河網分級及其應用

徐華平

（1.安徽省第二測繪院，安徽 合肥 230031）

1 河網組成

1.1 自然對象

水系包括自然河流、溝渠和水體，其實體數據表達為點、線、面，取決于對應比例尺下的寬度、面積指標以及其他特征。單線水系和與其有串聯關系的面狀水系是河網研究的主要對象。自然河流是指地貌低點間水往低處流動的區域，表現為地表水從分水嶺到匯水區域的流動以及在匯水區域內的運動。支流匯入干流，逐級匯入，呈樹狀結構。溝渠是指人工修建的供灌溉、引水、排水的水道。溝渠并非總是沿著匯水區域運動，符合地貌上的水往低處流的特點，地上渠有提水設施。干渠向支渠提供水源，表現為干渠流向支渠，支渠流向毛渠，毛渠流到田間，局部表現為逆樹狀結構。干渠是地面上人工開挖的供引水、排水的主干渠道；修筑正規、渠道較寬，通達幾十公里以上[2]。基礎地理信息數據中干渠隨處可見，不符合數據字典的定義。水體包括池塘、湖泊、水庫、海洋等，是洼地積水的寬闊水面。本文首先構建面狀水系（河流、運河、溝渠、水體）的中心線，形成水系結構線；再與單線水系共同構成完整的河流網絡[3]。

1.2 數據對象

將水系抽象為河流網絡，仍需進一步細化河網的構成。河段是指兩個結點間的有向線，如圖1中8號點與9號點間的有向線。河段高差是指河段中首點高度減去尾點高度，高差為負的河段屬異常，如圖1中3號點到1號點為河段異常。1級河網是指源頭到交匯點的河段。剝離1級河網后，按照1級河網原理標定的河網為2級河網，依次類推。源頭是指河段的首點且懸掛，如圖1中的8號點；終點是指河段的尾點且懸掛，如圖1中的1號點（錯誤的終點）。流經點是指兩條河段的連接點，只有兩個端點在此重疊。流經點異常（如圖1的3號點）說明該處違背了一首一尾的連接方式，經過流經點的河段具有相同的河網級別。交匯點是指3個及以上的河段端點在此重疊，若交匯點均由首點或尾點構成，則屬于異常，如圖1的9號點和7號點。

圖1 河網的數據對象

1.3 主要特點

不積小流，無以成江海。一條條支流，逐漸匯成干流，呈樹狀結構，如圖2所示。終點數遠小于源頭數，因此保證河流終點正確比保證源頭正確的工作量小很多。圖2中藍色方塊表示終點，綠色圓點表示源頭，直觀上也能反映其數量關系。

圖2 河網的樹狀結構

流向錯誤主要表現在3個方面：①河段高差為負數，并使用特殊顏色表示；②流經點是兩個河段的連接點，兩個首點或尾點連接則顯示結點異常；③3個或3個以上的河段交匯處，若均為首點或尾點，標記異常。異常并不總是在第一時間被揭示出來，可能會在剝離1級河網、2級河網后才會出現。

2 算法與程序設計

2.1 算法設計

本文根據樹狀結構、水往低處流、首尾相接等河網特點設計算法。首先驗證每個終點，并標記流經點、交匯點中的異常，標記并提取1級河網；再對剩余數據重復上述處理，標記2級河網；以此類推，直至交匯點為空集為止。

算法的具體步驟為：①目標數據添加字段；②驗證河網終點的正確性，修改高差為負的河段流向；③人工處理流經點和交匯點的異常情況；④標記1級河網；⑤重復步驟②、③、④，分別標記為2、3、…、n級河網，直到交匯點列表為空。

2.2 程序簡介

本文采用的開發語言為Python 2.7，主要模塊為ArcPy。針對ArcGIS的gdb和mdb格式數據由若干功能函數組成，本文將功能函數的調用設計為人機交互式和一鍵式兩種模式。函數的主要功能和形式參數為：

1）刪除字段和增加字段：del_fld_2_fc(workspace'fc'flds)、add_fld_2_fc(workspace'fc flds)。

2）河段端點坐標：hydl_2_ptf_ptl(workspace'fc)。

3）端點重疊個數（含首點、尾點和總端點數）：hydl_2_ptf_ptl_pts(workspace'fc)。

4）結點類型（源頭、終點、流經點、交匯點）：node_type(workspace'fc)。

5）河段高差計算：ptf1_ptl1_dh(workspace'fc'image_file)。

6）1級河網提取：export_fenji(workspace'fc)。

7）分汊河段處理：branching_river(workspace'fc)。

8）綜合調用函數，主要用于一鍵式運行：run(workspace'fc'image_file'flds)。

交匯點為空值時，布爾值為false，終止執行程序；否則持續依次運行上述函數，初始河網值設為1，運行時河網值遞增1。除增加、刪除字段外，其他值根據需要重新計算，如首尾點列表隨河段的改向變化。

