基于DEM數據的羊圈溝流域水系網信息提取研究

[摘 要] 本文以陜西省延安市羊圈溝流域為研究區，基于羊圈溝流域的SRTM-DEM數據，采用ArcGIS10.2中的Hydrology水文分析模塊，對該流域的水流方向、水流長度、流量以及河網和流域分級的信息進行提取和分析，其中也確定了閾值的大小將直接影響流域水系的提取，同時驗證了SRTM-DEM數據在水文分析中的應用價值，為該小流域開展的關于土體侵蝕強度以及溝道和坡面治理工程的生態安全保障技術集成的課題提供了研究基礎，具有一定的參考價值。

[關鍵詞] SRTM-DEM數據;Hydrology;水文信息;羊圈溝小流域

[中圖分類號] P332 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2019）10-110-2

本文核心思想是借助DEM這種數字產品和處理平臺來提取研究區所需的水文信息。從數據角度出發，DEM數據內容豐富，包含了水文、地形等重要信息，獲取方式相對容易。另外，其技術路線相對成熟，通過DEM數據提取出水流長、流向、水流匯聚量、流域邊界等信息，借助Hydrology模型可以綜合計算得出所需的信息。本文就是GIS空間分析功能在流域水系信息提取中的應用，將研究思路從傳統的流域水文統計模型轉向了基于地理信息技術和傳統水文模型集成的新的分布式水文分析模型。在傳統的水文分析研究中，流域的提取是一個重要的方面，而對流域提取一般采用通過野外實地測繪作業來展繪水系網及獲取水文信息，或者通過地形圖等已有的圖件資料來展繪水系網[1]。然而，這兩種方法的實際操作比較困難，很多險要的地方無法正常進行實地測量。另外，人力、物力、財力投資巨大。所以，通過DEM數據來獲取相關信息對于水文學研究具有很重要的意義。

1 研究區域概括

研究區域為陜西省延安市羊圈溝流域，位于延安市李渠鎮，地處109°31′～109°71′E、36°42′～36°82′N。羊圈溝流域海拔在1 050～1 295 m，面積200多km2。地貌以黃土梁和黃土溝為主，屬典型黃土丘陵溝壑區。區域氣候為半干旱大陸性季風氣候，年平均降水量535 mm，降水多集中在7—9月，約占全年降雨量的79%;年日照時間2 528.8 h，年平均氣溫9.4 ℃，氣溫年較差29.4 ℃，≥10.0 ℃的活動積溫2 500.0～3 400.0 ℃。土壤主要是黃綿土，土壤在抗蝕性方面差，水土流失嚴重，植被破壞情況嚴峻，坡耕地、果園、草地和林地為主要土地利用類型。

2 數據與研究方法

2.1 數據信息概括

本文通過在地里空間數據云中下載30 m分辨率的STRM-DEM數字高程模型數據，根據GPS實地采集的位置信息，下載獲取N36-E109一景數據，并用邊界線掩膜提取所需的數據。借助ArcGIS10.2desktop平臺，聯合開發內嵌于ArcGIS的Hydrology模塊構建和提取黃土高原地區羊圈溝流域的水文信息。ArcGIS Hydrology模塊核心的水流水系提取的算法是經典的D8算法，通過把DEM數據以柵格的形式表達，對于每個柵格點和周圍8個點的柵格數值進行計算，對計算結果做出判斷來確定流向，以計算點的匯集水量的閾值來確定河道起始點和所要生成的數字水系[2]。

2.2 DEM處理技術路線

DEM處理技術路線如圖1所示。

3 實驗設計

3.1 數據的預處理

對所選的ASTGTM_N36E109一景DEM數據進行范圍處理，按照經緯度左上N36°44′13″E109°29′38″至右下N36°41′37″E109°32′17″進行矩形裁剪。DEM數據本質上是連續光滑的表面，但是由于真實的地形存在起伏，導致DEM數據會存在一些凹陷區域從而產生誤差，所以在計算前需要進行數據的預處理、填充洼地。

3.2 流向提取

通過把DEM數據以柵格的形式表達，對于每個柵格點和周圍8個點的柵格數值進行計算，對計算結果做出判斷來確定流向。

3.3 匯流累積量

從DEM中提取匯流累積量是一個關鍵的過程，其中包含對于柵格數值計算是閾值的選取，閾值的確定直接影響了該點水流匯聚量和水流模擬流向結合計算所得的水系的矢量提取和流域分割問題。

3.4 水系河網的矢量化提取

目前，河網提取方法主要采用地表徑流漫流模型，該模型用于提取河網的核心思想是通過計算之前的匯流累積量，其數值達到設定的閾值，就形成了地表徑流水，以此類推，所有大于該設定的閾值的柵格水流點都可以形成表面的水流徑流，然后逐步構成了流域的河網信息。具體所需的設定參數有匯流累積量數值、閾值、河網柵格化、柵格河網矢量化。

3.5 基于匯流量的流域分割

水系集水的區域被稱作流域，是指表面的所有徑流數據匯聚在一個公共的區域，該區域的出水口排除水流從而形成一個集中的區域，也可以用流域盆地、集水盆地或水流區域等來表述。其中，基于Hydrology模塊的流域分割有如下幾個重要步驟：①生成流域盆地（流向信息）;②柵格計算匯水口、出水口;③集水流域的生成。

4 實驗結果分析

本文利用ArcGIS平臺，采用其中的Hydrology模塊，以STRM-DEM數據為研究數據源，對羊圈溝流域水文網信息進行提取和處理，獲取相應的研究信息。采用數字高程模型數據和ArcGIS水文分析模型來提取和獲取水系、流域的水文信息，在效率上比傳統的做法有了很大的提高，應用十分廣泛，其提取的基礎信息可以作為基礎數據支撐。唯一存在的問題是從數據的分辨率角度出發，獲取的結果會有不同的誤差和區別。本文的實驗結果也表明了積水量的閾值對于水系的提取結果有很大影響，閾值越小，河網水系分叉流向越多，水系密集;閾值設定越大，水系越稀疏。實驗結果和分析結果均表明，DEM數據可以有效提取所需的水系網柵格和矢量數據，能反映出相關的信息量，與實際情況的水系分布大致接近，且得到的河網水系信息可直接作為模型運算參考的參數，而且可以提高運算效率，可以減少獲取數據所花費的成本。

參考文獻

[1]楊華容，文路軍，彭文甫，等.基于DEM和GIS的流域水文信息提取：以巴中市為例[J].人民長江，2016（8）：34-38.

[2]李勇，于宏兵，艾麗娜，等.Arc Hydro模型提取流域水文信息及精度分析：以松花江流域為例[J].水資源與水工程學報，2013（6）：120-123.