基于ArcGIS的數字高程模型縣域水文模擬及可視化研究
——以元江縣為例

李林娜，牛 群

(昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093)

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基于ArcGIS的數字高程模型縣域水文模擬及可視化研究
——以元江縣為例

李林娜，牛 群

(昆明理工大學國土資源工程學院，云南昆明 650093)

基于ArcGIS 10.0、Excel及數字高程模型，分析元江縣縣域內水文特征，提取區域內主要干流及支流進行可視化，計算河流信息，并基于縣域進行水文模擬。結果表明：元江縣水域單一，明顯水域只有元江流域在元江縣內的部分；除自然降水外，元江縣水源不豐富，區域地表破碎度較小。縣域水文分析能為將來水利發展和城市規劃提供參考。

水文分析；DEM；河網；ArcGIS ；元江縣

元江縣與云南省絕大多數地區一樣，處于高海拔、多山脈的少數民族地區。該地區四季高溫，自然災害頻發，經濟發展滯后，正處于產業多樣化、城市擴建和自然條件限制的矛盾中。在以往基于數字高程模型的水文分析研究中，大多以某一水系為研究對象，該水系可能跨越多座城市，對縣域城市的發展研究缺乏參考價值。筆者應用GIS水文分析方法，用數字高程模型提取元江縣主要流域并進行分析，將水文模擬與地形疊加可視化，旨在為壩區建設和擴展提供參考。

1　研究區概況

元江全稱元江哈尼族彝族傣族自治縣，位于云南省中南部，地處元江中上游，地理坐標為101°39′～102°22′ E，23°19′～23°55′ N，東與石屏縣接壤，南與紅河縣相連，西與墨江縣毗鄰，北緊靠新平縣。縣人民政府駐澧江鎮，距玉溪市所在地130.0 km，距省會昆明210.0 km。縣境南北長64.5 km，東西寬71.5 km，總面積2 858 km2。縣內主河流為元江，位于哀牢山東側，貫穿元江縣南北方向。海拔327～2 580 m。縣境內各地年平均氣溫12～24 ℃。縣內礦產豐富，已查明的礦產有金、銀、銅、鈷、鎳、石膏、蛇紋石等，其中鎳礦蘊藏量約53.3萬t，位居全國第2。截至2012年，下轄3街道2鎮5鄉，戶籍人口數，205 744人，少數民族人口166 532人，占總人口的80.9%。經濟呈穩定增長趨勢，近年來第二產業增長率較為明顯，主要以制糖業為主。旅游業以自然風光和歷史文化遺產為主，較為著名的有它克崖畫、元江彩色膏林、哈尼云海梯田。少數民族文化在該縣所占比重較大，在與產業和文化結合的同時也很好地保留了民族特色。

2　數據來源

該研究主要基于數字高程模型數據，即DEM，以絕對高程或海拔表示的地形模型。數字地面模型中地形屬性為高程時，稱為數字高程模型。數據來源于http：//www.gscloud.cn/地理空間數據云，SRTMDEM 90M分辨率原始高程數據。在ArcGIS中，進行數據預處理后，空間參考為Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_34。矢量縣界數據依據地圖圖片底圖配準并矢量化，并統一空間參考與DEM數據一致。

3　研究方法

基于ArcGIS平臺，使用數字高程模型數據進行水文分析。經過填洼、流向提取、流量提取、子流域提取、重分類、河網分級、河流鏈接等過程，并根據實際研究需要進行柵格數據和矢量數據的轉換以及柵格數據的掩模分析，在成熟的算法下，加入人工經驗判斷提取元江縣縣內主流域及附近支流。根據公式計算河流長度、密度等，分析該縣域內主流域的水文情況。最后生成TIN圖與水文數據疊加進行水文數據和高程數據的可視化。研究流程見圖1。

4　流域特征提取及可視化

4.1流域特征提取

4.1.1按掩模提取DEM。按掩模提取是柵格數據裁切的一種方法，用矢量數據裁切DEM柵格數據，裁切結果即為原矢量數據形狀的柵格數據。該研究中，下載后的DEM數據為矩形，大于研究區域范圍，通過事先預處理好的元江縣矢量數據按掩模提取，可得到元江縣的DEM數據。在ArcGIS中按掩模提取柵格，不僅可以用矢量數據作為掩模數據，還可以使用柵格數據作為掩模，但需要考慮2個柵格數據的NODATA值是否影響研究。

