基于DEM流域水系提取研究進(jìn)展分析

宋桃云

（北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

地理信息技術(shù)（GIS）成為了地理學(xué)研究的熱門(mén)語(yǔ)言，地理數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)的重要組成部分。DEM流域提取過(guò)程是獲取地理數(shù)據(jù)的一種方式，可獲得豐富的水文信息，能夠反映地形地貌特征[1]。因此，被廣泛應(yīng)用于景觀設(shè)計(jì)、流域仿真、防洪災(zāi)害、測(cè)繪制圖等領(lǐng)域，是測(cè)繪學(xué)、地理學(xué)、地貌學(xué)研究的熱點(diǎn)。坡面徑流提取河網(wǎng)運(yùn)用廣泛，學(xué)者對(duì)精度提高了要求，通過(guò)改進(jìn)處理方法進(jìn)一步優(yōu)化流域模擬效果[2]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究應(yīng)用相對(duì)較晚，但20世紀(jì)90年代以來(lái)，DEM自動(dòng)獲取流域特征越來(lái)越高效快捷，進(jìn)入流域數(shù)字化迅速發(fā)展階段。

1 DEM預(yù)處理

流域水文分析是建立在無(wú)洼地上的DEM數(shù)據(jù)提取水文特征，但是實(shí)際操作中普遍存在小平原和凹陷洼地，洼地的存在會(huì)阻礙自然水流流向，導(dǎo)致提取發(fā)生錯(cuò)誤。為了確保提取的流域水系是連續(xù)的，要在流域提取之前對(duì)洼地進(jìn)行填充預(yù)處理。

Wang等[2]通過(guò)降低洼地邊緣的柵格單元高程進(jìn)行改進(jìn)，提出了洼地裂開(kāi)法。Lindsay等[3]對(duì)洼地填充和洼地裂開(kāi)法進(jìn)行比較，得到快速有效的處理方式。孔凡哲等[4]認(rèn)為由于輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量低、DEM生成過(guò)程中插值誤差引起平坦區(qū)和封閉洼地，通過(guò)添加高程信息來(lái)消除，使得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)匹配精確。為避免傳統(tǒng)填洼方法進(jìn)行增高處理，李輝等[5]提出一種三方向搜索的洼地處理方法，主要通過(guò)對(duì)洼地和周?chē)W(wǎng)格高程值進(jìn)行增減以達(dá)到目的。曾向輝等[6]通過(guò)在J＆D和M＆V算法基礎(chǔ)上建立改進(jìn)的W＆L算法，對(duì)填洼后DEM升序排序，逐步對(duì)每一柵格進(jìn)行計(jì)算。從上述研究中看出，對(duì)洼地和小平地的處理方法不同直接影響到流域提取效果，雖對(duì)算法有所改進(jìn)，但不確定算法的通用性。

2 流向判斷

地表徑流總是從高地勢(shì)向低流，最后經(jīng)流域出口匯流。常用的單流向法是D8法，通過(guò)計(jì)算中心柵格單元與相鄰8個(gè)柵格的最大距離落差值來(lái)確定。若差為正值，則為流出；否則為流入。

單流向法不適合模擬水流在坡面上漫流情況，會(huì)出現(xiàn)大量平行流現(xiàn)象，接著對(duì)多流向算法進(jìn)行研究，有混合算法、矢量柵格算法等。秦承志等[7]在基于柵格DEM的多流向算法述評(píng)中，根據(jù)水流分配策略，將多流向算法分為4類(lèi)，水流分配權(quán)重隨局域地形特征變化的多流向法精度更高。他提出的（MFDfg）法[8]，水流分配隨著下坡坡度變化，采用最大下坡坡度的線性函數(shù)對(duì)水流分配進(jìn)行加權(quán)，結(jié)果更合理。王玉著等[9]從河網(wǎng)空間形態(tài)和算法效率方面對(duì)比了多流向、R＆N法和D8法，表明多流向具有優(yōu)勢(shì)。需要指出的是，地形因素影響流向，各種流向算法的應(yīng)用要基于一些基本假設(shè)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行考慮。

