基于主干河流修正TIN構(gòu)建的DEM平原區(qū)河網(wǎng)提取

王官勇，戴仕寶

（滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000）

基于主干河流修正TIN構(gòu)建的DEM平原區(qū)河網(wǎng)提取

王官勇，戴仕寶

（滁州學(xué)院 地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000）

平原地區(qū)的河網(wǎng)提取一直是基于數(shù)字高程模型（DEM）的水系提取的難點(diǎn)。嘗試?yán)弥鞲珊恿餍拚灰?guī)則三角網(wǎng)（TIN），以提高DEM平原地區(qū)地形模擬的精度（基本方法為利用已存在的主干河流線，對其所經(jīng)區(qū)域進(jìn)行高程賦值，約束TIN的構(gòu)建，然后進(jìn)行DEM模擬），基于此進(jìn)行平原區(qū)河網(wǎng)提取。實(shí)驗(yàn)表明，此種方法下，平原區(qū)提取的主干河流與實(shí)際河流有較大的吻合。

主干河流修正；TIN構(gòu)建；DEM；平原區(qū)河網(wǎng)提取

在基于DEM河網(wǎng)提取中，平原地區(qū)的河網(wǎng)提取一直是難點(diǎn)。在平原區(qū)，基于常規(guī)DEM構(gòu)建方法生成的DEM提取的河網(wǎng)與地表實(shí)際河網(wǎng)常常相差甚遠(yuǎn)。李昌峰等的研究表明［1］，當(dāng)坡度小于3°時，由常規(guī)DEM中提取的流域自然水網(wǎng)與實(shí)際的水系有誤差，需要進(jìn)行糾正處理。其他許多學(xué)者也對此問題有實(shí)踐發(fā)現(xiàn)。李麗等［2］、孫崇亮等［3］以及其他多位學(xué)者介紹了一些國內(nèi)外的處理方法?？傮w來看，一是基于DEM及其源數(shù)據(jù)本身，在算法層面上進(jìn)行研究，以期在現(xiàn)有數(shù)據(jù)條件下提高DEM模擬精度；一是在河網(wǎng)提取算法上進(jìn)行探討；另外，引入約束數(shù)據(jù)，對DEM進(jìn)行約束，則是比較簡單實(shí)用的思路，其中，使用高分辨率數(shù)據(jù)源對DEM局部進(jìn)行精度加強(qiáng)或水流方向約束及利用實(shí)際河網(wǎng)或主干河流對DEM進(jìn)行“Stream burning”是比較常見的方法。

郝振純等［4］、晉華等［5］將主干河道作為約束條件，俞雷［6］等將實(shí)際河網(wǎng)作為約束條件，進(jìn)行DEM河網(wǎng)提取，取得了較好的效果。Matthew等研究表明［7］，對DEM進(jìn)行修正后可以有效地提高水系提取的精度特別是在平原地區(qū)。但在目前普遍使用的對DEM進(jìn)行修正的方法中，或多或少地都存在一些問題。如Matthew等的研究發(fā)現(xiàn)，有時候會在下游方向有一個“壩”生成。Renssen和Knoop在對全球河流水系提取時發(fā)現(xiàn)［8］，盡管利用了“Stream burning”技術(shù)，但依然有找不到較狹窄的河流以及正確的河口的情形。在我們的實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，在地勢低平區(qū)，使用“Stream burning”時，一些“Burning”進(jìn)入 DEM的河流，會出現(xiàn)下游的部分高程大于上游的情況，表現(xiàn)到河流上就是出現(xiàn)了“倒流”。同時，我們注意到，在“Burning”過程中，采用沿河流線并以河流線為中心進(jìn)行一定區(qū)域的“緩沖式下陷”，理論上，只要“下陷”足夠并不考慮“倒流”的出現(xiàn)，可以獲得預(yù)期的主干河網(wǎng)，但同時，也可能提取出其它的“偽主干”河流，或者有些主干河流的水流量與預(yù)期有較大出入等情況。