圖1　基于ArcGIS的數字高程模型元江縣水文模擬及可視化流程Fig.1　The flow chart of the Hydrological Simulation and Visual Research of Digital Elevation Model Based on ArcGIS in Yuanjiang County

4.1.2填洼。在水文模擬和水文分析試驗中，一般都要對原始DEM數據做填洼。在此之前，首先要計算洼地深度，判斷原始DEM是否可用。計算得到洼地貢獻區域的洼地深度，結合研究區域地形分析，判斷凹陷點是正確的地形反映還是數據誤差[1]。如果是誤差就要進行填洼計算后再使用DEM數據。

該研究區域在云南高原，喀斯特地貌極為普遍，在這種情況下，填洼分析尤為關鍵。需要判斷凹陷點是由地貌引起的合理凹陷點還是DEM誤差造成。DEM誤差和喀斯特地貌的存在使得原本光滑的地形表面模擬出現一些凹陷的區域。在進行水流方向計算時，由于這些凹陷的存在，往往出現不合理甚至錯誤的水流方向[2]。

在ArcGIS中，依靠設置閾值Z來判斷某一像元是否為有效的凹陷點，觀察凹陷點和傾瀉點的高程差值，如果閾值設置為小于該差值，則計算過程中將視為有效凹陷點，即該凹陷為正確的地形反應，不進行填洼。反之，閾值設置的高于凹陷點和傾瀉點的高程差值，則填充該凹陷點。換句話說，閾值Z是凹陷點深度和傾瀉點間的最大允許差值。填洼后的DEM見圖2。

圖2　元江縣經過洼地填充生成的無洼地DEMFig.2　The DEM without depression after filling in Yunajing County

4.1.3水流方向提取。水流方向提取是無洼地DEM生成的第1步。上一步生成了無洼地DEM，水流方向需要重新提取以提升數據精度。ArcGIS中水流方向的提取是基于像元的，是指水流離開該柵格時水流的指向。

假設地表不滲水，地面降雨均勻，那么流域單元上的水流總是會流向最低的地方。ArcGIS中通過對中心柵格周圍的8個柵格單元分別賦值(圖3)。方向值以2的冪指數確定，是為了當柵格流向難以確定時，需要將數個方向值相加，這在后續處理過程中可從相加結果看出相加時柵格領域格網的情況。

圖3　水流流向編碼Fig.3　The coding of water flow direction

在ArcGIS中，水流方向提取輸出值為1～255整形柵格。在圖3中，假設中心單元格最陡下降方向為左側，則賦值為1。當2個方向甚至多個方向發生相同變化，同時為最陡下降方向時，則將這些方向值相加。如中心單元格的左側和下側同時為最陡下降方向，則賦值為16+4=20。元江縣水流方向提取結果見圖4。

圖4　元江縣水流方向Fig.4　Flow direction in Yuanjiang County

4.1.4匯流累積量計算。匯流累積量描述河道水流累積量，通過計算單個柵格單元的流量，再在后續研究中描述整個河道或者河網的流量。在ArcGIS中，匯流累積量通過水流方向數據得到，基本思想是數字高程模型中每個柵格均有1個單位水量，根據水自高向低流的自然規律及水流方向計算每個柵格流過的水量總數[3-5]。在計算過程中，由于降水、土壤及植被的影響會造成地表水分布不均，在ArcGIS中可以對每個柵格賦權重，以更詳細地模擬水文特征。元江縣匯流累積量見圖5。

圖5　元江縣匯流累積量Fig.5　Flow accumulation in Yuanjiang County

與其他區域水文模擬相比較，元江縣盆域較單一，只有1個主要的流域盆地。以此推測，元江縣水域基本水流來自元江水系。因此，該試驗可以不再做盆域分析，因為盆域分析將會計算出多個極小盆域，使水文模擬過程復雜且對結果無意義。

