基于GIS的小流域特征信息提取

王 奎，林孝松

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

隨著國家社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地理信息產(chǎn)業(yè)獲得了重要的發(fā)展機(jī)遇。目前，在國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，1∶50 000和1∶10 000比例尺地形圖在全國范圍內(nèi)已經(jīng)普遍建設(shè)完成［1］。利用1∶10 000大比例尺地形圖生成高精度DEM，進(jìn)而進(jìn)行小流域的自動提取研究，可以直觀地觀察與分析小流域不同部位的地形特征、水系特征和坡面、溝谷演化規(guī)律，定量地對地形特征進(jìn)行量測，以此節(jié)省大量人力、物力和財力。本文采用ESRI的ArcGIS的水文分析模塊(hydrology model)結(jié)合DEM進(jìn)行流域分析，選取重慶市巴南區(qū)安瀾鎮(zhèn)作為研究區(qū)進(jìn)行流域特征信息的提取，為小流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與山洪災(zāi)害防治工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是重慶市巴南區(qū)西南部的安瀾鎮(zhèn)(見圖1)，面積為122.42 km2，東、南、西、北方向分別毗鄰跳石鎮(zhèn)、綦江縣、江津市和一品鎮(zhèn)。安瀾鎮(zhèn)轄區(qū)地處丘陵，山巒起伏，地勢東南西偏高，北部略低，安瀾河貫穿全境，交通方便。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

目前常利用等高線地形圖獲取高程數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要，首先將收集的1∶10 000地形圖利用ArcGIS獲取等高線，利用MapGIS進(jìn)行高程自動賦值，最后將MapGIS格式轉(zhuǎn)化為shp格式，得到研究區(qū)等高線。對等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插生成TIN模型，對TIN數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，生成研究區(qū)所需的DEM柵格數(shù)據(jù)(見圖2)。筆者采用的柵格大小為10 m×10 m，共得到2 571 574個柵格。

圖2 研究區(qū)流域DEM圖

1.2.2 數(shù)據(jù)處理軟件

軟件平臺采用ArcGIS 10.2，使用ArcGIS的水文分析模塊Hydrology對研究區(qū)水文特征信息提取并進(jìn)行一般研究。

采用Microsoft的Excel獲取數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息。

2 水系信息提取

流域河網(wǎng)水系是重要的基礎(chǔ)地理因素之一，也是描述地理地貌和水文特征的基本水文參數(shù)。通過提取河網(wǎng)水系深入了解水資源的空間分異格局以及時空演變規(guī)律，挖掘水資源的潛力，充分利用和合理調(diào)配水資源。

隨著空間和地理信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字高程模型作為存儲和操作十分方便的地形信息表達(dá)方式，常被應(yīng)用于提取流域河網(wǎng)、劃分流域等。利用DEM生成的水系河網(wǎng)和集水流域是大多數(shù)地表水文分析模型的主要輸入數(shù)據(jù)。

2.1 洼地填充

洼地是指一個或多個柵格單元被周圍較高海拔的柵格單元所圍繞，因而代表一個內(nèi)排水區(qū)域。在實際地形中，洼地是真實存在的，但DEM數(shù)據(jù)因精度不足或數(shù)據(jù)異常也會產(chǎn)生洼地，即假洼地。假洼地可能導(dǎo)致生成河網(wǎng)時的不合理中斷，降低河網(wǎng)生成的準(zhǔn)確性，所以應(yīng)先作填洼和平地抬升處理。簡而言之，就是從高程里除去這些不合理的數(shù)據(jù)［2］。但在洼地填充之前，首先要計算洼地深度，由此來判斷洼地是由數(shù)據(jù)誤差造成的還是地表的真實反映，從而在洼地填充時設(shè)置合理的閾值。

