基于ArcGIS和DEM在水文流域模擬中的應用

王敏嬙

(西北大學 城市與環境學院，陜西 西安 710127)

水資源是我們地球上寶貴的資源，更是我們賴以生存的基礎，而現如今水資源一度缺乏和水量分布嚴重不均成為我們必須要重視的問題。ArcGIS的水文模擬分析功能為研究水流方向提取、河網提取、流域分割等提供了強大的數據處理和分析工具。實驗主要旨在介紹基于DEM并結合ArcGIS9.2中的水文分析的方法，通過對基本水文特征的提取和基本水文分析，在DEM的基礎上形成水流的運動走向，最終完成區域的水文分析過程。

1 分析數據和實驗軟件

近十幾年來，隨著3S技術在水文模擬研究中的應用，流域水文模擬的研究方法發生了改變其特點是通過GIS等空間分析技術計算流域的基本地形參數，從而使水文模擬效率得以顯著提高。國外研發了許多能生成數字流域的成熟算法和軟件，如 ESRI提供的 Arc Hydro Tools模塊，RSI提供的River Tools，Garbrecht J，Martz W的TOPAZ工具等。在國內由于GIS起步稍晚一些，但水文與3S技術的結合是我國水文模型研究的必然發展趨勢，并且能否善于利用較成熟軟件也是一個影響實驗進程和精準度的重要條件。本文重點利用ArcGIS的水文分析模塊和DEM數據相結合，對河流地區進行流域分析和模擬的過程。

數字高程模型DEM作為4D(DEM、DLG、DOM、DRG)產品中的一種，其應用非常廣泛。其中柵格型DEM是比較普遍的格式，計算處理簡單有效，且和遙感數據在結構上容易匹配，因此在水文領域得到廣泛應用。

2 水文分析的實現過程

2.1 無洼地DEM 生成

DEM被認為是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內插的原因以及一些真實地形(如喀斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在著一些凹陷的區域，在進行水流方向計算時，其表面存在的一些凹陷區域會影響到研究結果。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。利用ArcGIS中的Hydrolody模塊，通過Sink函數和Fill函數將洼地填充，根據洼地深度確定合理填充閾值，生成無洼地的數字高程模型，使水流能暢通流至河口，實際上這一步是為了替換掉不好的柵格點數據，例如有些中心點的高度高于周圍鄰域點的值，致使水無流向方向，則要修改這些點。如圖1和圖2所示為填洼前后的對比。

圖1 DEM原圖

圖2 經過填洼后的Filled DEM

2.2 水流方向分析

在ArcGIS中采用的就是D8算法，在Filled DEM中由于有無洼地區域的存在，使得自然流水可以暢通無阻地流至區域地形的邊緣。因而，經洼地填充之后，河流區域的河口就能顯示出來了。在上一步生成的數據的基礎上，利用Flow Direction命令便可進行水流流向分析，如圖3所示。

圖3 經過水流方向計算后的柵格圖

2.3 匯流累計量

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。對每一個柵格來說，其匯流累積量大小代表著其上游有多少個柵格的水流方向最終匯流經過該柵格，匯流累積的數值越大，該區域越易形成地表徑流。在實驗中由于缺少當地的具體資料，故所有的柵格配以相同的權值，計算出來的匯流累積量的數值就代表著該柵格位置流入的柵格數的多少。

2.4 河網提取分析

河網提取分析也就是河網的生成，一般分為3個步驟:

1)閾值的設定

在設定閾值時，應該充分對研究區域和研究對象進行分析，通過不斷的實驗和利用現有地形圖等其它數據輔助檢驗的方法來確定能滿足研究需要并且符合研究區域地形地貌條件的合適的閾值。河網級別不同所代表的匯流累積量也不同，河網級別越高，匯流累積量越大，根據柵格匯流能力的分析結果，將匯流能力超過一定閾值(本文值大于1 000 000)的柵格作為水道，將小于該閾值的柵格作為產流區，從而劃分河流網絡系統。

