基于ArcGIS的數(shù)字高程模型縣域水文模擬及可視化研究
——以元江縣為例

李林娜，牛 群

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093)

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基于ArcGIS的數(shù)字高程模型縣域水文模擬及可視化研究
——以元江縣為例

李林娜，牛 群

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093)

基于ArcGIS 10.0、Excel及數(shù)字高程模型，分析元江縣縣域內(nèi)水文特征，提取區(qū)域內(nèi)主要干流及支流進(jìn)行可視化，計(jì)算河流信息，并基于縣域進(jìn)行水文模擬。結(jié)果表明：元江縣水域單一，明顯水域只有元江流域在元江縣內(nèi)的部分；除自然降水外，元江縣水源不豐富，區(qū)域地表破碎度較小?？h域水文分析能為將來(lái)水利發(fā)展和城市規(guī)劃提供參考。

水文分析；DEM；河網(wǎng)；ArcGIS ；元江縣

元江縣與云南省絕大多數(shù)地區(qū)一樣，處于高海拔、多山脈的少數(shù)民族地區(qū)。該地區(qū)四季高溫，自然災(zāi)害頻發(fā)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后，正處于產(chǎn)業(yè)多樣化、城市擴(kuò)建和自然條件限制的矛盾中。在以往基于數(shù)字高程模型的水文分析研究中，大多以某一水系為研究對(duì)象，該水系可能跨越多座城市，對(duì)縣域城市的發(fā)展研究缺乏參考價(jià)值。筆者應(yīng)用GIS水文分析方法，用數(shù)字高程模型提取元江縣主要流域并進(jìn)行分析，將水文模擬與地形疊加可視化，旨在為壩區(qū)建設(shè)和擴(kuò)展提供參考。

1　研究區(qū)概況

元江全稱(chēng)元江哈尼族彝族傣族自治縣，位于云南省中南部，地處元江中上游，地理坐標(biāo)為101°39′～102°22′ E，23°19′～23°55′ N，東與石屏縣接壤，南與紅河縣相連，西與墨江縣毗鄰，北緊靠新平縣。縣人民政府駐澧江鎮(zhèn)，距玉溪市所在地130.0 km，距省會(huì)昆明210.0 km。縣境南北長(zhǎng)64.5 km，東西寬71.5 km，總面積2 858 km2?？h內(nèi)主河流為元江，位于哀牢山東側(cè)，貫穿元江縣南北方向。海拔327～2 580 m?？h境內(nèi)各地年平均氣溫12～24 ℃。縣內(nèi)礦產(chǎn)豐富，已查明的礦產(chǎn)有金、銀、銅、鈷、鎳、石膏、蛇紋石等，其中鎳礦蘊(yùn)藏量約53.3萬(wàn)t，位居全國(guó)第2。截至2012年，下轄3街道2鎮(zhèn)5鄉(xiāng)，戶(hù)籍人口數(shù)，205 744人，少數(shù)民族人口166 532人，占總?cè)丝诘?0.9%。經(jīng)濟(jì)呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，近年來(lái)第二產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)率較為明顯，主要以制糖業(yè)為主。旅游業(yè)以自然風(fēng)光和歷史文化遺產(chǎn)為主，較為著名的有它克崖畫(huà)、元江彩色膏林、哈尼云海梯田。少數(shù)民族文化在該縣所占比重較大，在與產(chǎn)業(yè)和文化結(jié)合的同時(shí)也很好地保留了民族特色。

2　數(shù)據(jù)來(lái)源

該研究主要基于數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，即DEM，以絕對(duì)高程或海拔表示的地形模型。數(shù)字地面模型中地形屬性為高程時(shí)，稱(chēng)為數(shù)字高程模型。數(shù)據(jù)來(lái)源于http：//www.gscloud.cn/地理空間數(shù)據(jù)云，SRTMDEM 90M分辨率原始高程數(shù)據(jù)。在ArcGIS中，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，空間參考為Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_34。矢量縣界數(shù)據(jù)依據(jù)地圖圖片底圖配準(zhǔn)并矢量化，并統(tǒng)一空間參考與DEM數(shù)據(jù)一致。

