基于DEM的青龍河流域數字河網提取

時慧潔

摘 要：簡單敘述了流域河網提取的兩種辦法，并以ArcGIS為操作平臺，介紹了基于坡面徑流漫流模型的數字河網提取原理和方法，其流程可簡單分為：DEM的預處理、水流流向的確定、匯流累積的計算以及河網生成。該文基于SRTM DEM數據以青龍河水域為研究對象進行流域特征信息提取，提取結果與國家河網數據基本吻合，并就不同閾值劃分下的河網進行比較。

關鍵詞：河網 SRTM DEM ArcGIS 青龍河流域

中圖分類號：P33 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0024-02

Abastract：The paper briefly describes two methods of extracting river basins.With the Hydrology Analysis tools of ArcGIS， the principle and method of ground water overflow modelare well introduced，the process of which includes the flow direction， flow accumulation， drainage network andthedrainagenetworkextraction. Based on the Qinglong River watershed SRTM DEM data， the fact that the river networksturn out with different threshold values is discussed. And the extraction results were verified and in accordance with the basic national river network data.

Key Words：drainagenetwork； SRTM DEM； ArcGIS； Qinglong River

流域河網水系是描述一個地區地理地貌和水文特征基本的重要條件，對流域整體規劃、水資源優化配置、水利水電開發利用以及防洪抗旱、航運、養殖、灌溉和旅游等都具有十分重大的意義[1]。目前，利用DEM數據提取流域數字河網主要有谷點提取模型和基于流向提取模型兩種[2]。谷點提取模型最初是由Greysukh，Pekuker， Douglas[3]等人提出，其原理是通過對比所研究網格的高程與相鄰網格的高程找出DEM中的谷點單元，再將谷點單元連接后形成河網[4]。該方法的問題是利用谷點單元形成的河網往往不連續，且在地形起伏較小的平原地區難以識別谷點單元[5]。而目前廣泛應用的算法是基于OCallaghan和 Mark提出的坡面徑流模擬算法，其原理是先確定流域各柵格間的流向，再根據每個柵格點上游的計算得到匯流累積量，最后按不同閾值提取出河網。其中確定流向的方法多采用D8的算法，曹玲玲[6]、吳冰[7]、周國園[8]、沈中原[9]、熱紫燕[10]等人都在不同流域基于坡面徑流模擬算法進行了河網提取。該文主要介紹利用DEM數據基于坡面徑流漫流模型的數字河網提取方法，并在ArcGIS環境下通過青龍河流域的實例進行分析。

1 研究區背景概況

1.1 流域概況

青龍河是秦皇島市的重要水源地，青龍河流域是秦皇島市限制納污控制考核的重要水功能區。青龍河流經灤河流域東側，地處東經118°37′～119°37′，北緯39°51′ ～41°07′之間，流域面積6340 km2，占灤河流域面積的14%，是灤河水系年平均來水量最大的支流。該文擬以桃林口水壩址以上流域為例，進行流域數字河網的提取研究。

1.2 數據來源

DEM的數據來源是SRTM DEM（Shuttle Radar Topography Mission）數據，是2000年2月11日美國發射的“奮進”號航天飛機上搭載的SRTM系統采集的地表面數據。SRTM DEM數據采用WGS1984投影參數，通過中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站可下載空間分辨率為 3″（約90m）的中國區域數據[11]。由于下載的圖像數據不一定剛好在一個圖幅范圍內，需對下載的數據進行剪裁及修正，從而得到青龍河流域部分。

2 河網提取方法

2.1 DEM預處理

在利用SRTM數據提取流域的數字河網之前，首先需要對SRTM數據進行預處理，以消除SRTM中存在的無效數據區域。此外，由于原始的DEM圖像中數據缺陷或是一些真實地形的存在，使得DEM表面存在著一些凹陷的區域，使水流無法按照其本身流向流出。所以為避免水流出現逆流或中斷的現象，首先要對DEM進行無洼地的填充。洼地填充的基本過程是先利用水流方向數據計算出DEM數據中的洼地區域，并計算其洼地深度，再依據這些洼地深度設定填充閾值進行洼地填充。

2.2 流向確定

柵格單元的流向是指水流出該柵格單元的方向。每個柵格中的流向是通過計算該柵格周圍最大的落差坡度來確定的，這種計算方法稱為D8法。D8法將柵格中的水流方向分為8個方向，即與該柵格相鄰的8個柵格分別代表一個方向。在此基礎上計算中心網格與各相鄰網格間的距離權落差，取距離權落差最大的網格與中心網格的連線作為水流流出方向。水流方向的確定過程就是在柵格周圍尋找坡度變化最快的方向。

