不同DEM 數據源河網提取對比分析- 以章江流域為例

陳路明 李明海 嚴 政

（江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州341000）

獲取與真實狀況吻合的河網是建立流域水文模型及進行水文研究的重要前提[1]，水體分布信息的準確獲取對于水資源調查、流域綜合治理、水利規劃、洪水監測與災害評估的領域具有重要的意義[2]。傳統上從地形圖種手動提取河網工作量大且地形圖更新不及時，利用測繪儀器實地采集水系數據準確度最好但成本較高，大范圍內提取水系不適用。基于DEM數據利用水文分析模型自動提取水系，是一種兼顧精度和效率的方法。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

本文選擇江西省贛州市章江流域作為三種DEM數據河網提取河網準確度對比的研究區域。章江流域位于贛州市西南部，其地理坐標為113°54′～115°3′E，25°15′～26°14′N，地處武夷山脈西南麓，包含崇義、上猶、大余、南康和章貢五個縣市級行政區。該地區處于亞熱帶季風氣候區，地形以山地、丘陵為主，地勢起伏較大，植被覆蓋以林地為主。

1.2 數據與數據處理

本文所采用的DEM 數據為覆蓋研究區的ASTER GDEM V2 數據和SRTM3 V4.1 數據，分別獲取于CGIAR-CSI 和地理空間數據云網站，AW3D30 數據下載于日本宇宙航空研究開發機構網站，數據格式均為TIFF。行政邊界數據來源于GADM網站2018 年4 月發布的中國行政邊界數據庫。ASTER-GDEM、AW3D30 和SRTM3 數據都采用WGS-84 參考橢球體的經緯度坐標。研究區域跨越了多幅源DEM影像，水文分析計算累計匯流量需要連續的DEM。所以對研究區內的ASTER-GDEM、AW3D30 和SRTM原始柵格影像，分別在在ArcGIS 軟件中進行鑲嵌，然后利用研究區域邊界進行裁剪得到章江流域的DEM。

2 章江流域河網提取

2.1 水文分析模型簡介

基于DEM提取河網的算法可以分為三種：基于圖像處理的算法、基于地表幾何形態分析的算法、基于地表流水物理模擬分析的算法。單流向算法由于比較簡單得到了廣泛應用，主要是最大坡降法（D8 算法）。D8 算法假設每個格網的水流只有8 個可能的流向，對每個流向用特定的數字編碼，計算中心格網與周圍8 個相鄰格網的距離權落差，距離權落差值最大的格網就是水流流出的方向。以D8 算法為基礎[3]，對流域河網的提取及流域劃分模型也逐漸成熟，如ArcGIS 水文模塊、ArcSWAT、TOPZ 分布式水文模型以及Arc Hydro Tools 等[1]。本文采用ArcGIS 的水文模塊，分別提取三種DEM數據源的河網分布圖。

2.2 提取河網準確度分析

研究區ASTER GDEM、SRTM 和AW3D30 原始DEM 經過ArcGIS 水文模塊填洼后的特征如表所示。三種DEM數據源的匯流面積最大差值為57 平方公里，相對誤差為0.78%。可以認為，三種DEM數據源都能用于統計流域面積。

填洼后研究區DEM 基本特征

為了使提取的河網更接近真實水系，方便與Google Earth水系和國家地理信息與測繪局發布的1:400 萬基礎地理信息圖進行比較，經過多次實驗之后，確定由各DEM提取數字河網時集水面積閾值均取625 平方公里，得到三種DEM提取的河網和國家1:400 萬基礎地理信息河網 如圖。

結合DEM可以看出，在地形起伏變化較大的山地丘陵地段，三種DEM數據源提取的河網都能較為準確的反映河流流向，但是在地勢起伏變化較小的平原地段，隨著DEM數據源分辨率的降低，提取河網與真實河網相比出現的偏差越來越大；在一些地段，甚至會出現非常不合理的河網。AW3D30 的垂直精度最高，但是在一些河段提取的河網也出現了偏差，這是由于AW3D30 發布時間較晚，部分區域缺乏有效數據，采用的插值和數據填充方法還不盡完善，導致DEM數據質量較差。章江之上存在較多數量的大橋，可以看到在大橋處3 種DEM數據源提取的河網都與實際位置發生了微小偏移，這是由于之前填洼時未能排除橋梁和水壩引起的DEM異常。總的來說，AW3D30 提取的河網精度最高，但要注意檢查數據總體質量。

章江流域河網對比

3 結論

本文采用ArcGIS 水文模塊提取河網的方法，用三種可免費得到的最高分辨率的DEM數據，提取了贛州市章江流域的數字河網，并對提取的河網結果進行對比，得出了以下結論：

（1）在地形起伏的較大的地段，ASTER GDEM、SRTM 和AW3D30 提取的河網都能準確的反映河流走向，與真實河網的吻合度高。

（2）從DEM提取數字河網的精度與河道周圍地形有關，地勢越陡，地形越陡峭提取的河網精度越高，地勢越平坦，提取河網的精度越低。在平原和地形平緩的區域提取河網，為了提高準確度，應優先考慮選擇AW3D30 作為源數據。

（3）用地表漫流模型從DEM中自動提取河網的算法是一種理想狀態下的模擬河網，只考慮到地形因素，而實際水系的形成是受多方便因素綜合影響造成的。一般得到的DEM模型，包含了橋梁和大壩等人造地物的高程，這會對DEM水文分析造成異常。因此，要得到符合實際的高精度模擬河網，還應考慮人類活動對自然水流流向的影響，對DEM數據進行修正以及對算法進行相關改進。