2)柵格河網的生成

利用map algebra工具集中的con命令，它是基于柵格進行有條件的查詢并將查詢結果賦予新的柵格數據中。也可以利用Spatial Analysis分析模塊下的Raster Calculator來計算出所有大于設定閾值的柵格，這些柵格就是河網的潛在位置。根據所設定的閾值對整個區域進行判斷，匯流累積量大于閾值的柵格，采取重分類將其屬性值賦為1，小于或等于閾值的柵格設置為無數據，最終形成河網水系。

3)柵格河網矢量化

在hydrology工具集中提供了將生成的柵格河網進行矢量化，就可以得到矢量形式的河網圖。圖4是本實驗區域矢量形式的河網圖。

圖4 矢量化后的河網圖

圖5 流域的盆地

2.5 河網分級

河網分級是對一個線性的河流網絡進行分級別的數字標識。在ArcGIS的水文分析中，提供兩種常用的河網分級方法:Strahler分級和Shreve分級。結合實際情況，本次分析采用了Shreve的分級方式，得到河流分級疊加在填充后的DEM。

2.6 河流流域盆地確定

流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區域。任何一個天然河網都由大小不等、形態不一的水道聯合而成，每個水道都有其匯水范圍和流域面積，這樣就形成了子流域，較大的流域通常由這些子流域聯合而成。通過Basin命令，可確定流域盆地，圖5為該區域的流域盆地。

確定流域的出水口位置，即將所有水系最終注入該點的所有子流域重新生成為一個流域，而流域邊界即為全流域分線，利用watershed工具，得到出水點的匯水區域。而對于匯水區出水口的確定，用hydrology工具集中的snap pour point工具尋找匯水區出水口。那些屬性值存在的點作為潛在的出水點，在指定距離內于匯流累計量數據層上搜索那些具有較高匯流累計量柵格點的位置，這些搜索到的柵格點就是小級別流域的出水點，也可以利用已有的出水點的矢量數據。如果沒有出水點的柵格或矢量數據，則可以用已有河網數據進一步生成stream link數據，作為匯水區的出水口數據。根據出水口的位置確定的匯水區域如圖6所示。最后疊加河網層，得到出水口流域地表模擬圖，如圖7所示。

圖6 出水點的匯水區域

圖7 最終得到的出水口流域地表模擬圖

2.7 精度校驗

如果對于實驗結果不確定時，可以手動提取流域邊界，與實驗結果進行比較和驗證。這種校驗一般使用定量分析提取誤差，即將自動提取的子流域面積與結合手工量測的結果進行對比分析。具體做法是:將地形圖和遙感影像經過幾何糾正配準到同一投影坐標下，結合已有的DEM生成三維流域地貌圖，以此為基礎，手工提取了流域邊界，劃分了子流域，并將其與利用DEM自動提取的流域進行空間對比分析。DEM在水文模擬中的應用主要應用時描述流域地形，包括流域劃分和子流域邊界的確定、河網的識別和提取、坡度、坡向的確定等等，從而為流域分布式水文模型的構建提供下墊面參數。通過離散點數據修改DEM后，利用填洼算法再次對DEM進行修正，由此提取的流域特征比較符合實際。

3 結論與思考

基于DEM數據，運用ArcGIS軟件的水文分析模塊，確定了某處河流流域水文方向，提取了流域河網水系和流域盆地，模擬了出水口的地表流域模型。研究結果表明，采用該方法模擬的河流數字流域水系及面積與水利部門提供的數據及真實地形基本相符，但不完全吻合。客觀的反映了河流流域水系空間分布狀況。該研究成果將為流域植被與生態環境演變過程的進一步研究和分析提供基礎數據，同時也為獲取該流域水系空間分布狀況提供了一種新的方法。而對于不符合的地方進行分析，發現誤差的產生主要原因分析是，可能是由于水流出河口后發生漫散，因此DEM在處理河口地帶精度受到影響，容易造成流域分水線在河口處計算的誤差，從而造成流域面積計算的誤差。由于面積誤差發生在流域出口位置，因此這種面積誤差對以后的流域分析產生影響較小。在此基礎上，采用更高空間分辨率的DEM數據，并融入遙感影像等其它空間信息，將會提高河網、流域范圍等相關水文信息的質量，為流域分析計算、流域生態環境演變等后續的研究提供參考，這些將是以后研究的一個重點。

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