2.3 匯流累積量計算

區域匯流累積量的計算需要建立在水流方向的基礎上，實際是曲面上水流過程的模擬。水流方向確定后便可計算每個柵格單元的上游集水區范圍，并生成與之對應的水流方向矩陣，計算該矩陣中某個柵格的累積流量，正是根據該柵格周圍的流向數值編碼計算而來的。

2.4 河網生成

通過匯流累積量的計算，完成柵格之間流量傳遞的過程，匯流累積量代表著柵格在流量傳遞過程中累計的柵格數。每一個柵格都攜帶著一份流量，當柵格攜帶的流量在同一位置累計到一定值時，便會產生水流，這些水流形成的路徑就是河網，累計到形成水流的值稱為河網閾值。其原理是把所有大于或等于給定閾值的匯流柵格單元標記為1，其余柵格則沒有數據，遂將賦值為1的單元格提取出來。

3 實驗與結論

利用ArcGIS的水文分析模塊，運用坡面徑流模擬方法，提取桃林口書庫壩址上游流域的河網。對區域設置不同的閾值，所繪制出的河網疏密程度不同（圖2）。當閾值較大時，形成水流所需的累計柵格數較多，不易形成河網；當設置閾值較小時，形成水流所需要的柵格數較少，容易形成河網。設定匯流累積閾值時，要充分考慮水系的實際情況，并通過觀察和與地形圖相比較等方法適當的選定閾值，保證徑流模擬準確性和實際性。如當面積閾值從25.8164 km2（柵格數為3000）調整為129.0822 km2（柵格數為15000）時，河流分支數量相應從197個河道減少到37個河道。在確定上游集水面積閾值為15000個柵格單元時的提取結果與1：25萬的國家五級河網疊加分析可知（圖2（a）），圖中河流水系與實際河網基本吻合能夠滿足水文模擬與生產需要。

該文介紹了基于ArcGIS平臺支持下河網特征的提取原理，以青龍河流域為案例對其進行DEM的預處理、水流流向的確定、匯流累積的計算，并基于流域不同集水面積閾值提取不同疏密程度的水系特征。選用空間分辨率為90m的SRTM DEM數據作為數據來源避免了傳統地面測繪容易出現的數據插值誤差從而導致平坦地區河網提取效果不佳，基于SRTM DEM數據進行河網提取可以最大程度地保證提取的河網的準確性。該文成功提取青龍河水域數字河網，這對青龍河流域的水資源規劃及配置提供技術條件并對實現水資源現代化管理有著重要意義。

參考文獻

[1] 梁科.基于SRTM數據的流域水系提取與三維可視化[D].長沙：中南大學，2008.

[2] 鄒鳴.基于DEM的數字河網提取及其應用[J].水資源研究，2013（2）：14-15.

[3] Puecker TK， Doughlas DH.Detection of surface-specific points by local parallel processing of discrete terrain elevation data[J].Computer Graphics and Image Processing，1975（4）：375-387.

[4] Lawrence WM， Jurgen Garbrecht.Automated recognition of valley lines and drainage networks from grid digital elevation models：a review and a newmethod[J].Journal of hydrology，1995（167）：393-396.

[5] 葉愛中，夏軍，王綱勝，等.基于數字高程模型的河網提取及子流域生成[J].水利學報，2005（5）：531-537.

[6] 曹玲玲，張秋文.基于SRTM的數字河網提取及其應用[J].人民長江，2007（8）：150-152.

[7] 吳冰，李昌文.基于SRTM DEM的盤龍河流域河網提取研究[J].水資源與水工程學報，2013（6）：157-162.

[8] 周國園，侯志華.基于DEM的汾河流域水系提取試驗研究[J].科技創新與生產力，2014（11）：60-63.

[9] 沈中原，李占斌，李鵬，等.基于DEM的流域數字河網提取算法研究[J].水資源與水工程學報，2009（1）：20-23，28.

[10] 熱紫燕，阿不都沙拉木，穆艾塔爾·賽地，等.烏魯木齊河流域數字河網提取分析[J].新疆水利，2012（6）：11-15.

[11] Koch A，Heipke C.Quality assessment of digital surfacz models derived from the Shuttle Radar Topography Mission（SRTM）[C].Sydney：Proc.of the IEEE 2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium，2001.