基于DEM的河流流域自動(dòng)提取及其應(yīng)用

胡曉婷

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

1 從DEM提取流域水文特征簡(jiǎn)介

數(shù)字高程模型(DEM)是目前用于流域分析的主要數(shù)據(jù)，由于DEM數(shù)據(jù)能夠反映一定分辨率的局部地形特征，因此通過DEM可提取大量的地表形態(tài)信息，這些信息包含流域網(wǎng)格單元的坡度、坡向以及單元格之間的關(guān)系等。同時(shí)根據(jù)一定的算法可以確定地表水流路徑、河流網(wǎng)絡(luò)和流域的邊界。因此從DEM提取流域特征，一個(gè)良好的流域結(jié)構(gòu)模式是設(shè)計(jì)算法的前提和關(guān)鍵。Horton、Strahler和Shreve等都對(duì)流域的結(jié)構(gòu)提出了自己的見解，1967年Shreve描述的“具有一個(gè)根的樹狀結(jié)構(gòu)流域”結(jié)構(gòu)模式較為普遍(如圖1所示)。

圖1 Shreve流域結(jié)構(gòu)模式圖

基于DEM流域河網(wǎng)水系的提取方法很多，概括起來，主要有兩種基本的方法從DEM提取水系。第一種方法是用1個(gè)矩形窗口掃描DEM矩陣來確定洼地，位于洼地內(nèi)的柵格單元標(biāo)記為水系的組成部分。這種方法最嚴(yán)重的缺陷在于生成的水系不連續(xù)，特別對(duì)于地形起伏較小或地形復(fù)雜處，上述缺陷更為突出。另一種方法是o’CallaghanMark(1984)提出的坡面流模擬方法，模擬地表徑流在地表的流動(dòng)來產(chǎn)生水系。該算法依據(jù)水總是沿斜坡最陡方向流動(dòng)的原理，確定DEM中每一個(gè)柵格單元的水流方向;然后根據(jù)柵格單元的水流方向計(jì)算每一個(gè)柵格單元的上游給水區(qū)，再選擇合適的水道給養(yǎng)面積閡值來確定河網(wǎng)。該方法提出從DEM數(shù)據(jù)提取流域信息可分為以下3個(gè)基本流程。

(1)填洼和計(jì)算流向矩陣(洼地指一個(gè)柵格的高程比周圍的8個(gè)柵格的高程都低)。

(2)計(jì)算匯流矩陣。

(3)確定極限面積(臨界面積)，匯流矩陣中超出此面積的柵格相連就得到流網(wǎng)。

該方法簡(jiǎn)單易行，可直接生成相互連接的河網(wǎng)。由于它依據(jù)水文學(xué)匯流概念判別水流路徑，因此，被認(rèn)為是一種較好的方法。

2 ArcGIS平臺(tái)下基于DEM的流域水文特征提取方法

從DEM中提取流域特征，關(guān)鍵是分水線網(wǎng)絡(luò)的確定?；趶搅髀髂Ｐ停ㄟ^模擬地表徑流的流動(dòng)來產(chǎn)生水系，進(jìn)而確定分水線，劃分出流域，該方法簡(jiǎn)單，直接產(chǎn)生連續(xù)的流線段。由于它模擬地表徑流有一定的模型基礎(chǔ)，因此被認(rèn)為是較好的方法。本文主要基于這種方法闡述具體的步驟。圖2簡(jiǎn)要說明從DEM中提取水文信息的步驟。

圖2 ArcGISk中水文分析流程圖

2.1 DEM 預(yù)處理

2.1.1 填洼與削峰

從DEM提取流域界線，首先要對(duì)地形中的洼地(Sink)和尖峰(Pink)進(jìn)行處理。洼地和尖峰的存在使得在計(jì)算水流方向時(shí)會(huì)出現(xiàn)水流逆流的情況，給水流線的跟蹤和流域界線的確定帶來困難。處理時(shí)采用ARC模塊下的FILL命令來填洼和削峰。該過程由計(jì)算機(jī)掃描DEM矩陣來確定洼地和尖峰單元格。洼地單元格指相鄰8個(gè)單元格高程都不低于本單元格高程的單元格;尖峰單元格指相鄰8個(gè)單元格高程都不高于本單元格高程的單元格，當(dāng)遇到洼地和尖峰單元格時(shí)就用最臨近單元格的值來替代，如圖3所示。

