農業、景觀建筑、道路設計、城市規劃、軍事工程與戰場仿真等領域取得了廣泛應用。在水文分析中的應用雖相對較晚，但其發展卻相當迅速。從DEM直接提取河網及相關流域信息，是分布式水文模型開發與應用的基礎。由DEM自動獲取水系和子流域特征，是流域參數化方便而迅速的一種途徑。河網生成的準確性直接影響水文模型模擬的精度，生成的河網需盡可能反映區域地形。要在柵格DEM上提取流域信息，柵格間流向的判別是基礎［1］。本文利用 ArcGIS軟件的水文分析工具以兩種不同方法從DEM中提取流域單元，并對兩種方法進行了簡單的對比，為基于DEM的流域劃分提供參考。

1 ArcGIS下的水文分析

水文分析是DEM數據應用的一個重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流網絡，成為大多數地表水文分析模型的主要輸入數據。表面水文分析模型應用于研究與地表水流有關的各種自然現象如洪水水位及泛濫情況，或者劃定受污染源影響的地區，以及預測當某一地區的地貌改變時對整個地區將造成的影響等，應用在城市和區域規劃、農業及森林、交通道路等許多領域，對地球表面形狀的理解也具有十分重要的意義。這些領域需要知道水流怎樣流經某一地區，以及這個地區地貌的改變會以什么樣的方式影響水流的流動。

基于DEM的地表水文分析的主要內容是利用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、河流網絡以及對研究區的流域進行分割等。通過對這些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再現水流的流動過程，最終完成水文分析過程［2］。

2 利用集水區劃分流域的方法

2.1 DEM 預處理

DEM被認為是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內插及一些真實地形的存在，使得DEM表面存在著一些凹陷的區域。那么這些區域在進行地表水流模擬時，由于低高程柵格的存在，從而使得在進行水流流向計算時在該區域將得到不合理的或錯誤的水流方向。因此，在進行水流方向的計算之前，應該首先對原始DEM數據進行洼地填充，得到無洼地的DEM。在ArcGIS中通過洼地提取和洼地深度計算得到填挖閾值，然后利用hydrology中的fill工具實現填挖，為了實現洼地的充分填挖，這個過程一般需重復進行幾次。如果分析時對下陷點沒有要求，可以全部填挖，而不需要進行閾值設置。

2.2 水流方向的確定

水流方向是指水流離開每一個柵格單元時的指向［3］。地表徑流在流域空間內總是從地勢高處向地勢低處流動，最后經流域出口排出流域。為了準確地劃定流域界線，首先要確定水流在每個柵格單元格內的流動方向。在ArcGIS中通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼，水流方向便可以以其中的某一值來確定。

2.3 匯流累積量的提取

在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數據計算而來的。在ArcGIS中通過Fill Accumulation工具確定所有流入本單元格的累積上游單元格數目來生成流域匯流能力柵格圖。從每個柵格單元格出發依次掃描水流方向矩陣，沿水流方向追蹤直到DEM邊界。當整個水流方向矩陣掃描完畢，就可以得到流域匯流能力的柵格分布圖。匯流柵格上每個單元格的值代表上游匯流區內流入該單元格的上游柵格單元格的總數(NIP)，NIP值較大者，可視為河谷，NIP值等于零則是較高的地方，可能為流域的分水嶺。

2.4 河網的提取

當匯流量達到一定值的時候，就會產生地表水流，那么所有那些匯流量大于那個臨界數值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構成的網絡，就是河網。在ArcGIS中有多種生成河網的方法，可以利用Raster Calculator或multi map output工具中的con命令計算。本文利用reclassfy工具進行河網的提取，將河網分為兩類，并設定閾值。將小于閾值的數據歸為No Data，將其他數據歸為1。通過重分類便可以生成河網。然后通過Stream link的計算，即得到每一個河網弧段的起始點和終止點。

2.5 集水區的生成

利用集水區柵格描繪、集水區矢量化命令進行子流域劃分。使用hydrology工具中的watershed工具生成。其思想如下:先確定一個出水點，也就是該集水區的最低點，然后結合水流方向數據，分析搜索出該出水點上游所有流過該出水口的柵格，直到所有的該集水區的柵格都確定了位置，也就是搜索到流域的邊界—分水嶺的位置［4］。