4.1.5匯流累積量數據重分類。匯流累積量計算得出的數據繁瑣，存在多條現實中并不存在的河流。可以將這些多余的河流考慮為地下水或者是試驗誤差。該試驗為地表水模擬，因此無需保留所有水文信息，只需要依據現實情況和經驗提取出地表存在和必要的水文信息。

在ArcGIS中通過重分類，該試驗提取了匯流累積量大于5 000的區域。該步驟的關鍵在于設置重分類閾值。首先，根據經驗，主干河道必須提取又不能保留過多末端支流，一般閾值數應至少是4位數。在河流發育較好且盆域多的區域一般是5位數。其次，根據實地情況，元江常年高溫，蒸發率高，降水充沛，一區跨熱帶、亞熱帶、北溫帶、南溫帶、寒帶5個氣候帶。因此，雖然在上一步匯流累積量計算出最大流量為206 139，但由于元江區域水文、地形及氣候條件差異大，設置閾值時不能過大。最后，根據元江只有一條主要干流，流域單一，閾值設置4位數。試驗提取匯流累積量大于2 000和大于5 000，并結合地形和實地情況進行對比分析。最終選取匯流累積量大于5 000的重分類數據(圖6)。

圖6　提取匯流累積量大于5 000數據Fig.6　The data of flow accumulation greater than 5000

4.1.6河流鏈接。河流鏈接主要是為后續研究提供數據依據。河流鏈接記錄河網信息，可得到每條弧段的起始點和終止點一級該匯水區域的出水點[2]。河流鏈接對水量、水土保持的研究具有重要意義。

4.1.7河網分級。河網分級是用數字標識的方法劃分級別，數字越大，級別越高。河網分級依據當地地形情況和水文匯流累積量。級別最低為支流，反之最大的可能是河流主干。該步驟不僅可以直觀地分析流域水文分級情況和支干流情況，還可以根據水文形狀和分級情況驗證前面匯流累積量提取和重分類的正確性。

ArcGIS中提供了2種方法進行河網分級，即Strahler和Shreve方法。筆者應用了Shreve方法。Shreve方法(圖7)是將所有末端支流弧段定義為1，往后的每條弧度為前面匯入河網弧度的級別之和。如2條末端支流弧度匯入同一條新弧度，則該新弧段級別為2；再如1條2級弧段和1條3級弧段匯入同一弧段，則該新弧段級別為5。這種分級方式，分級到最后出水口位置時，其河網級別數是該河網中所有1級河網弧段個數。該試驗將河網分級為14級。

圖7　河網分級Fig.7　Classification of river network

4.1.8柵格河網矢量化。柵格河網矢量化主要是為了后續的研究和可視化，步驟簡單。在ArcGIS中用柵格轉矢量工具就可以完成，矢量化后的河網如圖8所示。矢量河網可以計算河流長度和溝壑密度，且可編輯性強，可應用于其他研究。在該研究中，選擇矢量河網進行可視化研究主要是由于其可以調節弧段屬性，以增加視覺效果。

圖8　矢量河網Fig.8　The vectorgraph of river network

4.2可視化可視化研究是基于TIN圖和河網矢量圖疊加生成。縣域水文模擬不能只停留在數據計算結果。元江縣處于高海拔地區，高程差異大，且為多壩區。人類生活環境復雜，區域水源流動方式復雜。通過可視化研究，可脫離宏觀數字的復雜性，直觀反映河網流經區域和高程及人類聚集地的關系。在后續研究中加入其他要素，與該圖疊加，不僅可以直觀地體現出各要素間關系，還便于空間分析。

元江縣河網分布如圖9所示，干流分布在高程較低的位置，河網基本位于山谷處。按照人類聚集地分布經驗來看，元江縣城市區域處于低海拔地，城市生活用水大部分來源于流經沅江縣的元江流域干流。在后續研究中，可以疊加現有城市分布位置，研究城市分布和河網的關系，結合環保、大氣、土壤等因素在城市規劃中起到更好的作用。

