基于多源DEM的廣西寧明縣河網提取

張 迅，蘇文靜，呂華權

（1.廣西遙感信息測繪院，廣西 南寧 530023；2.廣西林業科學研究院，廣西 南寧 530001）

基于多源DEM的廣西寧明縣河網提取

張 迅1，蘇文靜2，呂華權1

（1.廣西遙感信息測繪院，廣西 南寧 530023；2.廣西林業科學研究院，廣西 南寧 530001）

以3種不同數據源和不同分辨率的DEM數據為基礎，著重研究了不同數據源和分辨率對四級水系流域(縣級區域)的河網提取的影響。實驗表明，對四級水系及其支流的提取并不是分辨率越高越好。從提取的精度角度看，采用航空攝影測量方法得到的DEM的實驗結果較為詳細。而從分辨率來說，12．5 m分辨率的DEM最好。

多源DEM；流向；河網提取；寧明縣

流域河網水系是描述一個地區地理地貌和水文特征不可或缺的因素，如何快速有效地獲得該地區的河網水系特征信息對水資源規劃、管理、開發、利用、保護與科學研究有重要意義。隨著地理信息技術和空間信息技術的廣泛應用，數字高程模型（DEM）目前已成為操作和存儲最為方便的一種地形信息表達方式，常被用來提取流域的河道網絡和分析地形對流域徑流響應的影響，對數字流域模型的建立起到了重要的作用[1-5]。基于DEM的河網提取是分布式水文模型建立的基礎環節，提取河網的精度是影響水文模型模擬精度的重要因素[6]。

1 研究區概況

寧明縣位于廣西西南部，介于東經106°54'～107°40'、北緯21°36'～22°22'之間。地形地貌以丘陵低山為主，東南部為土山低山，中部為土山丘陵，西部及北部邊緣多為巖溶丘陵，北部靠中則為明江河谷平原。境內河流眾多，有明江、公安河、派連河、馱英河、思洲河等150余條，流向與地形地勢相關，大多由東、南、西流向位于境內中部的明江，在縣城匯合后向西北流出境外匯聚成左江，順流經邕江、西江進入珠江直至出海。

高分辨率DEM對河網提取研究區域不宜過大，縣級區域比較適宜，而寧明縣位于桂西南喀斯特地區，人工河系比較少，有利于水系提取；再者，寧明縣處于中越邊境之上，有100多km2的國界線，加之地形復雜，尚未有系統研究。寧明縣地勢如圖1所示。

2 數據來源

采用DEM提取水文信息的研究較多，總結起來有2個特點：一類是面積大，DEM分辨率精度不高，一般DEM水平分辨率從幾m至上km；另一類通常是通過數字化大比例尺地形圖得到高分辨率DEM, 而后將高分辨率DEM重采樣得到低分辨率的DEM, 但是采樣后的高程值可能漏掉最低點或者最高點，可能導致一些偽峰和偽谷[7]。為了使研究結果更貼近現實，本文用不同數據源、不同分辨率（5 m，12．5 m與30 m分辨率）DEM，提取寧明縣的河網信息，并進行分析。數據情況如表1所示。

5 m分辨率DEM來源于IKONOS衛星；12．5 m分辨率采用2011年由西安煤航航空攝像有限公司采集的航空立體像對，DEM由廣西測繪地理信息局2012-05生產；30 m分辨率DEM數據來源于ASTER生成的數字高程模型ASTER GDEM。

圖1 寧明縣地勢示意圖

表1 DEM數據概況

3 研究內容

3.1 流向的確定

水流方向是指水流離開網格時的指向，即水流離開單元的最大坡度方向，它決定著地表徑流的方向及網格單元間流量的分配。本文采用D8方法，將中心柵格的8個相鄰柵格編碼，其水流方向就可由其中的某一個編碼值來確定。水流的流向是由中心柵格與鄰域柵格的最大距離權落差來確定。水流方向編碼見圖2a，水流方向見圖2b。