洼地填充的原理是:掃描每個網(wǎng)格時，比較該網(wǎng)格與相鄰的8個網(wǎng)格的高程，如果中心網(wǎng)格的高程比相鄰的8個網(wǎng)格的高程都低，則將相鄰8個網(wǎng)格中高程最低的那個網(wǎng)格的值賦予中心網(wǎng)格［3］。在 ArcGIS10.2 中選取Hydrology模塊中的Fill工具得到無洼地的DEM。

2.2 水流方向提取

對于每個網(wǎng)格，水流方向是指水流離開此網(wǎng)格時的指向。計算流向的算法主要有單流向算法和多流向算法兩種。單流向算法里D8［4］應(yīng)用最為方便，其原理是假定一個網(wǎng)格中的水流只從一個方向流出，然后根據(jù)網(wǎng)格高程判斷水流方向。在D8算法中，只有8種流向，即正東、東南、正南、西南、正西、西北、正北、東北8個方向，并分別用l，2，4，8，16，32，64，128 依次表示。水流方向的確定采用最陡坡降法，即計算中心網(wǎng)格與各相鄰網(wǎng)格間的距離權(quán)落差，取距離權(quán)落差最大的網(wǎng)格為中心網(wǎng)格的流出網(wǎng)格，該方向為中心網(wǎng)格的流向，也就是計算出每個柵格單元與相鄰單元之間的坡度，選取最陡的坡度作為流向［5－6］。需要指出的是，如果鄰域?qū)χ行木W(wǎng)格的方向值為1，4，16，64(即平行于坐標(biāo)軸的4個方向)，則規(guī)定兩網(wǎng)格的距離為1，其他方向的距離為。在 ArcGIS10.2中選取Hydrology模塊的Flow Direction工具得到流向圖(見圖3)。

圖3 研究區(qū)流域水流方向

2.3 匯流累積量計算

在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是根據(jù)水流方向計算得出［10］。對每一個網(wǎng)格來說，其匯流累積量的大小代表著上游有多少個網(wǎng)格的水流方向最終匯流經(jīng)過該網(wǎng)格，匯流累積的數(shù)值越大，代表該區(qū)域越易形成地表徑流。一個流域的匯流累積量的計算是提取該流域河流網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。流域內(nèi)一個網(wǎng)格的匯流量反映了其聚集水流能力的強(qiáng)弱。一個網(wǎng)格的匯流累積量越大，其匯流能力越強(qiáng)，該網(wǎng)格所代表的地形特征就有可能是河谷;反之，匯流累積量為零的地方則可能代表流域的分水嶺［3］。在 ArcGIS10.2中選取Hydrology模塊的Flow Accumulation工具提取匯流累積量柵格。

2.4 匯流閾值設(shè)置

對于每一個網(wǎng)格，匯流累積量代表著流入該網(wǎng)格的所有單位水量的數(shù)量。當(dāng)網(wǎng)格的匯流累積量大于某一設(shè)定的閾值時，認(rèn)為該網(wǎng)格位于水道上，定義為河道。匯流閾值是河網(wǎng)提取的關(guān)鍵［7］，對于同一個流量累積柵格，閾值越大，河網(wǎng)密度越小，內(nèi)部流域越少。該值的設(shè)定具有主觀性，通常可以先設(shè)定幾個值進(jìn)行試驗，以確定能提取出合適河網(wǎng)的閾值。筆者采用3種匯流閾值來進(jìn)行河網(wǎng)的提取，分別為10 000(集水面積 1 km2)，15 000(集水面積 1.5 km2)，20 000(集水面積2 km2)。