圖3 填洼和削峰過程示意圖

2.1.2 平坦格網(wǎng)單元的處理

基于DEM自動(dòng)提取流域的特征，一個(gè)必須處理的問題就是對(duì)平坦區(qū)域的處理，DEM中平坦區(qū)域包括DEM本身存在的平坦區(qū)域和洼地填平后形成的平坦區(qū)域。利用DS算法，在平坦區(qū)域內(nèi)部無(wú)法產(chǎn)生，而是通過連接平地兩端邊緣的水流匯流柵格點(diǎn)生成與實(shí)際不符的平直河道。由于平坦區(qū)域河流流動(dòng)的隨機(jī)性大，自然水系一般是彎彎曲曲的呈不規(guī)則形狀，這就意味著有些柵格點(diǎn)的水流流向是多流向的，而ArcHydroTools使用的DS算法是單流向的算法，對(duì)于平坦區(qū)域就無(wú)法處理。對(duì)于這種情況，較常見的一種處理方法是采用高程增量迭加算法來設(shè)定流向，即通過平坦柵格單元數(shù)字高程的微調(diào)(增高)產(chǎn)生整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)合理的匯流水系，這種處理方法避免了任意設(shè)置排水路徑的弊端。

2.2 水系的提取

水系提取的基本過程分為以下4步:①計(jì)算DEM中每1個(gè)柵格單元的水流方向;②計(jì)算每1個(gè)柵格單元上游集水面積;③河流柵格網(wǎng)絡(luò)的生成;④水系的生成。

2.2.1 計(jì)算柵格單元的水流方向

地表徑流在流域空間內(nèi)總是從地勢(shì)高處向地勢(shì)低處流動(dòng)，最后經(jīng)流域出口排出流域。為了準(zhǔn)確地劃定流域界線，首先要確定水流在每個(gè)柵格單元格內(nèi)的流動(dòng)方向。采用ARCGRID模塊中的FLOWDIRECnON函數(shù)來確定水流方向。柵格單元格的水流方向是指水流流出該單元格的方向。對(duì)于空間內(nèi)某一柵格單元格，與其相鄰的共有8個(gè)單元格(水平、垂直和對(duì)角線)。FLOwDIREC皿ON賦予每個(gè)單元格1位1一255的整數(shù)值來表示水流方向。從中心單元格開始，周圍相鄰8個(gè)單元格的水流方向如下圖所示。其中1代表東;2代表東南;4代表南;8代表西南;16代表西;32代表西北;64代表北;128代表東北。除上述數(shù)值之外的其他值代表流向不確定。這主要由DEM中“洼地”和“平地”現(xiàn)象造成的，平地”指8個(gè)單元格具有相同的高程，與測(cè)量精度、DEM單元格的尺寸和研究區(qū)的地形有關(guān)。如果某一單元格的值低于其周圍8個(gè)單元格的值，F(xiàn)LOWDIRECTION函數(shù)則用8個(gè)單元格中的最小值來代替。流向分析過程圖4所示。

圖4 水流方向及流向分析示意圖

2.2.2 流向累積

根據(jù)無(wú)坑洼DEM水流方向柵格圖層，應(yīng)用水文分析庫(kù)(Hydrofogy)下的流向累積(凡 owAccumula－tion)命令進(jìn)行流向累積柵格的計(jì)算。此功能的原理是假想在集水區(qū)的每一網(wǎng)格上降下一單位的水量，而后按網(wǎng)格的流向來向下移動(dòng)，其移動(dòng)經(jīng)過的網(wǎng)格則使其累積流量值提升1個(gè)單位。因此，每一網(wǎng)格皆可計(jì)算出其所累積的上游流量值，由于投人每一網(wǎng)格的水量皆為一單位，故流量累積值亦代表各網(wǎng)格的上游集流網(wǎng)格數(shù)量，將之乘上網(wǎng)格面積便可得到每一網(wǎng)點(diǎn)的上游集水面積。

