DEM分辨率對數字河網提取的影響

薛美平++褚亞杰+謝子波++曹晴

【摘 要】論文簡要介紹了GIS中DEM構建及數字河網提取的原理和方法并應用于崇陵流域。將兩種不同分辨率下（5m 和30 m）提取的河網進行對比分析，結果表明：分辨率對流域的拓撲學特征有著明顯的影響，在實際運用中要根據流域的地形地貌特征選擇合適的分辨率。

【Abstract】This paper briefly introduces the DEM structure and the extraction principle and method of digital network in GIS ，and applies these two in Chongling river basin. Two different resolutions （5m and 30 m） extracted river network were analyzed， the results show that the resolution has significant effect on the topology characteristics of basin， we choose the appropriate resolution need to accord the topographic features of the basin in the practical application.

【關鍵詞】DEM； 分辨率；GIS； 數字河網

【Keywords】DEM； resolution； GIS； digital network

【中圖分類號】P284 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0121-04

1 引言

數字高程模型（DEM）是地表形態和高程屬性的數字化表達，一般來說，DEM主要是通過野外數據采集等方法獲取原始數據，然后進行內插和矢柵轉化形成的[1]。利用流域的DEM數據構建數字水系模型并提取流域水文特征，是分布式水文模型的重要基礎[2]。因此，不同分辨率的DEM對提取過程的影響分析就至關重要。

基于DEM地形特征的尺度效應對于地學模型分析和真實地形情況反映的精確程度有重要影響，具體包括空間尺度、時間尺度和屬性尺度。目前，關于水系方面的尺度效應研究主要集中在時空尺度，因為數據精度不同，模型建立、研究方法、水系提取結果也不同[3]。

關于DEM尺度效應的研究主要集中在兩方面：

一方面是多尺度DEM數據組織、表達及其應用；

另一方面是重點研究DEM尺度所引起的不確定性問題[4]。

大量研究表明，不同尺度（分辨率）的DEM將直接決定所提取的數字河網水系的結構，并對水文模擬產生重要影響，如使坡度平坦化，徑流匯水長度減小，流域面積增加、削弱洪峰量，使洪峰到達時間滯后等。

論文利用ArcGIS的相關工具，從河北省崇陵流域的等高線圖中分別提取了分辨率為30m、5m的DEM，然后在此基礎上提取了流域的數字河網，并分析不同DEM分辨率對提取的數字河網產生的影響。

2 研究區概況

崇陵水流域屬北易水支流旺龍河的一支勾，在行政區劃上屬河北省易縣良格莊鄉管轄，位于E 115°21′，N 39°23′，流域內有2個自然村。流域面積6km2，流域長4.4km，流域平均寬1.5km，主要溝道自西向東依次為揚樹溝、萬畝林溝、狼尾巴溝，它們在崇陵附近匯合后叫崇陵水，向南注入旺龍河；主溝長度5.5km，溝底平均比降為23% ，全為砂礫溝床。流域地勢： 西北高東南低，地形起伏度不大，海拔在85～300m之間，山頂高度變化一般都在50～150m之間，最高為180m。這里由花崗片麻巖組成的山丘，多呈渾圓狀，坡度較緩多為100°～250°，但由石灰類組成的山嶺，坡度較陡，多在250°以上。

為探索太行石質山區水土流失規律及小流域綜合治理效益，研究行之有效的水土保持治理措施，為小流域綜合治理提供科學理論依據，使其盡快發揮其較高的經濟效益和生態效益，崇陵流域高程模型的建立和數字河網的提取是研究的基礎。

3 研究方法

隨著GIS技術的不斷發展和研究領域的不斷開拓，各類GIS軟件在我國防治水土流失、城鄉規劃、資源預測等方面發揮著越來越重要的作用。ArcGIS是由美國環境系統研究ESRI開發的GIS軟件，具有優良的軟硬件環境，能夠客觀地表達各種地理空間數據模型，是涉及空間數據分析的學科研究的重要手段，其具有的高效、精確且成本較低的特點，相比以往傳統手工作業方式大量人力、物力長期的投入更具有優勢。

在ArcGIS的工具箱中對基礎高程數據內插創建TIN，并轉化為柵格數據，DEM的構建完成；此后，由ArcSWAT模塊對其完成河網的提取和流域的劃分工作，簡單易于操作。

在提取崇陵流域河網水系時利用了30m的DEM及等高距為5m的等高線數據為依據，通過ArcGIS建立分辨率為5m的DEM模型，再通過ArcGIS中的水文分析工具：填洼、流向分析、匯流累積量計算、河流網絡提取等步驟，提取得到不同精度的DEM下該流域的河網水系，并對比分析不同水平分辨率對于研究范圍內水文分析結果的影響。

3.1 DEM的構建

當前，在構建DEM模型時，獲取相關平面位置和高程數據的方式有：野外測量、航空航天遙感影像和現有地形圖數字化等方法。野外測量實際地形獲得DEM的方法雖然地形數據準確，但是工作量大且費用較高；航空攝影的方法是現行方法中使用效率較高的方法，具有獲取信息范圍大、精度高、方便高效的特點；地形圖作為數據源具有豐富和廉價的特點，對于地形圖應先將其各要素進行數字化處理再利用數學建模方法內插生成該地區的數字高程模型[5]。在本研究中，5m分辨率的DEM即是由數字化后的等高線數據處理得到，然后對該流域做水文分析，研究區的像元值即為等高線的高程值。