2.5 水系提取

以設(shè)定的匯流閾值為標(biāo)準(zhǔn)，從匯流累積圖中提取水系河網(wǎng)［8］。在ArcGis10.2中，使用Map Algebra進(jìn)行地圖代數(shù)運算，利用表達(dá)式con(Flow Accumulation＞x，1)(x為設(shè)定閾值)提取河網(wǎng)柵格，將得到的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行平滑處理得到矢量河網(wǎng)。集水面積閾值的設(shè)定和河網(wǎng)的提取結(jié)果有直接的關(guān)系。閾值越大，提取的河網(wǎng)密度越小;反之亦然。在集水柵格分別為10 000，15 000和20 000時，將提取的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)集水柵格取150 000(集水面積閾值1.5 km2)時與實際河網(wǎng)最接近。3種集水面積閾值提取的河網(wǎng)對比如圖4所示。

3 流域分析

3.1 河網(wǎng)分級

河網(wǎng)分級是一種根據(jù)支流數(shù)對河流類型進(jìn)行識別和分類的方法。僅需知道河流的級別即可推斷出河流的某些特征。

ArcGIS中有兩種劃分河網(wǎng)等級的工具，分別是 Strahler和 Shreve［9］(見圖5)。

圖4 不同集水柵格生成的河網(wǎng)對比

圖5 ArcGIS中的兩種河網(wǎng)分級

Strahler河流分級法中，所有沒有支流的連接線都被分為1級，它們稱為第1級別。當(dāng)級別相同的河流交匯時，河網(wǎng)分級將會升高。級別不同的兩條連接線相交不會使級別升高，但會保留最高級連接線的級別。

Shreve河流法考慮網(wǎng)絡(luò)中的所有連接線。與Strahler法相同，所有外連接線都被分為1級。但對于Shreve法中的內(nèi)連接線，級別是兩條支流等級之和，所以劃分的河流等級也較多。

在 ArcGIS10.2 中，點擊 Stream Order命令，以集水面積閾值為1.5 km2河網(wǎng)數(shù)據(jù)為輸入，分別用兩種方法得到河網(wǎng)分級(見圖6)。

圖6 研究區(qū)河網(wǎng)分級對比

通過圖6可以看到:Strahler分級法將研究區(qū)河網(wǎng)分成了3個等級，最高等級為3級，即只有當(dāng)相同河流交匯時河網(wǎng)等級才會提升。Shreve方法將河網(wǎng)分為20級，最高等級為20級。這種方法的干流等級是支流之和，所以隨著河網(wǎng)數(shù)量的增多河網(wǎng)等級也會不斷提升。在實際應(yīng)用中，根據(jù)需要可以選用合適的河流分級方法。

3.2 小集水區(qū)域的生成

流域是指河流和水系的集水區(qū)域，也就是分水線包圍的區(qū)域，河流從該區(qū)域補(bǔ)給水量。任何一個天然的河網(wǎng)都由大小不等的水道聯(lián)合組成，而每一個水道都有各自的特征和集水區(qū)域，河流依靠此區(qū)域匯水補(bǔ)給，此即該條河流的流域面積，而大流域往往是由若干較小的流域組成的［10］。

在河網(wǎng)提取的基礎(chǔ)上，通過對流域出水口的分析得到河網(wǎng)的連接圖及結(jié)構(gòu)信息。運用分水嶺劃分工具Watershed實現(xiàn)對小流域的劃分。

在ArcGis10.2中，通過執(zhí)行 Stream Link命令，得到河流連接數(shù)據(jù)。以河流連接數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合集水面積閾值為1.5 km2的河網(wǎng)，將研究區(qū)的流域劃分為41個小流域(見圖7)。

圖7 研究區(qū)小流域劃分結(jié)果

3.3 流域特征分析

從圖7可以看出，研究區(qū)流域被劃分為41個小流域并進(jìn)行了編碼。這些新劃分的小流域之間的特征信息存在差異。分別從小流域平均海拔、小流域面積、小流域起伏度、小流域坡度及小流域最大匯流累積量5個方面進(jìn)行流域的綜合研究。各小流域特征屬性如表1所示。