2.2.3 河網(wǎng)的提取

對(duì)流向累積柵格設(shè)置閡值并進(jìn)行水流網(wǎng)絡(luò)的提取。應(yīng)用水文分析庫(kù)(Hydrofogy)下的定義河系(StreamDefi耐on)命令對(duì)流向累積柵格設(shè)置集流闌值。集流闌值(threshold。fflowaeeumulation)為河系網(wǎng)絡(luò)提取的關(guān)鍵因子，利用所訂定的累積流量值(或稱為集水面積)作為河道認(rèn)定的門檻標(biāo)準(zhǔn)。初始進(jìn)行分析時(shí)，可選擇自小至大的幾個(gè)集流闌值，以便觀察最適河系提取集流闌值的坐落范圍。

2.2.4 河系提取

以設(shè)定的集流闌值為標(biāo)準(zhǔn)，利用流徑處理(DrainagehneProeessing)命令自流量累積值網(wǎng)格圖層中提取河系網(wǎng)格圖層，凡是累積流量大于等于集流闌值的網(wǎng)格即被定義為河道。

2.2.5 子流域的提取

利用集水區(qū)柵格描繪(CatehmentsGridDelin－eation)、集水區(qū)矢量化(CatehmentsPoly邵nvroeess－ing)命令進(jìn)行子流域劃分。ArcGIs是根據(jù)水流網(wǎng)絡(luò)上每條流徑的分叉和水流方向決定子流域邊界。每一條子流域上只有一條流徑，同時(shí)該子流域內(nèi)的所有柵格都應(yīng)指向流徑。

3 基于GIS的中國(guó)流域研究

3.1 中國(guó)一級(jí)流域及子流域的生成

為了從數(shù)字高程數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取全國(guó)流域，以提高基于GIS的全國(guó)水資源信息獲取的效率，首先利用上述方法生成河網(wǎng)，即對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼和削峰，然后確定每個(gè)柵格單元的水流方向，再根據(jù)各柵格單元的水流方向，計(jì)算出每個(gè)柵格單元的匯流能力，根據(jù)匯流能力采用閾值法確定河流網(wǎng)絡(luò)，最后通過河流網(wǎng)絡(luò)和流域出水口，快速識(shí)別出所有子流域。在提取子流域時(shí)，利用1:25萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)，首先將全國(guó)流域劃分為14大流域片，并在每一流域片內(nèi)分別提取流域。過程如圖5:

圖5 基于DEM的中國(guó)流域提取操作流程

3.2 GIS在中國(guó)流域研究中的應(yīng)用

3.2.1 流域地質(zhì)環(huán)境與工程研究

流域地質(zhì)環(huán)境研究中，主要有GIS對(duì)流域地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)、下墊面類型劃分、礦床時(shí)間譜系及礦產(chǎn)資源潛力的確定、地貌演化定量、地貌形態(tài)分形及盒維數(shù)測(cè)定，以及對(duì)冰川地貌和現(xiàn)代冰川湖泊變化的監(jiān)測(cè)等。GIS在流域工程領(lǐng)域主要應(yīng)用在巖土工程、水電梯級(jí)開發(fā)工程、水利工程、水電站工程建設(shè)、林業(yè)保護(hù)工程、山區(qū)道路工程、防洪抗災(zāi)工程，以及對(duì)流域壩系規(guī)劃、防洪堤規(guī)劃系統(tǒng)的支撐。

