遙感技術(shù)在流域提取中的應(yīng)用研究

吳薩納

【摘 要】本文簡(jiǎn)單介紹了在干旱-半干旱地區(qū)的山區(qū)流域以遙感技術(shù)進(jìn)行河流流域自動(dòng)提取的方法，并以中國(guó)最西部的木吒爾特河為例，在ArcGIS軟件中實(shí)現(xiàn)該方法，并對(duì)該方法在西北部山地的適應(yīng)性與可用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】遙感；流域提取；ArcGIS

一、概述

地形是流域最基本的自然要素，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和地理信息系統(tǒng)學(xué)科的發(fā)展，數(shù)字高程模型（DEM）作為地形地貌的數(shù)字化表達(dá)和顯示方式，成為現(xiàn)在空間地理信息研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于水文模型分析、區(qū)域地形地貌特征、區(qū)域數(shù)字地形分析、景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[1]。

中國(guó)的地形地貌多種多樣，在華東地區(qū)以平原丘陵為主，而西北部地區(qū)以高原和山地為主。流域提取技術(shù)在高差相對(duì)較大的地方可以起到較好作用，所以本文選取中國(guó)西北部地區(qū)的木扎爾特河作為研究區(qū)，應(yīng)用ArcGIS軟件與中等分辨率DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字流域自動(dòng)提取，并對(duì)自動(dòng)提取的結(jié)果進(jìn)行探討分析。

二、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

數(shù)字高程模型是數(shù)字流域地形地貌特征呈現(xiàn)的常用表達(dá)形式，描述了研究區(qū)地而高程的分布情況，包含了豐富的水文、地形、地貌信息[2-5]。DEM通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)），它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，是數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，簡(jiǎn)稱DTM）的一個(gè)分支，其它各種地形特征值均可由此派生[6]。

2.2 數(shù)據(jù)下載

首先在Google Earth等遙感圖像視圖軟件上大體確定研究區(qū)域的范圍，然后搜索相關(guān)DEM下載網(wǎng)址（如地理空間數(shù)據(jù)云）下載研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)。為了保證研究區(qū)水系提取范圍正確，應(yīng)該確保DEM數(shù)據(jù)下載范圍比研究區(qū)范圍稍大一些。DEM數(shù)據(jù)的分辨有多種，本文所采用的是中級(jí)分辨率30米，屬于中等分辨率數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)覆蓋面積為10330.4平方公里。

三、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 圖像預(yù)處理

在ArcGIS里打開原始DEM影像，并對(duì)多幅影像進(jìn)行鑲嵌處理使其成為單一影像。

3.2 填洼與削峰

在原始DEM數(shù)據(jù)中，通常都有洼地和尖峰，對(duì)此有兩種基本的解釋：一種是認(rèn)為洼地和尖峰是真實(shí)的地表形態(tài)（如喀斯特地形等），在分析過(guò)程中應(yīng)以有水文意義的方法加以處理[7]。在DEM數(shù)據(jù)中如果存在洼地，會(huì)使水流方向的判定出現(xiàn)紊亂，導(dǎo)致最終提取的結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，所以需要用到填洼處理。填洼一般使用的方法是Jenson和Dominguez提出的八流向填洼方法[8]，該方法原理是若單一像元的周圍高程都大于該單像元，則認(rèn)為該像元為洼地，此時(shí)將周圍像元的最低值賦給該像元，使其平坦；同理，若一個(gè)像元高程均高于其周圍點(diǎn)，則將周圍點(diǎn)中最高的值賦給該像元，使其達(dá)到削峰的目的。

3.3 流向計(jì)算

原始DEM在經(jīng)過(guò)填洼計(jì)算之后，可以直接用來(lái)計(jì)算流向數(shù)據(jù)。流向計(jì)算一般使用D8算法，D8算法的原理是基于水永遠(yuǎn)是向地勢(shì)低的地方下流，所以在DEM數(shù)據(jù)上任一像元周圍可建立8個(gè)點(diǎn)，該像元的水永遠(yuǎn)流向8個(gè)點(diǎn)中高程最低者。

3.4 流量計(jì)算

在確定流向之后，需要對(duì)每個(gè)像元點(diǎn)做匯流量的計(jì)算。匯流的意義在于確定每個(gè)點(diǎn)上游的區(qū)域內(nèi)所有匯入該像元的總量，這是一個(gè)不斷累積的過(guò)程。只有在連續(xù)不間斷的像元中累積足夠量的水，才會(huì)形成地表徑流，成為一個(gè)可以流動(dòng)的河流模型。