2.6 流域的劃分

在河網提取時通過設置不同的閾值可以得到不同尺度的河網，然后利用watershed工具生成集水區，即可以得到不同細化的集水區域，通過對比可以得到適合的流域劃分結果。本文以陜西某縣25米分辨率的DEM數據為基礎，分別將提取河網的閾值設置為1000，2000，5000。利用上述過程分別得到以下集水區(如圖1)。

通過對比可以發現，當閾值設為5000時得到的流域較為合適。這種方法通過不同閾值的改變即可得到相對合理的流域劃分單元。

3 利用河網分級提取流域的方法

3.1 河網分級

流域水系河網自動分級方法有多種，其中較為流行的有Strahler法和Shreve法，ArcGIS軟件中采用的便是這兩種方法［5］。Strahler分級是將所有河網弧段中沒有支流河網弧段分為第1級，兩個1級河網弧段匯流成的河網弧段為第2級，如此下去分別為第3級，第4級，一直到河網出水口。在這種分級中，當且僅當同級別的兩條河網弧段匯流成一條河網弧段時，該弧段級別才會增加。而對于Shreve分級，兩條1級河網弧段匯流而成的河網弧段為2級河網弧段，那么對于以后更高級別的河網弧段，其級別的定義是由其匯入河網弧段的級別之和。本文采用Strahler方法進行河網分級，并采用閾值為500的分類級別提取的河網進行分級。

圖1 不同閾值下提取的集水區

3.2 河網的歸類

在ArcGIS中對河網進行編輯，選取合適的級別進行屬性合并，本文中將一級和二級河網進行合并，三級和四級河網進行了合并。同時也可以根據需要將不同的河網進行歸類，人為的將河網進行分類，然后通過dissolve工具進行融合。

3.3 矢量集水區的提取

利用上面的方面提取閾值為500的集水區，然后對其進行矢量化。

3.4 空間連接與融合

利用空間連接的方式，將河流的屬性字段添加到分水嶺數據中。在連接之前，給歸類后的河流數據添加了一個link字段，并對每個要素賦予一個唯一值。連接時，只需要保證link字段值添加到分水嶺數據中即可。在ArcGIS中空間連接以Spatial Jion工具實現?？臻g連接后再按Link字段進行融合即可得到理想的流域劃分(如圖2)。

圖2 流域劃分結果

4 兩種方法的對比

通過圖1(3)和圖2的對比，可以發現利用集水區的流域劃分方法和利用河網分級提取流域的方法在某些區域的劃分基本一致，但是兩者存在差異。具體不同如下:

(1)利用集水區的流域劃分方法需要確定閾值，但閾值的確定既要憑經驗又要不斷的嘗試，利用這種方法提取的流域是自動提取的，不需要人為干預，使用這種方法提取大流域時效率值較高。

(2)利用河網分級提取流域的方法則需要人為判定河網的歸屬，根據需要將河網進行歸類，如果要實現精確的流域劃分則需要花費較長時間。

(3)在實際操作中，根據要劃分流域的大小選擇不同的劃分方法，如果要劃分大流域可以利用第一種方法快速生成，如果是小片區域的流域劃分可以用第二種方法進行細致的劃分，得到較好的結果。

5 結論

利用DEM提取流域水文特征在充分提高工作效率的同時可以保證信息提取的精度，這對于數字流域建設、工程規劃和水資源管理等都具有十分重要的意義。但由于DEM的大小、范圍、所描述的流域以及其本身的特征都直接影響著各種方法的提取效果。因此在基于DEM的流域劃分以及它在水文分析中的應用還需要做進一步的研究。本文給出的提取流域的方法仍存在一些不足之處，在實際操作中還有待改進。

［1］楊大文，李翀.基于柵格數字高程模型DEM的河網提取及實現［J］.中國水利水電科學研究院學報，2004，2(03):208－214.

［2］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程［M］.北京:科學出版社，2006.

［3］徐新良，莊大方，賈紹鳳，胡云峰.GIS環境下基于DEM的中國流域自動提取方法［J］.長江流域資源與環境，2004，13(04):343－348.

［4］孫慶艷，余新曉，胡淑萍，肖洋，等.基于ArcGIS環境下DEM流域特征提取及應用［J］.北京林業大學學報，2008，30(02):144－147.

［5］孫崇亮，王卷樂.基于DEM的水系自動提取與分級研究進展［J］.地理科學進展，2003，18(02):251－256.