表1 小流域特征屬性

續(xù)表

3.3.1 小流域面積

在所劃分的41個小流域中，面積最大為13 km2，最小為0.13 km2。87.80% 的小流域面積都集中在5 km2以下，有19.51%的小流域面積在1 km2以下。可以看出，小流域的面積主要分布在1 ～5 km2，達(dá)到了68.29%。

3.3.2 海拔

海拔是指地面某個地點或者地理事物高出或者低于海平面的垂直距離，這是一種絕對高程。海拔不僅對自然環(huán)境有著重要的影響，對人自身也影響頗多。整個研究區(qū)的海拔為230～1 010 m，在劃分出的小流域中，平均海拔在257.07～749.95 m。有43.90%的海拔在500 m以上，對比圖2可以看出，研究區(qū)東、西、南部地勢偏高，北部略低。

3.3.3 小流域坡度

坡度指過地表面任一點切平面與水平地面的夾角，表示地表傾斜程度［11］，是地表位置上高度變化率的量度，可表達(dá)為百分?jǐn)?shù)或者度數(shù)。

求解坡度運用擬合曲線面法，采用二次曲面求解每點坡度的公式［4］如下:

其中:S為坡度;sx為x方向上的坡度;sy為y方向上的坡度。

地面坡度不僅能間接表現(xiàn)地形的起伏狀況，也是衡量水土流失程度、地面物質(zhì)能量轉(zhuǎn)移狀況的重要指標(biāo)，是土壤侵蝕、水文分析等的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

小流域的平均坡度主要集中在14.52°～26.64°，95.12%的坡度在 25°以下。坡度為25°是國家水土保持法規(guī)定的臨界坡度［12］，在這個坡度以下有利于水土保持?？梢园l(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的小流域有較強(qiáng)的水土保持能力。

3.3.4 小流域起伏度

地形起伏度能定量描述地貌形態(tài)，是指在一個特定的區(qū)域內(nèi)最高點海拔高度與最低點海拔高度的差值［13］。由數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)的起伏度在80～307.54 m，起伏度最小的是2號小流域，起伏度最大的是21號小流域。依據(jù)中國1∶100萬地貌圖制圖規(guī)范中的地貌基本形態(tài)劃分體系將地形起伏度劃分為7個等級，即平原(0～30 m)、臺地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)、中起伏山地(500～1 000 m)、大起伏山地(1 000～2 500 m)、極大起伏山地(＞2 500 m)［14－15］。研究區(qū)有 73.17% 的小流域起伏度在70～200 m，因此可知研究區(qū)大部分地區(qū)地處丘陵地帶，山巒起伏。

3.3.5 匯流累積量

匯流累積量表示區(qū)域地形每點的流水累積量［16］。研究區(qū)的最大匯流量主要集中在16 568～1 109 434，有70.73%的小流域最大匯流量在50 000以上，說明這些小流域的匯流能力很強(qiáng)，容易形成地表徑流。

4 結(jié)論

1)以重慶市巴南區(qū)安瀾鎮(zhèn)為研究區(qū)域，利用ArcGIS10.2水文分析模塊對研究區(qū)進(jìn)行了小流域的劃分和特征信息的提取。結(jié)果表明:當(dāng)集水柵格閾值為15 000(集水面積閾值為1.5 km2)時提取的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)最接近，并將研究區(qū)劃為了41個小流域。

2)從5個方面對41個小流域進(jìn)行了特征分析。研究發(fā)現(xiàn):小流域的面積主要分布在1～5 km2;平均海拔在 257.07 ～749.95 m，東西南部地勢偏高，北部略低;坡度有95.12%在25°以下，有利于水土保持;起伏度主要集中在70～200 m，研究區(qū)地處丘陵地帶;有70.73%的最大匯流量在50 000以上，說明該小流域的匯流能力較強(qiáng)。

3)利用ArcGIS水文分析模塊對研究區(qū)進(jìn)行小流域劃分和特征信息提取研究，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與山洪災(zāi)害防治工作提供數(shù)據(jù)支撐。

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