淺談基于DEM提取磐石市水文特征上的應用

王彬

摘 要：運用GIS軟件ARC/INFO、ArcView，以磐石市地形資料為例，探討了數字高程模型（DEM）的建立并介紹其基本原理及其基本應用。本次DEM的建立以磐石地區1：10000地形紙圖為數據源，矢量數據內插生成DEM的方法，并提取該地區的水文特征。

關鍵詞：ArcView；DEM；GIS；水文特征提取

1 引言

今年的中央一號文件對水利工作作出了重大戰略部署，水文是水利的重要基礎，今后水文工作的發展方向必將是自動化和信息化。在此背景下，研究水文特征，收集水文資料、進行水文分析、關注水文情勢預測、預報、預警，則顯得尤為重要。近年的防汛抗洪中，水文監測預報為科學有序地防洪搶險做出了重要貢獻，充分說明了水文工作在社會事業和經濟社會發展中的重要性和必要性。

地球信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）是一種采集、儲存、管理、分析，顯示與應用地理信息的計算機系統，是分析和處理海量地理數據的通用技術，作為一種多信息源的空間化、動態化、多學科交叉的信息科學和技術，其優勢正好符合反映流域或區域水文系統要素的空間分布和動態變化的要求。因此它成了流域水文模擬研究中的關鍵技術之一。

2 研究區概況

2.1 研究區地理位置

磐石市為飲馬河、輝發河、富太河、擋石河等河的發源地，地理坐標東經125°40′～126°40′，北緯42°39′～43°27′。磐石市地處吉林省中南部，吉林市南部，東靠樺甸市，南鄰輝南縣，西與梅河口市、東豐縣、伊通縣接壤，北與雙陽縣、永吉縣毗連。

2.2 研究區氣象水文

磐石市地處內陸山區的中緯度亞溫帶大陸性氣候區，四季分明，寒暑溫差變化顯著，多年平均氣溫4.72攝氏度，多年平均降水量為697.2mm（其中約有80%降水量集中在6～8月份）。

該區冬季多受西伯利亞高空寒冷高氣壓帶影響，主導風向為西南風，年平均風速2.5m/s。蒸發量多年平均值為1320.1mm（直徑20cm蒸發皿），蒸發量大于降水量。磐石市標準凍結深度為1.62m，無霜期100～150天，年平均日照時數為2372.6小時。

本區水系較發育，地表水系為松花江的支流輝發河水系。低山丘陵區的溝谷地帶發育季節性河流，流量不大。

2.3研究區地形地貌

磐石市地處長白山麓，地形中部、東北部高，南北部較低，似屋脊地勢，海拔300m～1000m，成為境內松花江兩大支流水系-飲馬河水系和輝發河水系的分水嶺。勘測區地貌總體特征：低山丘陵分布廣泛，山體短小，走向紊亂。勘測區地勢以中-低山、丘陵為特征，最高峰為七個頂子，海拔為569.7m。區內地勢北高南低，平均海拔高度318～325m。按照地貌成因及形態，可分為構造剝蝕低山、丘陵和沖積河谷地貌（如圖1）。地形地貌條件是影響地表水運動以及地下水的補徑排條件的重要因素。

3 研究區DEM的建立

本文所介紹的主要內容是基于DEM的地表水文分析，是利用水文分析工具提取重要地形指標，如坡度、坡長、坡向等。通過對這些基本水文因子的提取和對基本水文分析，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。

3.1 1：10000柵格DEM的建立

GIS中常用的DEM是基于2.5維表現形式的規則網格（GRID）和三角網（TIN），以及基于二維平面形式表示的等值線圖。其中以等高線為數據源制作DEM是最常用的一種方法，傳統的地形圖被廣泛用作數據源應用于DEM的生成。

1：10000DEM的建立，利用大比例尺數字地圖為信息源，是最快捷的方法，一般采用Arc/info軟件。地形圖上的等高線含有豐富的高程信息，利用這些高程信息產生DEM數據，可以發揮地形圖的作用，而地表的地形變化一般來說都是比較小的。結合課題，本次DEM的建立以磐石地區1：10000地形紙圖為數據源，矢量數據內插生成DEM。DEM的建立簡單概括為：第一步柵格底圖的生成；第二步高程信息的獲取；第三步將生成的矢量圖利用不規則三角形內插生成DEM。通過以上DEM的生成步驟，在操作過程中嚴格要求，利用Arcview軟件，我們生成了研究區的數字高程模型如圖2。

3.2 基于DEM的重要地形因子分析和提取

3.2.1 研究區高程因子：是地面任一點距大地水準面的垂直距離。DEM所提供的原始數據即為海拔高程，是DEM最基本信息。如圖3

3.2..2 研究區幾個重要地形因子的提取：利用生成的DME可以提取研究區坡向因子。坡向影響著地面光熱等資源的分配，決定地表徑流的流向，是影響地理景觀的重要因子之一。利用它可以計算研究區域內的每一點的太陽光照量，從而測定每一點的生物量；提取研究區坡長因子。坡長直接影響地面徑流的速度，相同條件下，坡面越長，匯聚的流量越大，侵蝕能力越強；提取研究區等高線。等高線是地面上高程相同的各點連成的閉合曲線。根據等高線圖形，可以量算各點的高程、坡向和坡度，也可以形象地表現出研究區的地貌形態特征；提取研究區平面曲率因子，通過生成的圖形可以反映出研究區地表所有的山脊線和山谷線。較大比例尺DEM可提取出溝脊線和溝谷線；提取研究區溝壑密度因子。溝壑密度的提取可通過水文分析的方法來獲得，然后通過統計查詢，查出溝壑的長度，再除以區域面積，則可得到區域的溝壑密度。其關鍵是確定溝壑的標準。溝壑密度能從宏觀上真實反映地形破碎程度和地面被徑流切割的程度，是反映土壤受侵蝕程度的重要定量指標。研究區溝壑密度值越大，地表與降雨、徑流接觸發生侵蝕的面積就越大，降雨徑流的沖刷力和侵蝕力就越大，越易引起土壤侵蝕。

4 結束語

DEM的主要應用有：（1）在測繪中繪制等高線，生成坡度圖、坡向圖、剖面圖等，以輔助地形、地貌分析；（2）在環境與規劃中可用于土地現狀的分析、各種規劃及洪水險情預報等；（3） 與GIS聯合進行空間分析，提取水文特征。

在水文模擬應用中主要是描述流域地形。包括流域劃分和子流域的邊界確定，河網的識別和提取坡度、坡向、坡長、密度、地形起伏、地面粗糙度的確定等，從而為流域分布式水文模型的構建提供下墊面參數。隨著DEM提取水文特征技術的不斷發展和完善，今后在平坦地區利用DEM提取水文特征的精度將會有進一步的提高。

本次研究利用軟件GIS生成的DEM對磐石市水文特征進行定量分析，可以清楚地掌握磐石市的水文特征。并且該系統具有較強的實用性，建立系統的成本低。所建立的的系統、圖件和研究結果將為當地人們的生產生活提供科學保障。