3 模型與算法

數(shù)字流域提取的軟件工具主要有TOPAZ、RiverTools、ArcGIS。ArcGIS應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大，水文模塊是其很小一部分，以子流域作為流域特征值的單位統(tǒng)計(jì)，對(duì)整體區(qū)域參數(shù)的整理重復(fù)煩瑣[10]。葉愛(ài)中等[11]結(jié)合圖論與水文學(xué)思想，不再進(jìn)行填洼處理，從流域出口直接向上搜索，通過(guò)圖的遍歷確定流向的自動(dòng)提取河網(wǎng)與流域劃分的方法AEDNM。張?chǎng)蔚萚12]針對(duì)早期DEM數(shù)據(jù)缺乏、精度低、覆蓋范圍小等問(wèn)題，建立KH-9數(shù)據(jù)的山地冰川提取流程。趙冰雪等[13]對(duì)山區(qū)水體提取出現(xiàn)的陰影問(wèn)題和河流斷線問(wèn)題提出解決思路，基于OLI和DEM數(shù)據(jù)提取方法簡(jiǎn)單，面狀水體齊全，線狀水體連續(xù)。馬永明等[14]基于SWAT模型探討河道剖面和地形特征對(duì)水系提取精度的影響。

4 分辨率

通過(guò)提取河網(wǎng)，進(jìn)行不同尺度水文模型計(jì)算，存儲(chǔ)地形參數(shù)。張宏才[15]認(rèn)為尺度問(wèn)題具有明顯的制約作用，不同分辨率DEM提取水系有很大差別。康婷婷等[16]以1︰50 000和1︰250 000兩種尺度的數(shù)字化水系修正DEM進(jìn)行對(duì)比，在精度較高、起伏較大的地區(qū)，后者用于修正效果較好。孫愛(ài)立等[17]選取我國(guó)50個(gè)子流域作為樣本，確定最佳集水面積，采用相關(guān)分析和多元性回歸分析，得出閾值與降水、坡度、地表覆蓋的定量關(guān)系。石磊等[18]進(jìn)一步分析高程、坡度、地面粗糙度，來(lái)確定分辨率合理范圍。王英等[19]基于WEP-L模型計(jì)算坡度，利用分形結(jié)合半方差函數(shù)分析低分辨率向高分辨率的轉(zhuǎn)換規(guī)律。李思進(jìn)等[20]基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)集，研究對(duì)黃土侵蝕溝的地形形態(tài)影響因素。需要指出的是，不同分辨率對(duì)提取結(jié)果產(chǎn)生的影響較大，需要找到適宜該地區(qū)的分辨率。

5 地形區(qū)域

流域特征提取研究已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)，在各個(gè)區(qū)域里都有開(kāi)展。徐新良等[21]將全國(guó)流域劃分為14大流域片分別提取。俞雷等[22]以重慶三峽庫(kù)區(qū)為研究對(duì)象，應(yīng)用burn-in算法修正河道及兩側(cè)柵格單元，對(duì)發(fā)生偏差的平坦區(qū)域疊加到實(shí)際DEM中。不僅對(duì)流域，對(duì)城市集水區(qū)域也適用，如楊華容等[23]對(duì)巴中市的研究，左文君等[24]對(duì)城市河網(wǎng)水系提取的研究。對(duì)丘陵山區(qū)等高程地的研究較多，如陳勇等[25]研究丘陵山區(qū)土地平整土方量的計(jì)算；黃晶晶等[26]研究丘陵山區(qū)局地水系提取并討論分形分維特征；吳婕等[27]選擇高山、中山、低山3種地形樣區(qū)，凸顯山頂點(diǎn)和鞍部點(diǎn)一體化提取的優(yōu)點(diǎn)。研究的地形主要以山地為主，逐漸向平緩區(qū)改進(jìn)，但使用DEM對(duì)平緩區(qū)的研究誤差較大。

6 結(jié)語(yǔ)

DEM數(shù)字流域水文特征提取廣泛運(yùn)用于分布式水文模型，今后該研究依舊是熱點(diǎn)，已經(jīng)形成了比較成熟的框架模型和算法，但存在一些實(shí)際問(wèn)題需要考慮：1）流向的判斷中出現(xiàn)平原區(qū)時(shí)較難判斷，單流向?qū)EM原始數(shù)據(jù)要求較高，多流向則對(duì)算法要求較高；2）大量研究表明，DEM分辨率的不同會(huì)產(chǎn)生影響，具體怎么確定分辨率的合理值需要每個(gè)研究區(qū)視實(shí)際情況而定，精度的修正效果沒(méi)有參考值判定；3）現(xiàn)在使用的DEM提取數(shù)據(jù)主要針對(duì)具有高程的丘陵山地等地形，對(duì)于平原區(qū)提取結(jié)果存在較大誤差，人類(lèi)活動(dòng)也影響原始數(shù)據(jù)提取。需要進(jìn)一步對(duì)適用于平原區(qū)、河道及河岸高差不明顯的區(qū)域開(kāi)展研究，產(chǎn)生適合更多不同區(qū)域地貌的方法，為更廣泛的水文分析提供基礎(chǔ)。