我們的初步分析認(rèn)為，河網(wǎng)模擬的一個重要目的就是實(shí)現(xiàn)河流的實(shí)體化［9］，河網(wǎng)模擬精度取決于水流方向的模擬精度，而水流方向模擬精度問題很復(fù)雜，在我們這個研究角度上，可以理解為地形模擬精度問題，“Burning”的主體思路實(shí)現(xiàn)了相關(guān)實(shí)際河網(wǎng)的平面位置的嵌入，但在相關(guān)河谷及其周邊地形模擬精度增強(qiáng)上沒有較好表現(xiàn)。

使用高分辨率數(shù)據(jù)源對DEM局部進(jìn)行精度加強(qiáng)或水流方向約束，能夠有效地解決單純河網(wǎng)“Burning”約束產(chǎn)生的一些問題，提取的河網(wǎng)效果較好［10］，前者提高了局部地形模擬精度，后者則直接對水流方向進(jìn)行約束。顯然，更高精度的DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，是這一方法的基本要求，而相對“藍(lán)線”水系的容易獲得，這一要求往往又不易滿足。

立足相應(yīng)“藍(lán)線”水系資料，本文從主干河流約束提高TIN構(gòu)建角度出發(fā)，參考河道模擬中河道線高程賦值的思路，提出一個提高平原區(qū)河網(wǎng)提取精度的方案。該方案的主要特征是首先利用主干河流修正TIN，然后由修正后的TIN構(gòu)成DEM，最后進(jìn)行河網(wǎng)提取。實(shí)驗(yàn)證明該方案在有限約束資料的條件下，力圖局部地形模擬精度的提高，可以有效地提高平原區(qū)河網(wǎng)提取精度，以此構(gòu)建的DEM能夠有效的反應(yīng)主干河流位置和流向，避免利用“Stream burning”時產(chǎn)生的部分問題。

1 基本思路與技術(shù)流程

1.1 基本思路

本研究的基本思路，是在TIN構(gòu)建過程中利用主干河網(wǎng)進(jìn)行TIN約束，從而試圖在DEM模擬上解決主干河網(wǎng)問題。如同在DEM中可以表現(xiàn)出崗地和谷底一樣，在DEM中表現(xiàn)出主干河網(wǎng)。因此在DEM河網(wǎng)提取時自然會將主干河網(wǎng)識別并提取。

1.2 具體技術(shù)過程

本研究首先將主干河網(wǎng)線進(jìn)行矢量點(diǎn)化并合理地賦以不同的高程值，該高程值即要體現(xiàn)主干河網(wǎng)水流方向，也要體現(xiàn)河流周邊地區(qū)的匯流方向，然后讓主干河網(wǎng)點(diǎn)串參與TIN構(gòu)建。其賦值方式有兩個，一個是基于初步構(gòu)建的TIN的基礎(chǔ)上，進(jìn)行點(diǎn)串上各點(diǎn)高程值確定并參與TIN重新構(gòu)建；一個是在TIN構(gòu)建之前進(jìn)行專家判斷，確定點(diǎn)串上各點(diǎn)的高程值，并參與TIN構(gòu)建。

其具體技術(shù)過程如圖1所示。

圖1 平原區(qū)基于TIN主干河段線修正的DEM河網(wǎng)提取

1.2.1 主干河段矢量化處理

首先對每條主干河流構(gòu)建矢量線，以此來約束該河流段；其次進(jìn)行主干河段定向，主要是指將河段按從上游起點(diǎn)到下游終點(diǎn)，進(jìn)行矢量線方向確定，以確保下一步生成的矢量點(diǎn)編號按照從上游起點(diǎn)到下游終點(diǎn)的順序（矢量點(diǎn)按照此順序編號，便于以后的自動化高程點(diǎn)賦值及修改操作）；對主干河段線矢量點(diǎn)化，即將定向了的矢量線進(jìn)行等距離點(diǎn)化，對每個點(diǎn)可以賦一個初步的高程值，一般根據(jù)起始高程判斷，逐點(diǎn)遞減高程賦值。1.2.2 主干河段矢量點(diǎn)高程值賦值

方式一基本步驟：基于TIN對主干河段矢量點(diǎn)自動賦值（通過二維圖形轉(zhuǎn)三維的操作，將主干河段矢量點(diǎn)映射表面高程）；主干河流“倒流”分析（通過對主干河流矢量點(diǎn)映射賦值的高程值進(jìn)行分析，尋找河段“倒流”的部分）；主干河流“順流”修正（對“倒流”部分的矢量點(diǎn)高程重新賦值，保證其順流）；主干河流“下陷”（對所有主干河流的矢量點(diǎn)高程進(jìn)行整體調(diào)低，保證其“陷入”到周邊地形中。使得河段部兩邊都有水匯入）。

