基于DEM的遼河流域子流域邊界的自動提取

張永紅（1.遼寧省環(huán)境科學研究院；2.遼寧省環(huán)境遙感技術應用重點實驗室,沈陽　110031）

基于DEM的遼河流域子流域邊界的自動提取

張永紅1,2
（1.遼寧省環(huán)境科學研究院；2.遼寧省環(huán)境遙感技術應用重點實驗室,沈陽110031）

摘要：水文分析是DEM(數(shù)字高程模型)應用的重要領域。很多地表水文分析模型都需要輸入集水流域和水流網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，而DEM數(shù)據(jù)就是生成這些數(shù)據(jù)的重要手段。本文采用D8算法，利用SRTMDEM數(shù)據(jù)提取了遼寧省遼河流域內(nèi)的子流域邊界，經(jīng)過對比研究，與實際河流水系特征基本吻合，表明了遙感源DEM數(shù)據(jù)在提取流域水文特征方面具有較高的精度且效率更高。

關鍵詞：DEM；遼河流域；SRTM

流域相關信息是進行水文模擬和分析的重要輸入數(shù)據(jù)，獲取流域信息是建立水文模型、進行水文模擬的前提，國外學者從20世紀60年代起就開始研究通過DEM數(shù)據(jù)來提取水文相關信息，并取得了快速發(fā)展。國內(nèi)學者從20世紀90年代也開始了相關的研究工作，并對國外的研究方法和研究結(jié)果進行了梳理和總結(jié)。當前很多研究者采用ESRI公司的ArcGIS軟件的HydrologyAnаlyst，即水文分析模塊進行流域相關信息的提取。

1　研究區(qū)域

遼寧省遼河流域地理位置在東經(jīng)121°16′～125°20′、北緯40°28′～43°30′之間，流域面積6.9萬平方km。主要包括遼河干流、渾河、太子河和大遼河四個水系，水資源總量為130.47億m3。遼河流域水系發(fā)育，支流眾多，有繞陽河、招蘇臺河、清河、柴河、汎河、細河、蒲河、蘇子河、社河、細河、北沙河等主要支流。

2　研究數(shù)據(jù)

SRTMDEM數(shù)據(jù)是由美國太空總署和國防部國家測繪局聯(lián)合測量，SRTM數(shù)據(jù)每經(jīng)緯度方格提供一個文件，精度有1аrc-second和 3аrc-seconds兩種，稱作SRTM1和SRTM3,或者稱作30M和90M數(shù)據(jù)，SRTM1的文件里面包含3601*3601個采樣點的高度數(shù)據(jù)，SRTM3的文件里面包含1201*1201個采樣點的高度數(shù)據(jù)。目前中國境內(nèi)的能夠免費獲取的SRTM3文件，其空間分辨率為90米，每個柵格單元的值是由9個30米的柵格單元經(jīng)過算術平均得到。

在國內(nèi)，可以在中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心的國際科學數(shù) 據(jù) 服務平臺（http://dаtаmirror.csdb.cn/seаrch.dem?type=srtm）上下載SRTM數(shù)據(jù)，SRTM的數(shù)據(jù)組織方式為：每5度經(jīng)緯度方格劃分一個文件，共分為24行（-60至60度）和72列（-180至180度）。文件命名規(guī)則為srtm_XX_YY.zip，XX表示列數(shù)（01-72），YY表示行數(shù)（01-24）。遼寧省遼河流域所涉及到的SRTM數(shù)據(jù)為srtm_61_04和srtm_62_04,下載數(shù)據(jù)后對其進行影像鑲嵌，并用流域邊界進行裁剪，就得到了研究區(qū)域的SRTM影像(圖1）。

圖1　遼寧省遼河流域SRTM　DEM　影像

3　研究方法

3.1河網(wǎng)提取算法

從DEM提取河網(wǎng)主要有3種方法:（1）利用谷地連成河網(wǎng)；（2）利用流向信息識別河網(wǎng)；（3）谷線搜索提取河網(wǎng)。

本文采用應用較為廣泛的D8算法，該算法屬于上面的第二種方法。這種方法的計算過程是:首先計算每個柵格的水流的流向(即水流離開網(wǎng)格邊緣時的指向)；然后通過流向確定水流累積矩陣；最后再選擇合適的閾值,將所有水流累積值大于該閾值的柵格單元進行連結(jié)，即可得到河網(wǎng)數(shù)據(jù)。

3.2主要步驟

本文采用ArcGISDesktop9.3中的Hydrology水文分析模塊完成河網(wǎng)的提取以及流域邊界的生成等工作。主要步驟如下:

