基于不同數據源的穎川河流域數字河網提取與對比分析

2016-07-21 09:46:02羅玉恒王曉春

中國水土保持 2016年6期

羅玉恒，王曉春，周　健

(甘肅林業職業技術學院，甘肅天水 741020)

羅玉恒，王曉春，周健

(甘肅林業職業技術學院，甘肅天水 741020)

[摘要]為了研究基于地形圖、DEM和遙感影像三種不同數據源提取的數字河網之間的差異，選取天水市麥積區穎川河流域為研究對象，通過地形圖數字矢量化、Hc-DEM水文分析和遙感影像解譯三種不同方法分別提取數字化河網，并對不同數據源提取出的數字河網進行了對比分析，結果表明：在比例尺相近的情況下，基于Hc-DEM的地形參數提取到的數字河網精細程度最高，但在地勢平坦處會出現較大偏差；通過地形圖矢量化獲得的數字河網脈絡較為清晰，但地形圖數據時效性較差，不能夠全面準確地反映真實數據情況；通過遙感影像解譯采集出來的數字河網時效性好、更準確，但人為因素影響較大。因此，基于三種數據源提取數字河網時，應以DEM數據提取的為準，結合其他兩種數據源，修正由于數據源誤差所生成的錯誤河道，從而提高數字河網的精度。

目前數字化河網研究主要包括生成DEM的數據基礎與方法[1-2]、數字河網提取技術[3-5]、DEM分辨率[6]。這些研究大多數僅針對數據進行研究，而鮮有針對不同的數據源提取出的數字河網進行對比分析的研究[7]。為此，本研究以潁川河流域(包括東柯河流域)為樣本，基于1∶ 5萬地形圖、ASTER GDEM和遙感影像等三類數據源，通過數字矢量化、DEM數據分析和影像判讀等不同方法分別提取數字化河網，以期對不同數據源提取出的數字河網進行分析研究。

1流域概況

天水市麥積區的穎川河屬渭河一級支流，流域地處北緯34°20′～34°30′、東經105°23′～106°40′，流域總面積356 km2，涉及麥積區馬跑泉、甘泉、麥積、伯陽4鎮57村7.7萬人，總耕地面積1.58萬hm2，多年平均降水量580 mm，氣候垂直地帶性和區域性差異顯著。穎川河發源于南部麥積山風景名勝區所處的西秦嶺，源頭處山高谷深、峰銳坡陡，平均坡度30°左右；區內地形復雜，相對高差大，境內西南最高山峰海拔2 234 m，東北最低處海拔1 048 m；北部屬黃土丘陵溝壑地貌，土層深厚，侵蝕強烈，天然植被稀少，水土流失比較嚴重。

2數據源分析

2.1地形圖數據分析

本研究的地形圖由12幅1∶ 5萬的天水地區地形分幅圖組成，采用高斯-克呂格地圖投影技術，等高距為20 m，數據格式為TIFF柵格數據。首先對分幅的地形圖數據進行配準、矢量化，再進行接邊處理，得到研究區的數字河網矢量數據；然后對數字河網矢量數據進行屬性及拓撲檢查，確保數據的準確性和完整性。通過對研究區的圖幅進行數據接邊、數據融合等處理，結合天水市麥積區行政區劃地圖，提取出基于地形圖這一數據源的穎川河流域數字河網矢量數據，見圖1(a)。

圖1　通過不同數據源提取的潁川河流域數字河網

2.2DEM數據分析

本研究使用的DEM數據由ASTER GDEM第二版本(V2)的數據處理獲取，ASTER GDEM是全球空間分辨率為30 m的數字高程數據產品。利用矩形框截取穎川河流域所在區域的DEM數據。利用TIN-DEM的構建不能準確表達地形與地表徑流匯集過程的關系，因而不能完全滿足水文分析的需要。Hutchinson提出了水文地貌關系正確的Hc-DEM的概念[8]，基于Hc-DEM的地形參數提取的數字河網不僅能夠正確地表達地形的連續和突變特征，而且能正確地反映水文要素，如水流方向、水流路徑、水系網絡等，保證提取河流網絡的互相連通，因而其準確性和精度更高。本研究DEM數據源的提取采用基于Hc-DEM的研究方法，生成了30 m分辨率的DEM數據，見圖1(b)。