方式二基本步驟：河段矢量點(diǎn)高程專家判斷賦值（在分析河段高程突變點(diǎn)、河段形態(tài)、河段基礎(chǔ)地形背景等基礎(chǔ)上，結(jié)合等高線和其它特征線、點(diǎn)，對照河流線位置特征，根據(jù)地形總體走勢，對河流矢量點(diǎn)逐點(diǎn)高程判斷并賦值。一般可以進(jìn)行分段地判斷賦值，并保持總體的平衡。判斷的出發(fā)點(diǎn)及一般思路為：下游高程低于上游高程；河流點(diǎn)高程一般低于兩邊等高線和高程點(diǎn)以及生成的特征點(diǎn)的高程；河流點(diǎn)高程一般應(yīng)隨地形坡度變化有適當(dāng)反映，地形坡度變化大的河段相應(yīng)高程遞減較大）；進(jìn)行主干河流“下陷”（對所有主干河流的矢量點(diǎn)高程進(jìn)行整體調(diào)低，保證其“陷入”到周邊地形中）。

兩種賦值方式分析：第一種賦值方式相對比較簡單，解決了“倒流”問題，并可以借鑒“Stream burning”的“下陷”思路，使兩邊水流流入河流。但此種方式，并不能保證在TIN重構(gòu)建后生成的DEM中，提取出對應(yīng)的主干河段?？赡艹霈F(xiàn)提取時“裁彎取直”現(xiàn)象或者出現(xiàn)流量不足（可能出現(xiàn)河段某一側(cè)雖有匯水，但匯水量較少等現(xiàn)象）；第二種賦值方式需要有較高的水文及相關(guān)知識，能夠進(jìn)行綜合的判斷。該方式對直接嵌入河流引起的“倒流”、“匯水量少”等有所注意的同時，對“裁彎取直”現(xiàn)象也有關(guān)注。同樣，可以借鑒“Stream burning”的“下陷”思路，確保兩邊水流流入河流。

在實(shí)際的主干河段矢量點(diǎn)賦值過程中，這兩種方式應(yīng)該綜合使用。

1.2.3 主干河段約束的TIN構(gòu)建

將賦值后的河流點(diǎn)串參與TIN構(gòu)建，生成的TIN包含了主干河流信息。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以巢湖流域豐樂河、杭埠河部分地勢低平地區(qū)為例進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

本研究利用1∶50000地形圖生成的地形矢量數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN，對巢湖西部地勢低平區(qū)的杭埠河10－30m高程河段和豐樂河10－20m高程河段進(jìn)行了試驗(yàn)性TIN約束，并以此構(gòu)建25米精度的DEM。在此基礎(chǔ)上，利用Arc-Map軟件的水文分析工具箱Hydrology，進(jìn)行河網(wǎng)提取。集水面積閾值采取500，即面積0.3125Km2。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)效果如圖2所示。沒有進(jìn)行約束的TIN在主干河流相應(yīng)地段河谷模擬效果較差（圖2a），而進(jìn)行了約束后的TIN（圖2b），河谷模擬程度非常好。

圖2 主干河流參與TIN構(gòu)建效果

基于DEM提取的河網(wǎng)如圖3所示。提取的主干河流與實(shí)際河流比較，總體吻合程度較好。在上游地區(qū)提取的主干河流與實(shí)際情況非常一致；在相對下游河谷地區(qū)模擬吻合程度不理想，提取的主干河流，有些地段沒有嚴(yán)格按照約束河段表現(xiàn)。

圖3 TIN修正后DEM提取主干河效果

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中，下游地區(qū)部分河段提取精度相對較差的原因，我們分析認(rèn)為：約束河段點(diǎn)串高程值與周邊等高線、特征點(diǎn)等的高程值有沖突，沒有構(gòu)建成嚴(yán)格的河段線上的一致的匯水線（面），而是出現(xiàn)一些河段柵格水流向周邊河岸柵格；河流下游地區(qū)地勢相對開闊地平，地形變化趨勢性不強(qiáng)，沒有相對十分強(qiáng)烈的主干河流高程影響因素，降低了矢量點(diǎn)高程判斷的精度；DEM模擬的微小地貌的變數(shù)對河流提取的影響較大；其它一些可能的原因。