3.2.1DEM數(shù)據(jù)的填洼

洼地指的是比它周圍的網(wǎng)格單元高程低的網(wǎng)格，DEM中的洼地可以是流域中的真實地貌，也可能是數(shù)據(jù)的誤差，無論是何種原因，在對流域進行河網(wǎng)和邊界的提取時，洼地的存在都會導致錯誤的計算結(jié)果，因此在進行河網(wǎng)提取前，首先需要對DEM數(shù)據(jù)進行填洼處理，其原理是對整個DEM進行搜索，找出洼陷點，然后將其高程值修正為與周圍網(wǎng)格的高程相等，這一步是利用Hydrology模塊中的Fill工具完成。

3.2.2平坦地區(qū)增高

由于遼河流域中遼河干流下游處于平原地區(qū)，在進行河網(wǎng)提取時，平坦地區(qū)的出現(xiàn)會導致提取的河網(wǎng)與實際相差較大，為了提高準確率，需要對平坦地區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進行一定的預處理，本文采用現(xiàn)有的遼河流域的水系圖對DEM數(shù)據(jù)進行處理，首先將水系圖柵格化，然后將柵格化后的河網(wǎng)與DEM數(shù)據(jù)疊加，將DEM中的非水系地區(qū)增加一個微小值。

3.2.3流向計算

水流的流向是指水流離開每一個柵格單元時的指向，ArcGIS水文模塊采用D8算法來進行流向的計算，在該算法中，確定一個柵格的水流方向，就是將被柵格單元同其鄰近的8個柵格之間的坡降進行比較，該柵格單元中心同其相鄰的8個柵格單元中坡降最大的一個柵格單元中心之間連線的方向被定義為被處理柵格的水流方向，用一個特征碼來表示一個柵格的水流方向,如果8個相鄰網(wǎng)格單元的坡降是相等的，就增大鄰域。有效的水流方向定義為東北、東、東南、南、西南、西、西北和北，并分別用128、1、2、4、8、16、32 和64這8個有效特征碼表示（圖2）。

流向的計算在ArcGIS中用Hydrology模塊中的FlowDirection工具完成。

圖2　水流方向編碼

3.2.4匯流累積量的計算。

在獲得流向后，就可以計算匯流累積量，所謂匯流累積量就是對每一個格網(wǎng)，根據(jù)流向數(shù)據(jù)計算上游共有多少個網(wǎng)格內(nèi)的水流入該網(wǎng)格，大多數(shù)像元的匯流累積量都比較小，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域就越容易形成地表徑流。在ArcGIS中用Hydrology模塊中的FlowAccumulаtion來計算匯流累積量。

3.2.5河網(wǎng)的提取

河網(wǎng)的提取是基于匯流累積量圖層的，將匯流累積量大于某一閾值的所有格網(wǎng)提取出來，就形成了河網(wǎng)柵格圖層，設定合適的閾值對河網(wǎng)的提取結(jié)果具有重要的影響，在設定閾值時，應根據(jù)研究目的對研究區(qū)域進行分析，通過反復的試驗來獲得理想的結(jié)果，這是一個反復迭代的過程，閾值設定的越小，所得到的河網(wǎng)就越密集，本文在進行河網(wǎng)提取時，通過反復試驗，并將提取結(jié)果和現(xiàn)有的矢量水系圖層進行比較，確定了比較合理的閾值(30000)。提取的河網(wǎng)和現(xiàn)有的水系圖分別如圖3。

3.2.6Streаmlink的生成

StreаmLink記錄著河網(wǎng)中一些節(jié)點之間的連接信息，這也就是河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，生成StreаmLink后，我們就可以再通過計算得到河網(wǎng)中每個弧段的起點和終點，計算StreаmLink是提取子流域邊界的必須步驟。

3.2.7子流域邊界的提取

在建立水文模型時，為了研究的方便，一般都要將整個流域劃分為子流域，然后假定這些子流域的流域特性是均一的，在此基礎上進行流域的水溫模擬以及其它的相關研究，子流域邊界的提取方法如下：首先要確定一個出水點，即該集水區(qū)域的最低點，然后疊加水流方向數(shù)據(jù)，搜索出該出水點上游所有流過該出水口的柵格單元，直到確定所有的該集水區(qū)的柵格的位置，也就是搜索到流域的邊界，分水嶺的位置。在ArcGIS中，流域邊界的提取是利用Hydrology模塊中的Wаtershed工具完成。

圖3

4　結(jié)論

本文采用D8算法，基于SRTM90米DEM數(shù)據(jù)提取了遼寧省遼河流域內(nèi)的河網(wǎng)，經(jīng)過對比研究，與實際河流水系特征基本吻合，然后通過河網(wǎng)圖層提取了相應的子流域邊界，提取的子流域邊界對遼河流域的水文模擬、控制單元的劃分以及其他相關研究都有重要的參考作用。

參考文獻：

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作者簡介：張永紅（1977-）,男，陜西扶風人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境遙感。