基于DEM數(shù)據(jù)的黑河流域信息提取

先濤

摘 要 流域信息是構(gòu)建現(xiàn)代分布式水文模型及相關(guān)研究的前提。數(shù)字高程模型反映區(qū)域地面高程的分布情況，是提取流域信息的重要途徑。本文利用ArcGIS10.1的水文分析模型（ Hydrology model）及SRTM—DEM數(shù)據(jù)，提取黑河流域水流方向、匯流累積量和河網(wǎng)等信息，簡要分析黑河流域水系現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞 黑河流域 數(shù)字高程模型 ArcGIS 河網(wǎng)

中圖分類號：TV212.5+1 文獻標(biāo)識碼：A

0引言

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是表示區(qū)域地形上的三維向量系列，DEM有地形信息顯示精度高，易實現(xiàn)自動化、實時化等優(yōu)點。應(yīng)用DEM能方便實現(xiàn)地表水文分析。國外應(yīng)用DEM進行流域分析始于20世紀(jì)60年代，在80年代、90年代達到高峰，我國在90年代重點開始對國外相關(guān)軟件研究，近幾年偏向分布式子流域特征的提取。

1 基本原理

1.1研究區(qū)概況

黑河流域是我國西北地區(qū)第二大內(nèi)陸流域，位于河西走廊中部，大致介于 98€？101€？0′E，38€？42€癗之間。對黑河流域水文特征的研究，有利于流域及河西走廊地區(qū)的水文現(xiàn)狀及地區(qū)發(fā)展進行把握。

1.2研究方法

ArcGIS10.1是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）推出的地理信息系統(tǒng)軟件平臺，它的水文分析模型的主要功能是從數(shù)字高程模型中提取地表水文要素的特征信息，并進行分析及可視化顯示。本文根據(jù)DEM數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，以ArcGIS為工具，提取黑河流域水流方向、洼地填充和匯流累積量計算，最終提取黑河流域河網(wǎng)水系。

2數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用黑河流域SRTM-DEM數(shù)據(jù)四景，先鑲嵌處理，再用黑河流域邊界裁剪得到黑河流域范圍DEM數(shù)據(jù)。DEM是比較光滑的地形表面的模擬，且由于自身誤差，使得DEM表面存在一些凹陷的區(qū)域，在進行水流方向計算時，會得到不合理的甚至錯誤的水流方向，因此須先對DEM數(shù)據(jù)進行洼地填充。經(jīng)洼地提取，洼地深度計算后，就可以進行洼地填充，得到無洼地DEM。

3提取黑河流域及其水系

3.1水流方向提取

對于每一個格網(wǎng)，水流方向是指水流離開此格網(wǎng)時的指向。在ArcGIS中，通過將中心上個的8個領(lǐng)域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一值確定。水流方向采用D8算法，即通過計算中心柵格與鄰近柵格的最大距離權(quán)落差來確定。 打開水流計算工具，進行一系列設(shè)置，最后得到水流方向數(shù)據(jù)。

3.2匯流累積量計算

匯流累積量表示區(qū)域內(nèi)經(jīng)過每個柵格的流水累積量。利用水流方向數(shù)據(jù)來計算匯流累積量，其方法為：假設(shè)數(shù)字高程模型每個柵格點處有一個單位的水量，根據(jù)上一步流向分析結(jié)果計算流過每個柵格的水量大小，從而得到匯流累積量。

3.3河網(wǎng)提取

目前河網(wǎng)提取的方法主要采用地表徑流模型：得到匯流累積量之后，假設(shè)每一個柵格攜帶一份水量，那么柵格的匯流累積量就代表該柵格的水流量，當(dāng)匯流量達到一定值得時候，就會產(chǎn)生地表徑流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。進行水流網(wǎng)絡(luò)的提取，關(guān)鍵是根據(jù)水流累積量設(shè)置閾值，通常情況下積水面積閾值設(shè)定的越小，提取的河網(wǎng)分叉越多，河流長度越長。河網(wǎng)的生成，選擇“柵格河網(wǎng)矢量化”，分析得到柵格河網(wǎng)。設(shè)定閥值時，對整個區(qū)域分析并生成一個新的柵格圖層，其中匯流量大于閥值的柵格設(shè)1，否則設(shè)置為無數(shù)據(jù)。閾值設(shè)置為“flowcc”>=5000，得到柵格河網(wǎng)DEM，再經(jīng)過柵格河網(wǎng)矢量化，得到合理的矢量河網(wǎng)（圖1）。

4結(jié)論分析

對由DEM數(shù)據(jù)經(jīng)空間分析得到的黑河流域信息進行檢驗，將提取到的黑河流域水系圖與參考黑河流域水系圖（圖2）進行對比：

兩圖中主要水系的走向、輪廓大致一致，說明GIS環(huán)境下基于DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)的方法具有可行性。誤差分析，兩圖北部水系存在較大誤差，仔細分析不難發(fā)現(xiàn)參考圖西北部雖只有較少水系，但有干涸的水流的痕跡或地貌輪廓。經(jīng)查閱相關(guān)資料，判斷原因如下：黑河流域由于屬于較為缺水的地區(qū)，多年以來中上游修筑水渠截水用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致下游地區(qū)水流量驟減、西北部地區(qū)干旱狀況加劇，一些支流水量逐年降低甚至干涸，而與本文基于DEM數(shù)據(jù)研究流域水系的理論分布情況存在差距。這種人為因素導(dǎo)致理論與現(xiàn)實存在誤差，西北部干涸的河網(wǎng)既是佐證；此外，數(shù)據(jù)本身存在的誤差、數(shù)據(jù)生產(chǎn)年代較早和實測誤差等，導(dǎo)致在參考水系圖上反映的水系并不和理論水系完全吻合。從總的效果看，本文所述方法具有較高精度，而且從下游干涸的支流進一步證實了黑河中上游過量截取水流導(dǎo)致下游河網(wǎng)干涸的嚴(yán)重后果。

參考文獻

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