實(shí)驗(yàn)中，上游地區(qū)部分河段提取精度相對較好的原因，我們分析認(rèn)為：地形變化趨勢明顯，對河段高程影響較強(qiáng)烈，容易進(jìn)行矢量高程點(diǎn)判斷，因而矢量點(diǎn)高程賦值精度較高，同時在大的地形變化趨勢下，河網(wǎng)提取時的微地貌影響不大，因而最后的結(jié)果，其吻合度較好。

基于主干河流修正TIN構(gòu)建的DEM，考慮了主干河流的高程約束，在相應(yīng)的河谷地段，地形模擬精度有所提高。其平原區(qū)河網(wǎng)提取，在主干河流的吻合方面有較好的效果。

3 結(jié)束語

本研究給出了基于主干河網(wǎng)約束TIN構(gòu)建，提高局部地勢低平區(qū)地形模擬精度，從而提高相應(yīng)地區(qū)河網(wǎng)自動提取精度的基本思路。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，取得了預(yù)期效果。但因?yàn)楣ぷ鞅容^具體，一般多適應(yīng)面積較小的區(qū)域的應(yīng)用。大區(qū)域的應(yīng)用，還有待于進(jìn)一步探索。

［1］李昌峰，馮學(xué)智，趙銳.流域水系自動提取的方法和應(yīng)用［J］.湖泊科學(xué)，2003，15（03）：205－211.

［2］李 麗，郝振純.基于DEM的流域特征提取綜述［J］.地球科學(xué)進(jìn)展.2003，18（2）：251－256.

［3］孫崇亮，王卷樂.基于DEM的水系自動提取與分級研究進(jìn)展［J］.地理科學(xué)進(jìn)展，2008，27（01）：118－124.

［4］郝振純，李 麗.基于DEM的數(shù)字水系的生成［J］.水文.2002，22（4）：8－10，52.

［5］俞 雷，劉洪斌，武 偉.基于DEM的重慶三峽庫區(qū)水系提取試驗(yàn)研究［J］.地理科學(xué)，2006，26（05）：616－621B.

［6］晉 華，楊金海，任煥蓮，等.基于DEM的濁漳河南源水系研究［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2006，37（6）：646－648.

［7］Matthew E.Baker，Donald E.Weller，Thomas E.Jordan.Comparison of Automated Watershed Delineations：Effects on Land Cover Areas，Percentages，and Relationships to Nutrient Discharge［J］.Photogram metric Engineering ＆ Remote Sensing，2006，72（02）：159－168.

［8］Renssen H.，Knoop J.M.A global river routing network for use in hydrological modeling［J］.Journal of Hydrology，2000，230（3－4）：230－243.

［9］沈 濤，蘇山舞，李成名.基于DEM的河流實(shí)體化研究［J］.測繪通報，2006，（03）：31－33.

［10］楊 邦，任立良，王貴作，等.基于尺度轉(zhuǎn)換的數(shù)字水系提取方法及應(yīng)用［J］.中山大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版 ）.2009，48（4）：101－116，112.

Plain Drainage Network Extraction Based on the DEMEnhanced by the Stem-River Imbedded TIN

Wang Guanyong，Dai Shibao

（Geographic Information and Tourism College，Chuzhou University，Chuzhou Universtiy 239000）

Plain drainage network extraction has always been a tough task in the river system extracting based on the Digital Elevation Model（DEM）.In this paper we tried to imbed the stem river in the TIN and thus to improve the precision of the DEM.Based on this improved DEM，we tried to extract the river system in the plain.The results show that the extracted river system fit well with the actual river network by this method.

Stem River Modification；TIN Building；DEM；Plain Drainage Network Extraction

D91

A

1673-1794（2011）05-0126-03

王官勇（1971－），男，碩士，講師，主要研究方向：RS、GIS技術(shù)應(yīng)用以及3S與地理教學(xué)。

國家自然科學(xué)基金項目（41001301）；安徽省自然科學(xué)基金項目（090412062）、滁州學(xué)院科研項目（2008kj005B）。

2011-03-23