根據DEM應用的目的不同，ArcGIS提供了不同的表達方式，現在使用最多的有三種表達方式：規則網格模型、不規則三角網模型（TIN）和等高線模型。規則網格模型的原理是利用規則的小矩形或小三角形來代替表達不規則的實際地形情況，而不規則三角網模型是由區域內代表地形特點的點相互連接成的三角面網。與規則網格模型相比，TIN要復雜得多，但是也具有較少的點可獲取較高精度的優點。TIN模型可以根據地形起伏變化的復雜性改變采樣點的密度和決定采樣點的位置從而避免大量不必要的數據采集[6]。所以在本次崇陵流域地區的DEM構建中采用構建不規則三角網的方法，利用已有數據建立地形特征明顯的更加接近真實地貌特征的數字高程模型。

DEM如圖1（a、b）所示。

3.2 流域數字水系提取

DEM是對地形地貌的空間特征進行描述的一種數字方法，它的應用廣泛，遍及整個地學領域，如坡度、坡向、可視性分析和水文分析等。

由DEM提取流域的河網具體包括以下幾個步驟。

①洼地填充。由于DEM可能存在數據采集誤差，造成水流倒流等現象，影響水流方向的追蹤，所以必須對不合理的洼地進行填充處理，并對真實存在的洼地進行保留，使每個單元格都有一個確定的水流方向。洼地填充之前首先進行洼地深度的計算，并設置合理的填充閾值，當洼地深度大于該值時予以保留，小于該值時則要進行填充處理，得到實際無洼地數據。

②流向分析。水流確定的方法主要有六種： 單流向法、多流向法、RH08法、DMON法、ERS法、Aspectdrive法，論文采用單向流法，通過計算中心柵格與周圍八個柵格的最大距離權落差確定，根據坡度最大的方向為水流方向，確定最大值即為中心柵格的流向。

③匯流累積量的計算。DEM的每個格網上都有一個單位的水流量，根據上一步提取的水流方向即可計算出每點處所流經的水量數值，得到其匯流累積量。匯流累積量的值又代表上游流入該單元的柵格點數目，柵格點的數目越大則此單元就越可能是發育河流的位置，柵格點的數目為零則表示該單元的相對高程較高，例如分水嶺。

④河流網絡的提取。設置閾值，對匯流量進行篩選，將大于該閾值的點提取出來，大于500即賦值為1，否則為0，從而得到柵格河流網絡，進一步矢量化，提取結果如圖2（a、b）所示。

4 提取結果分析

兩種分辨率的DEM提取的河網的源頭均位于流域的西北方向，流域出口均位于流域的南東方向。從圖2可以看出，30m分辨率DEM提取的河網和實際的河網相比較，不同之處有兩點：

第一，有些細小的支流或支流局部由于在構建流域高程模型的過程中會通過Arcgis技術對流域進行離散處理，使流域的地形平坦化，其高低起伏的復雜程度降低，

從而不易被提取到，所以河流的密度以及河流的長度都比實際流域的小；

第二，也有部分提取的河流與實際河流的位置有相對的錯動。而5m分辨率DEM提取的河網和實際河網相比，

最明顯的不同之處在于提取的河流長度比實際河流長度小。

對比兩組結果發現：隨著分辨率的降低，流域的面積變化基本不大，干流的分布也基本一致，但是提取的河網結構由簡單變復雜，河流的數目由多變少，河網密度也由大變小。這是因為高分辨率的DEM能夠更加有效、細致地表達出高低起伏的地形，提取的河流總長度更長，即高分辨率的DEM提取出的水系更加接近實際的流域水系，特別是支流部分與實際情況更吻合。這種由分辨率不同而引起的河網的差異，在地形復雜的山丘地區更加明顯，因為山區發育一系列的溝谷，低分辨率的DEM往往不能表達細小的沖溝、切溝，而這些沖溝、切溝很可能會發育一級河流，所以基于低分辨率DEM提取的河網往往一級河流被忽略，而在地勢平坦、坡度變化緩慢的平原，這種差異相對就小很多。這種差異在圖2（a）中體現在，流域西北部提取的河網與實際流域的相似性較高，而東南部提取的水系與實際流域的相似性就相對低些。

5 結語

論文運用ArcGIS技術，基于不同分辨率（5m和30m）的DEM提取了崇陵流域的數字河網，并分析由于分辨率的不同，導致的數字河網水文特征的不同。

結果表明：精度高的DEM提取出的數字河網確實較精度低的DEM的提取結果更加接近實際真實情況。地形的高低起伏和坡向等因素都決定著河流的流向以及流量的大小，分辨率越高的DEM所表達的地形地貌特征與真實情況越接近，從而河網的提取結果與真實值越接近。但是，對于不同的地形特點隨著DEM精度的提高河網提取的結果與真實值接近的情況也不同，所以，在實際的運用中，要根據實際的需要選擇合適的分辨率，盡量用較小的精度滿足實際的需要，既能減少工作量又能降低工作成本。

我們這里只是指出同一小流域不同精度DEM下的提取結果，對于大面積流域和不同地形情況下的研究還需要進一步分析。

【參考文獻】

【1】宋曉猛，張建云，占車生，等.基于DEM數字流域特征提取研究進展[J].地理科學進展，2003，（32）01：67-68.

【2】張宏才.不同尺度數字高程模型提取水系的尺度效應[D].西安：西北大學，2004.

【3】湯國安，劉學軍，房亮，等.DEM及數字地形分析中尺度問題研究綜述[J].武漢大學學報（信息科學版），2006（12）：1059-1066.

【4】郭超穎，畢華興，陳濤，等.基于DEM的馬蓮河流域數字地形分析[J].中國水土保持科學，2008（01）：101-106.

【5】黃沛.基于空間信息技術的流域分布式水文模型構建方法研究[D].武漢：華中科技大學，2007.