3.2.2 流域水資源及土壤資源研究

水資源開發(fā)及利用方面，GIS可以確定資源開發(fā)潛力影響因素，評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)利用，構(gòu)建水資源及水循環(huán)信息系統(tǒng)、安全預(yù)警系統(tǒng)、分布式水資源模擬等，以及構(gòu)建水資源動(dòng)態(tài)平衡模型、空間分布模型、流域水質(zhì)模型。同時(shí)，河流、水系及水文方面，GIS可用于提取水系信息、水系分維及分形、水面監(jiān)控、水源保護(hù)區(qū)劃等，并且可以進(jìn)行水文特征及變化分析、水文生態(tài)景觀和分布式水文模型構(gòu)建(包括月水量平衡模型、非線性水文模型、水文過程模擬等)、水文信息系統(tǒng)的構(gòu)建(如水文水環(huán)境信息系統(tǒng)、水情會(huì)商系統(tǒng)和水文情報(bào)預(yù)報(bào)系統(tǒng))，還有對(duì)湖面變化信息提取、水文氣象要素時(shí)空變異性、雨量等值線自動(dòng)繪制技術(shù)等。另外，還可以進(jìn)行流域地下水及其環(huán)境分析和地下水資源信息系統(tǒng)構(gòu)建。土壤資源方面，GIS用于土壤肥力評(píng)價(jià)方法體系構(gòu)建及綜合評(píng)價(jià)，土壤肥力的流失分析、遷移過程模擬及預(yù)測(cè);土壤水分補(bǔ)給量、時(shí)空變化模擬，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)土壤水分模型等;土壤侵蝕量及侵蝕強(qiáng)度估算、土壤侵蝕評(píng)價(jià)、空間分析及模擬、土壤侵蝕變化定量遙感監(jiān)測(cè)、分布式斜坡穩(wěn)定性定量評(píng)估模型等。

3.2.3 流域?yàn)?zāi)害與污染研究

流域?yàn)?zāi)害研究以洪水災(zāi)害研究為主，還包括泥石流、滑坡等，可利用GIS地貌瞬時(shí)單位過程線估算河網(wǎng)密度、設(shè)計(jì)洪水路徑，構(gòu)建流域洪水模擬模型、洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃及評(píng)價(jià)等;構(gòu)建洪水信息系統(tǒng)，包括洪水淹沒計(jì)算分析系統(tǒng)、遙感洪水監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)系統(tǒng)、洪澇災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)、淹沒區(qū)確定方法及虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)、水利防災(zāi)信息系統(tǒng)、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)等，還可進(jìn)行防洪調(diào)度管理，如洪水風(fēng)險(xiǎn)圖信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、三維防洪調(diào)度管理信息系統(tǒng)等。泥石流災(zāi)害主要局限于危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，滑坡災(zāi)害則包括滑坡災(zāi)害空間區(qū)劃、危險(xiǎn)性分析及區(qū)劃等。GIS還應(yīng)用于流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、地表水面源及徑流污染、水污染(包括地下水)防治、管理及污染信息管理系統(tǒng)構(gòu)建。農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染包括農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染信息數(shù)據(jù)庫(kù)建立、氮磷負(fù)荷估算、模擬、控制區(qū)劃、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)識(shí)別等。地表水面源及徑流污染包括水庫(kù)和地表水面源污染負(fù)荷、水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)、徑流污染物量化及污染追蹤等。另外還用于地下水污染動(dòng)態(tài)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、水污染防治規(guī)劃、水污染區(qū)劃及信息管理系統(tǒng)構(gòu)建，如構(gòu)建水污染管理及控制決策支持系統(tǒng)、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