3　研究方法

基于ArcGIS平臺(tái)，使用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析。經(jīng)過(guò)填洼、流向提取、流量提取、子流域提取、重分類(lèi)、河網(wǎng)分級(jí)、河流鏈接等過(guò)程，并根據(jù)實(shí)際研究需要進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換以及柵格數(shù)據(jù)的掩模分析，在成熟的算法下，加入人工經(jīng)驗(yàn)判斷提取元江縣縣內(nèi)主流域及附近支流。根據(jù)公式計(jì)算河流長(zhǎng)度、密度等，分析該縣域內(nèi)主流域的水文情況。最后生成TIN圖與水文數(shù)據(jù)疊加進(jìn)行水文數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)的可視化。研究流程見(jiàn)圖1。

4　流域特征提取及可視化

4.1流域特征提取

4.1.1按掩模提取DEM。按掩模提取是柵格數(shù)據(jù)裁切的一種方法，用矢量數(shù)據(jù)裁切DEM柵格數(shù)據(jù)，裁切結(jié)果即為原矢量數(shù)據(jù)形狀的柵格數(shù)據(jù)。該研究中，下載后的DEM數(shù)據(jù)為矩形，大于研究區(qū)域范圍，通過(guò)事先預(yù)處理好的元江縣矢量數(shù)據(jù)按掩模提取，可得到元江縣的DEM數(shù)據(jù)。在ArcGIS中按掩模提取柵格，不僅可以用矢量數(shù)據(jù)作為掩模數(shù)據(jù)，還可以使用柵格數(shù)據(jù)作為掩模，但需要考慮2個(gè)柵格數(shù)據(jù)的NODATA值是否影響研究。

圖1　基于ArcGIS的數(shù)字高程模型元江縣水文模擬及可視化流程Fig.1　The flow chart of the Hydrological Simulation and Visual Research of Digital Elevation Model Based on ArcGIS in Yuanjiang County

4.1.2填洼。在水文模擬和水文分析試驗(yàn)中，一般都要對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)做填洼。在此之前，首先要計(jì)算洼地深度，判斷原始DEM是否可用。計(jì)算得到洼地貢獻(xiàn)區(qū)域的洼地深度，結(jié)合研究區(qū)域地形分析，判斷凹陷點(diǎn)是正確的地形反映還是數(shù)據(jù)誤差[1]。如果是誤差就要進(jìn)行填洼計(jì)算后再使用DEM數(shù)據(jù)。

該研究區(qū)域在云南高原，喀斯特地貌極為普遍，在這種情況下，填洼分析尤為關(guān)鍵。需要判斷凹陷點(diǎn)是由地貌引起的合理凹陷點(diǎn)還是DEM誤差造成。DEM誤差和喀斯特地貌的存在使得原本光滑的地形表面模擬出現(xiàn)一些凹陷的區(qū)域。在進(jìn)行水流方向計(jì)算時(shí)，由于這些凹陷的存在，往往出現(xiàn)不合理甚至錯(cuò)誤的水流方向[2]。

在ArcGIS中，依靠設(shè)置閾值Z來(lái)判斷某一像元是否為有效的凹陷點(diǎn)，觀(guān)察凹陷點(diǎn)和傾瀉點(diǎn)的高程差值，如果閾值設(shè)置為小于該差值，則計(jì)算過(guò)程中將視為有效凹陷點(diǎn)，即該凹陷為正確的地形反應(yīng)，不進(jìn)行填洼。反之，閾值設(shè)置的高于凹陷點(diǎn)和傾瀉點(diǎn)的高程差值，則填充該凹陷點(diǎn)。換句話(huà)說(shuō)，閾值Z是凹陷點(diǎn)深度和傾瀉點(diǎn)間的最大允許差值。填洼后的DEM見(jiàn)圖2。

圖2　元江縣經(jīng)過(guò)洼地填充生成的無(wú)洼地DEMFig.2　The DEM without depression after filling in Yunajing County

4.1.3水流方向提取。水流方向提取是無(wú)洼地DEM生成的第1步。上一步生成了無(wú)洼地DEM，水流方向需要重新提取以提升數(shù)據(jù)精度。ArcGIS中水流方向的提取是基于像元的，是指水流離開(kāi)該柵格時(shí)水流的指向。

假設(shè)地表不滲水，地面降雨均勻，那么流域單元上的水流總是會(huì)流向最低的地方。ArcGIS中通過(guò)對(duì)中心柵格周?chē)?個(gè)柵格單元分別賦值(圖3)。方向值以2的冪指數(shù)確定，是為了當(dāng)柵格流向難以確定時(shí)，需要將數(shù)個(gè)方向值相加，這在后續(xù)處理過(guò)程中可從相加結(jié)果看出相加時(shí)柵格領(lǐng)域格網(wǎng)的情況。