圖2 水流方向柵格編碼圖

3.2 水流累積矩陣的確定

水流累積矩陣表示區域地形每點的流水累積量，它可以用區域地形曲面的流水模擬方法得到。流水模擬可以用區域DEM的水流方向矩陣來進行。其基本思想是：它認為以規則網格表示的數字高程模型每點處有一個單位的水量，按照水從高處流向低處的自然規律，根據區域地形的水流方向矩陣計算每點處所流過的水量數值，便可以得到該區域水流累積數字矩陣。在此過程中實際上使用了權值為1的權矩陣，如果考慮特殊情況（如降水不均勻），則可以使用特定的權矩陣，以更精確地計算水流累積值。

3.3 河網提取

在得到每個網格流向與水流累計值后即可確定該流域的河網。預設一個閾值表示河網中點的最小積水面積，將水流方向累計矩陣中數據高于此閾值的網格連接起來形成排水網絡。當閾值減少時，網絡的密度便相應增加。水流累積值最大的點即是流域的出口，可以標記為&號河網的起點。找流入該點的所有網格，如果其水流累積值大于閾值則加入河網中。如此直至某一個網格有一個以上水流累積值大于閾值的入流網格，或沒有水流累積值大于閾值的入流網格為止。如果有2個或2個以上水流累積值大于閾值的入流網格，則表示該編號的河道結束，讓每個水流累積值大于閾值的入流網格開始新的河道編號。如果沒有水流累積值大于閾值的入流網格，則表示該段河道結束。當所有編號的河段的最后一個網格都沒有水流累積值大于閾值的入流網格時，河網提取完畢。

4 河網提取結果分析

4.1 河網密度與集水區閾值

平均河網密度是根據集水面積閾值確定的，為了更直觀地確定集水面積域值，從1 km2到20 km2逐個試驗，提取水系并計算河網密度，最終形成集水面積閾值與河網密度關系曲線（見圖3）。從關系曲線可以判斷出，從集水面積1 km2開始，分辨率30 m、12．5 m以及 5m分辨率DEM對應的河網密度從0．747、0．772、0．791開始，起始河網密度變化較劇烈，隨著集水面積閾值的繼續增大，其變化逐漸變緩，當集水面積為16 km2，兩者的關系曲線變化基本趨于穩定，河網密度也趨向穩定狀態，此時的河網密度分別為0．218 km·km-2、0．22 km·km-2、0．226 km·km-2，以此時的河網密度提取水系，得到整個流域的水系網絡[8,9]。

水系的提取結果取決于集水面積閾值，集水區面積閾值越小，提取的流域自然水系越詳細。但閾值并不是越小越好，根據集水面積閾值與河網密度的關系曲線，最終確定以16 km2作為集水區面積閾值，提取結果比較理想。

4.2 河網提取結果與實測比較

圖3 不同分辨率DEM河網密度與集水區閾值關系曲線

IKONOS數據提取的河網總長度為451．67 km，其中干流明江151．92 km；航空立體像對提取的河網總長度為450．67 km，其中明江151．00 km；ASTERGDEM數據提取的河網總長度為362．25 km，其中明江115．57 km．而寧明縣域內主要河流實測總長度為446．44 km，其中明江143．67 km。提取河網的矢量圖以及實測水系情況如圖4～7所示。

5 結 語

圖4 5 m分辨率DEM提取的河網

圖5 12.5 m分辨率DEM提取的河網

圖6 30 m分辨率DEM提取的河網

圖7 寧明縣河網現狀圖

通過提取的矢量河網數據與實測DLG矢量數據對比發現，5 m分辨率DEM和12．5 m分辨率DEM提取結果相對誤差基本一致，而30 m分辨率DEM提取的結果相對誤差大些。不同數據源提取的河流長度與實測長度的相對誤差如表2所示。

表2 寧明縣不同數據源DEM提取河流長度與實測長度比較

針對本研究區域為山地，流域主要為自然河流的特點，采用3種不同數據源和精度的DEM進行提取通過實驗證實，5 m分辨率DEM提取的水系最為完整，但過于繁雜，甚至會出現將山谷誤為水系的情況；30 m分辨率DEM在水系提取中能夠完整地表達水系現狀，其缺點是漏掉了河流的彎曲部分，致使河流長度有所減少；12．5 m分辨率DEM既完整提取流域的水系，精度也能滿足要求。

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P237.9

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1672-4623（2015）02-0159-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.056

張迅，碩士，工程師，主要從事數字攝影測量和遙感方面的生產與研究工作。

2014-03-31。