3.2.4 流域生態(tài)環(huán)境與景觀研究

運(yùn)用GIS進(jìn)行流域生態(tài)需水計(jì)算、表生生態(tài)環(huán)境與生態(tài)敏感(脆弱)性評(píng)價(jià)及區(qū)劃、生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)、生態(tài)資產(chǎn)評(píng)估與生態(tài)安全空間分異及可視化等，另有環(huán)境生態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)建立、資源環(huán)境空間要素分析、生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)、流域環(huán)境管理等。水環(huán)境包括水環(huán)境功能區(qū)劃和水環(huán)境信息系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)，如水環(huán)境多源監(jiān)測(cè)信息集成系統(tǒng)、綜合治理決策支持系統(tǒng)等。植被環(huán)境方面包括流域植被退化及恢復(fù)分區(qū)、水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)和封育植被景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)等。GIS還應(yīng)用于流域景觀空間格局及動(dòng)態(tài)變化、景觀生態(tài)規(guī)劃、林型結(jié)構(gòu)與森林涵養(yǎng)水源關(guān)系和流域地理景觀三維可視化。

3.2.5 流域徑流與水土保持研究

GIS主要應(yīng)用于不同流域徑流類型的描述和徑流量的測(cè)度，其中徑流類型包括降水徑流要素變化、分布式降雨徑流模型的結(jié)構(gòu)、融雪變化分析及徑流模型、徑流地表蒸散發(fā)等。徑流量測(cè)度包括流域徑流量和產(chǎn)沙量測(cè)度、徑流的化學(xué)組成計(jì)算機(jī)模擬、地表徑流模擬和降雨徑流預(yù)報(bào)方法等。在流域水土保持中，GIS主要用于流域侵蝕、水土流失和水土保持。流域侵蝕主要是對(duì)侵蝕類型的劃分與測(cè)度，包括強(qiáng)降雨、融雪、重力、農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)的侵蝕和水蝕;水土流失研究應(yīng)用于水土流失區(qū)遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及泥沙輸移、水土流失治理經(jīng)濟(jì)效益等;水土保持研究主要應(yīng)用在水土保持規(guī)劃、水土保持效益和水土保持信息系統(tǒng)方面。

3.2.6 流域土地利用與經(jīng)濟(jì)社會(huì)研究

近年來，GIS越來越多地應(yīng)用于流域規(guī)劃(如流域總體規(guī)劃、治理規(guī)劃、流域功能分區(qū)等)、流域人口(人口信息提取、人口動(dòng)態(tài)變化、移民搬遷地等)、流域產(chǎn)業(yè)和城市化(產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換能力空間分異、節(jié)水農(nóng)業(yè)作物布局調(diào)整、林業(yè)生產(chǎn)力空間格局與分異、漁業(yè)資源管理系統(tǒng)和流域城鄉(xiāng)空間演變綜合研究等);另外，數(shù)字流域是GIS在流域中的綜合運(yùn)用，囊括了自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境等信息，主要有數(shù)字流域GIS平臺(tái)設(shè)計(jì)、流域數(shù)字劃分、數(shù)字產(chǎn)匯流技術(shù)、河網(wǎng)分形、數(shù)字流域飛行模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)等。

除以上內(nèi)容外，GIS還應(yīng)用于流域瘧疾、血吸蟲病等流行病預(yù)測(cè)模型構(gòu)建、作物生產(chǎn)潛力及產(chǎn)量模擬、航運(yùn)網(wǎng)絡(luò)信息化和考古信息系統(tǒng)研建中。

4 總結(jié)

GIS環(huán)境下基于DEM的流域特征自動(dòng)提取避免了編寫程序代碼的復(fù)雜過程，節(jié)省了大量的人力、物力。從提取效率和數(shù)據(jù)精度兩個(gè)方面來看都是切實(shí)可行的。目前利用DEM提取流域特征的技術(shù)正在不斷的發(fā)展和完善中，未來利用DEM提取流域特征的精度定會(huì)有進(jìn)一步的提高。在應(yīng)用方面，今后會(huì)結(jié)合流域特征，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用模型的區(qū)域化;加強(qiáng)生態(tài)研究和社會(huì)性研究;遵循流域系統(tǒng)性，其阿強(qiáng)流域綜合性研究;另外，注重技術(shù)交互，開拓只能GIS在流域中的應(yīng)用也是未來GIS流域研究的方向。

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