圖3　水流流向編碼Fig.3　The coding of water flow direction

在ArcGIS中，水流方向提取輸出值為1～255整形柵格。在圖3中，假設(shè)中心單元格最陡下降方向?yàn)樽髠?cè)，則賦值為1。當(dāng)2個(gè)方向甚至多個(gè)方向發(fā)生相同變化，同時(shí)為最陡下降方向時(shí)，則將這些方向值相加。如中心單元格的左側(cè)和下側(cè)同時(shí)為最陡下降方向，則賦值為16+4=20。元江縣水流方向提取結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　元江縣水流方向Fig.4　Flow direction in Yuanjiang County

4.1.4匯流累積量計(jì)算。匯流累積量描述河道水流累積量，通過(guò)計(jì)算單個(gè)柵格單元的流量，再在后續(xù)研究中描述整個(gè)河道或者河網(wǎng)的流量。在ArcGIS中，匯流累積量通過(guò)水流方向數(shù)據(jù)得到，基本思想是數(shù)字高程模型中每個(gè)柵格均有1個(gè)單位水量，根據(jù)水自高向低流的自然規(guī)律及水流方向計(jì)算每個(gè)柵格流過(guò)的水量總數(shù)[3-5]。在計(jì)算過(guò)程中，由于降水、土壤及植被的影響會(huì)造成地表水分布不均，在ArcGIS中可以對(duì)每個(gè)柵格賦權(quán)重，以更詳細(xì)地模擬水文特征。元江縣匯流累積量見(jiàn)圖5。

圖5　元江縣匯流累積量Fig.5　Flow accumulation in Yuanjiang County

與其他區(qū)域水文模擬相比較，元江縣盆域較單一，只有1個(gè)主要的流域盆地。以此推測(cè)，元江縣水域基本水流來(lái)自元江水系。因此，該試驗(yàn)可以不再做盆域分析，因?yàn)榕栌蚍治鰧?huì)計(jì)算出多個(gè)極小盆域，使水文模擬過(guò)程復(fù)雜且對(duì)結(jié)果無(wú)意義。

4.1.5匯流累積量數(shù)據(jù)重分類(lèi)。匯流累積量計(jì)算得出的數(shù)據(jù)繁瑣，存在多條現(xiàn)實(shí)中并不存在的河流?？梢詫⑦@些多余的河流考慮為地下水或者是試驗(yàn)誤差。該試驗(yàn)為地表水模擬，因此無(wú)需保留所有水文信息，只需要依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況和經(jīng)驗(yàn)提取出地表存在和必要的水文信息。

在ArcGIS中通過(guò)重分類(lèi)，該試驗(yàn)提取了匯流累積量大于5 000的區(qū)域。該步驟的關(guān)鍵在于設(shè)置重分類(lèi)閾值。首先，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主干河道必須提取又不能保留過(guò)多末端支流，一般閾值數(shù)應(yīng)至少是4位數(shù)。在河流發(fā)育較好且盆域多的區(qū)域一般是5位數(shù)。其次，根據(jù)實(shí)地情況，元江常年高溫，蒸發(fā)率高，降水充沛，一區(qū)跨熱帶、亞熱帶、北溫帶、南溫帶、寒帶5個(gè)氣候帶。因此，雖然在上一步匯流累積量計(jì)算出最大流量為206 139，但由于元江區(qū)域水文、地形及氣候條件差異大，設(shè)置閾值時(shí)不能過(guò)大。最后，根據(jù)元江只有一條主要干流，流域單一，閾值設(shè)置4位數(shù)。試驗(yàn)提取匯流累積量大于2 000和大于5 000，并結(jié)合地形和實(shí)地情況進(jìn)行對(duì)比分析。最終選取匯流累積量大于5 000的重分類(lèi)數(shù)據(jù)(圖6)。

圖6　提取匯流累積量大于5 000數(shù)據(jù)Fig.6　The data of flow accumulation greater than 5000

4.1.6河流鏈接。河流鏈接主要是為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。河流鏈接記錄河網(wǎng)信息，可得到每條弧段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)一級(jí)該匯水區(qū)域的出水點(diǎn)[2]。河流鏈接對(duì)水量、水土保持的研究具有重要意義。