2.3 適用范圍

對于自然河流，程序運行效果非常好；而在溝渠密布區域有時會出現逆樹狀結構，通過大量驗證“終點”數據也無法提供對流向判斷的支撐，仍以人工分析為主。

人機交互模式是在河網每次分級前修改程序報出的問題，若某源頭錯判為終點，不及時修改，則無法生成局部1級河網，涉及的2級河網也無法生成，程序會將矛盾和異常記錄在河網數據中，如高差為負值，在結點文件中會記錄結點異常；一鍵式模式是等程序全部運行后再進行問題修改，需考慮該錯誤的影響范圍，易漏改、錯改問題，往往需要運行多次，反復查看比對不同級別河網分級前的異常記錄。

2.4 河網分級原理

1）Strahler法。沒有支流的河流為1級，級別相同的河流交匯后的河流分級將升高1級，不同級別的河流交匯后，保持交匯前的高級別[4]。

2）Shreve法。沒有支流的河流為1級，交匯后的河流分級是交匯前的級別之和。

程序首先生成1級河網，剝離并定名為fc_01；再對剩余數據依次生成2、3、…、n級河網，命名為fc_02、fc_03等。河網分級結果符合Strahler法。

3 實例應用

3.1 數據準備

本文提取安徽省南部某一水系區域，主要利用該區域的DLG、DEM、DOM數據。DLG中的HYDL數據是待驗證的對象[5]。對HYDL數據進行過濾，排除溢洪道、干溝、河道干河等不參與河網分級和流向判斷的要素，并對數據進行線重疊、微短線、自相交、相交打斷處理[6]。河流也有立交的情況，需查看輸水槽和地上渠的情況，避免這些數據的誤處理擾亂（立交不打斷）程序的進行。添加字段為后續分析、計算的結果提供信息載體。

3.2 數據質量測試

驗證“終點”，逐條修改自然河流河段高差為負的區域，并分析其斷在此處的合理性；分析處理全部“流經點_異常”；逐個核實“交匯點_異常”，并將質量測試結果符號化[6]，如圖3所示。

圖3 研究區范圍內部大量的“終點”

1）不合理的終點。可通過延長、連接、添加結構線或改變方向來處理。

2）河流與溝渠混亂。河流與溝渠相交的不合理打斷將干擾河網分級和水系流向的判斷，排查交匯點個數≥4的區域。河流一定在匯水區，不管是否進行了人工修建。跨越河流和不同等高線的、不沿地貌低點流動的就按溝渠對待。

3）河流分汊。交匯點之后新增河段數≥2，則分汊后河網級數與分汊前保持一致，執行了河網分級原理；并標記分汊點供人工結合影像圖來分析。

4）封閉溝渠。類似池塘一樣靜止的水面，沒有水源，也不外流。按獨立水網對待，為1級河網。

3.3 程序運行

一鍵式模式、人機交互模式實際上均歸結為人機交互模式，差別在于及時處理問題或事后集中處理問題。

給定數據路徑后，再計算結點類型，并給出矛盾結點和問題河段，人機交互主要體現在這個環節。首先按提示修改每個問題，再計算結點類型，生成并提取1級河網。如此往復，生成并提取2級河網、3級河網等。若不通過人機交互處理問題，矛盾結點和問題河段將累計到程序運行結束。分級后疊加高程模型的河網分級結果如圖4所示，正常情況下不使用DEM數據。

圖4 河網分級結果

3.4 結果分析

迭代終止的條件是交匯點個數為0或源頭數為0。表1中5個字段有4個字段的數量在大幅減少，唯獨流經點—異常在增加，剝離上級河網后，才顯露問題，這也是通過河網分級解決流向問題的價值所在。終點數不為0，是由于一條河流兩頭都是終點，程序無法為其分級，改正存在的錯誤后程序才能運行徹底。由于存在結點錯誤，初次運行的分級結果并不完全可靠，改正存在的錯誤才能得到滿意的結果。

表1 分級結點類型統計

4 結語

河網分級是解決水系流向問題的手段。通過確保河段終點的正確性，推算結點關系和終點所在河段的高差，可大幅提高解決水系流向的工作效率。