圖9　元江縣河網分布Fig.9　Distribution of river network in Yuanjiang County

5　流域水文特征分析

5.1河網長度在ArcGIS中，將柵格河網矢量化后屬性表中自動統計各級河網長度，再加以統計。結果表明，由于Shreve河網分級的規則會出現缺乏某些級別河網的情況，元江縣匯流累積量大于5 000的河網中，末端支流占比重最大，根據Shreve分級方法可知，該河網缺乏4、5、10級河網(表1)。

5.2溝壑密度溝壑密度或稱切割裂度，是指每平方公里內侵蝕溝(或水文網)的總長度，以km/km2表示。溝壑密度的大小與降水、徑流特征、地形坡度、巖性、土壤的抗侵蝕性能、植被狀況及土地利用方式等有關，也是水土流失狀況的方式，可作為水土流失等級劃分的參考指標，也是衡量地表破碎度的指標。計算公式見式(1)。

表1元江縣匯流累積量大于5 000的河網長度分析

Table 1Analysis of river network length with flow accumulation is greater than 5 000 m in Yuanjiang County

級別Grade河流長度Riverlength∥m百分比Percentage∥%1109181.040400048.27236573.495180016.17330314.416550013.40689.991382440.047179.982764900.0884095.603891001.7995554.726205002.46118947.772033003.961289.991382440.04139253.157605004.091421947.885280009.70合計Total226228.06270000100

(1)

式中，Ds為溝壑密度；∑L為研究區域內溝壑總長度；A為特定研究區域的面積。

使用ArcGIS得到元江縣矢量面積為2 718 391 180.91m2，換算為2 718.39km2。依據上式計算得到元江縣匯流累積量大于5 000的河網溝壑密度為8.32×10-5km/km2。

6　結論

(1)基于ArcGIS10.0軟件，應用數字高程模型分析元江縣縣域水文特征，提取區域內主要干流及支流，并進行可視化，基于縣域進行水文模擬，不僅打破了傳統跨區域研究某流域完整流域或部分流域的思路，并且從縣域規劃和城市擴展角度提出縣域流域和城市居民地等的關系，為后續在水文和城市發展關系研究中提供參考。從元江縣水文信息分析和縣域水文提取方面得出結論，提出了與傳統水文模擬的不同思路。

(2)通過元江縣河網生成以及匯流累積量大于5 000的河網提取，得出以下結論：①元江縣水域單一，明顯水域只有1個。經過對比分析該水域為元江流域在元江縣內的部分。②元江縣內水域干流位于海拔較低位置，結合人類居住環境發展分析，該流域干流與人類生產活動關系密切，在今后的城市擴展中能更好地利用元江水源。③匯流累積量大于5 000的河網溝壑密度較小，可以得知，除自然降水外元江縣水源不豐富，區域地表破碎度較小。④基于DEM的縣域水文分析過程中，水域的取舍是一個關鍵過程，一般經過盆域分析后，較小盆域需要舍去，但是判斷為干流的流域都要保留。這一點和某流域水文模擬研究不同，這種研究通常不考慮區域問題，只是提取完整的干流，區域內其他流域都要舍去。⑤提取的河網不可能完全保留，設置閾值是否合理與經驗相關。元江縣流域單一，閾值不宜過大。閾值的設置還與當地降水、植被、蒸發量相關。

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County Hydrological Simulation and Visual Research of Digital Elevation Model Based on ArcGIS—A Case of Yuanjiang County

LI Lin-na, NIU Qun

(College of Land Resources and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093)

Hydrological features in Yuanjiang County were analyzed based on ArcGIS10.0, Excel and Digital Elevation Model. The main stream and tributary were extracted to realize visualization and to calculate river information. Hydrological simulation was carried out based on county region. Results showed that Yuanjiang County had single water area. Except natural precipitation, water resource was not abundant in Yuanjiang County; fragmentation of regional surface was relatively small. County hydrological analysis provided references for the water conservancy development and urban planning in future.

Hydrological analysis; DEM; River network; ArcGIS; Yuanjiang County

李林娜(1992-)，女，回族，云南昆明人，碩士研究生，研究方向：地圖學與地理信息系統。

2016-05-26

S 181

A

0517-6611(2016)20-049-04