3.5 河網(wǎng)提取及盆域分析

經(jīng)過(guò)流量計(jì)算之后，會(huì)在DEM數(shù)據(jù)上形成柵格河流，此時(shí)可以設(shè)置閾值對(duì)河網(wǎng)的精細(xì)程度形成控制。閾值越大，河網(wǎng)越稀疏，只保留徑流量大的河道；閾值越小，河網(wǎng)越密集，會(huì)保留小徑流量的河道。在確定閾值之后，對(duì)柵格河網(wǎng)進(jìn)行矢量化即得到需要的河網(wǎng)水系。ArcGIS軟件通過(guò)識(shí)別盆地間的山脊線，在分析窗口中描繪流域盆地。通過(guò)分析輸入流向柵格數(shù)據(jù)找出屬于同一流域盆地的所有已連接像元組。通過(guò)定位窗口邊緣的傾瀉點(diǎn)（水將從柵格傾瀉出的地方）及凹陷點(diǎn)，然后再識(shí)別每個(gè)傾瀉點(diǎn)上的匯流區(qū)域，來(lái)創(chuàng)建流域盆地。這樣就得到流域盆地的柵格。

四、結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算之后，得到木扎爾特河流域。

4.1 流域高程

經(jīng)裁剪后，得到木扎爾特河單獨(dú)的流域DEM遙感示意圖。可以看出木扎爾特河流域北方外圍邊界高程較高，南方高程較低，整體地勢(shì)呈現(xiàn)出西北往東南逐漸降低。木扎爾特河流域的高程最大值是6843米，高程最小值是1397米，平均高程3713.88米，流域面積達(dá)到3219.97平方千米。

4.2 流域坡度

經(jīng)過(guò)坡度計(jì)算之后，得到木吒爾特河流域坡度示意圖。在坡度分布圖上可以看出在河道周邊的坡度值相對(duì)較高，而河道里面的坡度值相對(duì)最小。其原因是河道底部相對(duì)平坦，而河谷周邊由于河水下蝕而導(dǎo)致的高低落差大，形成坡度值高點(diǎn)集中在河谷周邊的現(xiàn)象。木扎爾特河的最大坡度值為88.66度，最小值為0，平均值為28.62度，標(biāo)準(zhǔn)差為18，表明了流域內(nèi)的坡度差異很大，反映了地形高低起伏陡峭不平，符合山地特征。

4.3 流域河網(wǎng)

對(duì)柵格河網(wǎng)矢量化后得到的木扎爾特河流域水系分布圖。木扎爾特河主干河流1條，大型支流5條，主河道全長(zhǎng)139.6千米，整體上寬下窄葉脈狀分布，上游2條大型支流，中游右側(cè)2條條大型支流，下游有另一條支流匯入，最長(zhǎng)支流長(zhǎng)達(dá)38千米。

4.4 河網(wǎng)分級(jí)

對(duì)于河流匯水累積量的不同，還可以對(duì)河道進(jìn)行分級(jí)管理。設(shè)定不同的閾值可以獲得想要的分級(jí)程度。下圖對(duì)木扎爾特河進(jìn)行1到4級(jí)的分級(jí)。4級(jí)代表匯水量高，對(duì)應(yīng)河流的下游，1級(jí)代表匯水量低，對(duì)應(yīng)河流上游。

五、結(jié)論

基于DEM數(shù)字高程模型的研究已經(jīng)非常深入了，特別是對(duì)于地形地貌的提取與識(shí)別技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域，而流域提取技術(shù)仍然是現(xiàn)在和今后的研究熱點(diǎn)。本文描述了流域提取技術(shù)在中國(guó)西北部地區(qū)的應(yīng)用研究，是對(duì)流域提取技術(shù)適用于干旱-半干旱區(qū)域的一次簡(jiǎn)單嘗試，結(jié)論發(fā)現(xiàn)流域提取技術(shù)在國(guó)內(nèi)西北部應(yīng)用具有良好的適用性，成功提取了木扎爾特河流域面積，河流長(zhǎng)度及流域內(nèi)的坡度分布參數(shù)，并對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了圖片可視化的處理，提高了數(shù)據(jù)的可閱讀性，同時(shí)對(duì)今后在中國(guó)西北部地區(qū)的山區(qū)河流提取提供了一次成功的參考經(jīng)驗(yàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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