2.3遙感影像數據分析

遙感影像數據采用穎川河流域2014年航空攝影測量影像資料，分辨率在5 m左右。穎川河流域數字河網的提取采用人工影像解譯判讀的方法進行數據采集。河網實際寬度大于20 m的采用地形線轉圖斑的形式提取，2～20 m寬度的河網采用線狀地物提取，線狀河網寬度通過屬性賦值進行區分。地物解譯由內業人員對影像進行預判解譯，可采用直接目視判讀解譯，也可利用已有土地利用類型數據庫與影像底圖(DOM)套合，參考調查數據進行解譯，并在計算機中依據影像將預判解譯的界線、圖斑、地類等標繪在調查底圖上。通過內業解譯，將能夠確認的地物和界線、不能夠確認的地類或界線，分別用不同的線劃、顏色、符號、注記等形式標繪在調查底圖上，對影像不夠清晰或內業無法判讀解譯的地物或界線，以及線狀河流寬度，由野外補充調查確定，最終繪制出由航片影像數據解譯的研究區數字河網矢量數據，見圖1(c)。

3數字河網對比分析

基于以上三種不同數據源分別提取穎川河流域的數字河網，結果對比見表1。提取結果分析如下:①由1∶ 5萬比例尺的地形圖提取出的穎川河流域河網較為稀疏，但河網脈絡清晰,主干層次分明。地形圖矢量化提取數字河網的精度與地形圖的比例尺有很大關系，本研究采用的1∶ 5萬地形圖精度為5 m，地物精度較粗，因此缺失很多小支流。②由30 m分辨率的DEM數據基于Hc-DEM的地形參數提取的穎川河流域數字河網最為稠密。由DEM數據提取數字河網的精度與當地的地面坡度有關，地勢越陡提取精度越高，地勢越平坦提取精度越低，同時也與DEM數據源的分辨率有關。③由人工判讀遙感影像解譯采集出來的穎川河流域的數字河網最為真實，但由于5 m左右分辨率的影像地圖一般判讀地物的寬度為2 m以上的線狀地物，因此還是會缺失部分河網數據。

表1　基于三種數據源的穎川河流域數字河網特征

4結論

在比例尺相近的情況下，基于Hc-DEM的地形參數提取到的數字河網精細程度最高，但在地勢平坦處會出現較大偏差；通過地形圖矢量化獲得的數字河網脈絡較為清晰，但地形圖數據時效性較差，不能夠全面準確地反映真實數據情況；通過遙感影像解譯采集出來的數字河網時效性好、更準確，但人為因素影響較大。因此，基于三種數據源提取數字河網時，應以DEM數據提取的河網為準，結合其他兩種數據源，修正由于數據源誤差所生成的錯誤河道，從而提高數字河網的精度。

[參考文獻]

[1] 周買春,黎子浩,Jayawardena A W.數值地形圖的生成及其水文地貌特征評價[J].水利學報,2002(2):71-74.

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[3] 俞雷,劉洪斌,武偉.基于DEM的重慶三峽庫區水系提取試驗研究[J].地理科學,2006,26(5):616-621.

[4] 周德民,程進強,熊立華.基于DEM的洪泛平原濕地數字水系提取研究[J].地理科學,2008,28(6):776-781.

[5] 程海洲,熊立華.基于局部地表形態的可變過水寬度多流向算法[J].地理科學,2011,31(2):218-225.

[6] 吳險峰,劉昌明,王中根.柵格DEM的水平分辨率對流域特征的影響分析[J].自然資源學報,2003,18(2):148-154.

[7] 劉遠,周買春,陳芷菁,等.基于不同DEM數據源的數字河網提取對比分析——以韓江流域為例[J].地理科學,2001,32(9):1112-1118.

[8] 楊勤科,賈大韋,李銳,等.基于DEM的坡度研究——現狀與展望[J].水土保持通報,2007,27(1):146-150.

(責任編輯徐素霞)

[基金項目]甘肅省科技支撐計劃項目(144FKCE084)

[中圖分類號]P333