流域特征參數提取

楊峰峰

【摘要】本文主要考慮運用現代計算機的快速運算能力，提取流域特征參數，通過對大量流域特征參數的提取，可以分析流域之間的差異，本文通過ArcGIS數據處理軟件處理全球共享的數字高程模型（DEM），提取流域的平均海拔、河道平均比降、河道匯流長度、流域形狀系數等，通過計算，數據提取快，且準確度高，因此，通過ArcGIS數據處理軟件可以快速處理DEM數據，流域特征參數的快速提取為水文預報模型輸入參數提供基礎支撐，為開展相似流域的提取，提供了大量的數據來源。

【關鍵詞】ArcGIS；數字高程模型；流域特征參數

在計算機技術迅速發展的時代，利用計算機快速處理遙感及地理信息系統數據成為我們工作的趨勢，利用計算機及軟件技術通過處理DEM數據及遙感數據可以快速的提取流域的特征參數（平均海拔高程、河道平均比降河長、流域表面平均比降及流域植被情況等），為大范圍的快速處理水文基礎數據問題減少了人力物力，且精度高。

1、DEM數據處理

在實際應用研究中，根據研究區域的特點，首先需要對空間數據進行處理，裁剪、拼接、坐標轉換投影、填凹等操作，以便獲得需要的數據，數據裁剪是從大范圍的空間數據中裁剪出我們需要分析的區域，以獲得真正需要的數據作為研究區域，減少不必要的參與運算的數據，提高計算速度。

1.1 裁剪

DEM的數據如果太大，通常的計算機的運算能力不滿足要求，因此需要對DEM數據進行裁剪，美國環境系統研究所（ESRI）公司和美國德克薩斯州奧斯汀大學水資源研究中心聯合開發的功能強大的水文分析模塊Arc Hydro Tools，在Arc Hydro Tools中提供了多種對柵格數據的提取方法，包括點值、多邊形提取，可以獲取需要的柵格數據。

1.2 投影

在數據處理時，需要數據具有統一的平面坐標系，在數據分析之前需要首先統一坐標系，將DEM數據（地理坐標）投影成統一的平面坐標，在中國，通常采用80坐標系，或者54坐標系。

1.3 填凹

在基于 DEM 的河網自動提取過程中，洼地和平坦區是確定水流方向和推求完全聯接的排水系統的主要障礙與挑戰。平坦區是導致出水口不確定和河道平行的主要因素。預處理的目的是將 DEM 中的洼地和平坦區域改造成斜坡，使 DEM 數據反映的地形特征均由斜坡構成。這種處理可使水流能根據地表徑流漫流模型流出流域邊界，也使流域信息提取的后續步驟能正確進行。

2、數字流域的生成

數字流向判定建立在3×3 的DEM 柵格網的基礎上，其方法有單流向法和多流向法之分，但單流向法因其確定簡單、應用方便而應用廣泛。單流向法假定一個柵格中的水流只從一個方向流出柵格，然后根據柵格高程判斷水流方向。目前應用最廣泛的是基于流向分析和匯流分析的流域特征提取技術。Jenson and Domingue （1988）設計了應用該技術的典型算法，該算法包括三個過程：流向分析、匯流分析及流域特征提取。

2.1 流向分析

水流方向是指水流離開每一個柵格單元時的指向。在 ArcGIS 中通過將中心柵格的 8個鄰域柵格編碼，水流方向便可以其中的某一值來確定，以數值表示每個單元的流向。數字變化范圍是1～255。其中1：東；2：東南；4南；8：西南；16：西；32：西北；64：北；128：東北。

水流的流向是通過計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權落差來確定。距離權落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離，柵格間的距離與方向有關，如果鄰域柵格對中心柵格的方向值為 2、8、32、128，則柵格間的距離為 2 的開平方根，否則距離為1。

2.2 匯流分析

匯流分析的主要目的是確定流路。在流向柵格圖的基礎上生成匯流柵格圖.匯流柵格上每個單元的值代表上游匯流區內流入該單元的柵格點的總數，既匯入該單元的流入路徑數（NIP），NIP較大者，可視為河谷；NlP等于0，則是較高的地方，可能為流域的分水嶺。

3、成果與結論

通過ArcGIS軟件可以快速計算流域特征參數，為大量處理水文參數提供了很好的工具，且精度高。還可以處理植被方面的遙感圖片，統計流域植被覆蓋類型及程度，為新安江模型的降雨徑流計算提供了大量的輸入參數，可以使模型預報精度提高，還可以進行不同流域的相似性分析。

參考文獻：

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[2] 熊立華，郭生練，等. 利用DEM提取地貌指數的方法述評[J]. 水科學進展，2002，11： 775-779.