高精度DEM在南四湖濱湖洼地排澇分區中的應用

尚書河耿 勇陳立峰李玥璿

高精度DEM在南四湖濱湖洼地排澇分區中的應用

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一、引言

目前對南四湖濱湖洼地進行排澇分區，通常基于1∶10000或1∶50000比例尺地形圖，參照市縣水利工程統計手冊，由相關技術人員在地形圖上進行劃定，工作周期長，現場調查任務繁重，最終成果矢量化后還存在一定誤差。而通過1∶5000比例尺DOM生成的高精度DEM，進行高精度等高線的自動提取，可以定量地對微地貌特征進行量測，協助劃定排澇分區，提高了工作效率與成果質量，從而指導骨干泵站及干溝治理，也能為區域資源開發和災害防治提供基礎數據。

二、研究區概況

南四湖流域屬淮河流域沂沭泗水系，流域面積3.17萬km2，其中湖東0.85萬km2，湖西2.19萬km2，湖面0.13萬km2。包括山東省菏澤市、濟寧市、棗莊市，泰安市、臨沂市的部分面積，以及河南、江蘇、安徽三省的部分面積。匯集入湖的大小河流共有53條，其中湖東28條，湖西25條，來水經南四湖調蓄后，在微山湖分別經韓莊運河和不牢河下泄入中運河，再南下排入駱馬湖。

湖東在津浦鐵路以東基本為山丘，與蒙山支脈和沂河毗臨，鐵路以西是丘陵平原，地面比降一般為1/1000～1/10000。湖西黃泛平原位于黃河與廢黃河之間，地面比降在1/5000～1/20000。該區地面高程自西向東，由南、北向中間凹下，總趨勢又呈簸箕狀向東漸次緩降，由于受歷代黃河改道、決口和沖積影響，地形呈波狀起伏，崗、洼相間。

沿湖37m等高線（廢黃河高程，下同）以下地區常年承受湖、河側滲影響，汛期受湖、河水位頂托，嚴重影響區內澇水自排，嚴重時在地上積水0.1～0.2m，形成濱湖洼地，面積2303km2，屬于魯南泰沂低山丘陵與魯西南黃泛平原交接地帶，地勢低洼，地形開闊，二級壩以北地區地面高程一般為33.8～35.0m，以南地區地面高程一般為32.6～33.5m，僅在青山、郗山附近為低山丘陵微地貌分布。

三、排澇分區提取

以山東省國土測繪院2008年航空攝影影像資料生成的濟寧1∶5000DEM的基礎上，將濱湖洼地范圍面狀圖層利用在Arctoolbox中的工具中轉化成raster圖層，裁剪DEM后得到洼地范圍內的DEM。依據DEM中每一個高程數據點和相鄰高程點的數據差來確定水流方向，然后根據水流方向數據來計算每一個高程數據點的上游集水區，再根據集水區內部和集水區之間的高程數據，用閥值法確定所屬水系的高程數據點，根據水流方向數據將排澇分區追索出來，流程如下：柵格DEM→填洼預處理→柵格水流方向計算→排澇分區生成。

在提取數字河網處理過程中，涉及一個關鍵參數是最小水道長度，即按照給定的最小水道給養面積閥值，根據水流匯集格網數據模型可以生成流域河網。由于河道長短與其集水面積息息相關，因此，最小長度閥值通常以柵格數來設定，經驗設定的閥值為研究區柵格數的1%。本文分別以柵格數的1%、1.5%、2%三種閥值方案進行了對比，生成的河網主干非常一致，只是河網的詳細程度上存在差別。閥值越小，提取的流域自然水系越詳細，河道的起點越向上游延伸。通過與研究區地形圖的水系特征比較得出，當閥值取柵格數的1.5%時，提取的流域自然水網最理想。

在通過柵格水流方向計算后，相應的流域內部集水邊界也會自動生成。通過比較發現，由于研究區的一些特定的自然和人為限制，例如公路、堤防等，排澇分區的提取由于算法無法識別邊界假閉合等缺陷，同樣存在一定誤差，需參考研究區地形圖和規劃圖，并結合DEM特征和部分實地GPS對現狀河道的定位數據進行相關矯正。

四、結果分析與討論

通過以上數字方法提取出濱湖洼地一級排澇分區75個，后期人工編輯整理后，成果符合現狀水系。DEM數據生成過程本身會造成高程值部分失真，填洼等技術處理也同樣會影響數字河網提取的精度。排澇分區提取對地理高程數據較為敏感，采用DEM所確定流域河網的拓撲結構和空間位置首先取決于DEM數據精度。研究表明，只有當DEM數據的尺寸小于所模擬的水文現象檔的特征尺度，才能提供必要的信息。在地勢十分平坦的區域，如果數據精度無法提供真實存在的細微高程差別，就無法生成合理的數字河網。為此，選取較高精度的1∶5000DEM作為數據源，基本可滿足數據精度要求。

在排澇分區提取過程中，對最小水道長度閥值沒有明顯設定的標準，因為在現實中最小水道的集水面積取決于很多因素，比如研究區內地貌、下墊面差異等。盡管最小水道閥值的選擇對確定主要河道的空間位置并沒有什么影響，但當其取一個常數值時，會使得從DEM中提取的流域河網水系和實際情況有些差別。本文所取的最小水道長度閥值略大于經驗值，是由研究區的特點所決定的，由于地勢平坦，產流后的地表徑流方式以漫淹為主，水流擴散十分緩慢，因此，研究區的排澇分區生成必須具備較大的集水面積閥值。

五、結語

在南四湖濱湖洼地1∶5000比例尺DEM的基礎上，運用ArcGIS10.CS對研究區進行排澇分區研究。在保持高精度DEM前提下，數字地表水系和排澇分區可以通過基于DEM自動提取出來，但存在河道局部偏移及河網失真等問題，需要進行局部修正。在DEM數字高程預處理過程中保持高程信息的特征不丟失，以及發展專業處理平坦區域和澇洼地的有效算法，將進一步提高平原洼地區域數字水系及排澇分區提取的效率和精度■

（作者單位：1.山東省淮河流域水利管理局規劃設計院 250100 2.濟寧市洙趙新河管理處 272000）