4.1.7河網(wǎng)分級(jí)。河網(wǎng)分級(jí)是用數(shù)字標(biāo)識(shí)的方法劃分級(jí)別，數(shù)字越大，級(jí)別越高。河網(wǎng)分級(jí)依據(jù)當(dāng)?shù)氐匦吻闆r和水文匯流累積量。級(jí)別最低為支流，反之最大的可能是河流主干。該步驟不僅可以直觀(guān)地分析流域水文分級(jí)情況和支干流情況，還可以根據(jù)水文形狀和分級(jí)情況驗(yàn)證前面匯流累積量提取和重分類(lèi)的正確性。

ArcGIS中提供了2種方法進(jìn)行河網(wǎng)分級(jí)，即Strahler和Shreve方法。筆者應(yīng)用了Shreve方法。Shreve方法(圖7)是將所有末端支流弧段定義為1，往后的每條弧度為前面匯入河網(wǎng)弧度的級(jí)別之和。如2條末端支流弧度匯入同一條新弧度，則該新弧段級(jí)別為2；再如1條2級(jí)弧段和1條3級(jí)弧段匯入同一弧段，則該新弧段級(jí)別為5。這種分級(jí)方式，分級(jí)到最后出水口位置時(shí)，其河網(wǎng)級(jí)別數(shù)是該河網(wǎng)中所有1級(jí)河網(wǎng)弧段個(gè)數(shù)。該試驗(yàn)將河網(wǎng)分級(jí)為14級(jí)。

圖7　河網(wǎng)分級(jí)Fig.7　Classification of river network

4.1.8柵格河網(wǎng)矢量化。柵格河網(wǎng)矢量化主要是為了后續(xù)的研究和可視化，步驟簡(jiǎn)單。在ArcGIS中用柵格轉(zhuǎn)矢量工具就可以完成，矢量化后的河網(wǎng)如圖8所示。矢量河網(wǎng)可以計(jì)算河流長(zhǎng)度和溝壑密度，且可編輯性強(qiáng)，可應(yīng)用于其他研究。在該研究中，選擇矢量河網(wǎng)進(jìn)行可視化研究主要是由于其可以調(diào)節(jié)弧段屬性，以增加視覺(jué)效果。

圖8　矢量河網(wǎng)Fig.8　The vectorgraph of river network

4.2可視化可視化研究是基于TIN圖和河網(wǎng)矢量圖疊加生成?？h域水文模擬不能只停留在數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果。元江縣處于高海拔地區(qū)，高程差異大，且為多壩區(qū)。人類(lèi)生活環(huán)境復(fù)雜，區(qū)域水源流動(dòng)方式復(fù)雜。通過(guò)可視化研究，可脫離宏觀(guān)數(shù)字的復(fù)雜性，直觀(guān)反映河網(wǎng)流經(jīng)區(qū)域和高程及人類(lèi)聚集地的關(guān)系。在后續(xù)研究中加入其他要素，與該圖疊加，不僅可以直觀(guān)地體現(xiàn)出各要素間關(guān)系，還便于空間分析。

元江縣河網(wǎng)分布如圖9所示，干流分布在高程較低的位置，河網(wǎng)基本位于山谷處。按照人類(lèi)聚集地分布經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，元江縣城市區(qū)域處于低海拔地，城市生活用水大部分來(lái)源于流經(jīng)沅江縣的元江流域干流。在后續(xù)研究中，可以疊加現(xiàn)有城市分布位置，研究城市分布和河網(wǎng)的關(guān)系，結(jié)合環(huán)保、大氣、土壤等因素在城市規(guī)劃中起到更好的作用。

圖9　元江縣河網(wǎng)分布Fig.9　Distribution of river network in Yuanjiang County

5　流域水文特征分析

5.1河網(wǎng)長(zhǎng)度在ArcGIS中，將柵格河網(wǎng)矢量化后屬性表中自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各級(jí)河網(wǎng)長(zhǎng)度，再加以統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，由于Shreve河網(wǎng)分級(jí)的規(guī)則會(huì)出現(xiàn)缺乏某些級(jí)別河網(wǎng)的情況，元江縣匯流累積量大于5 000的河網(wǎng)中，末端支流占比重最大，根據(jù)Shreve分級(jí)方法可知，該河網(wǎng)缺乏4、5、10級(jí)河網(wǎng)(表1)。

5.2溝壑密度溝壑密度或稱(chēng)切割裂度，是指每平方公里內(nèi)侵蝕溝(或水文網(wǎng))的總長(zhǎng)度，以km/km2表示。溝壑密度的大小與降水、徑流特征、地形坡度、巖性、土壤的抗侵蝕性能、植被狀況及土地利用方式等有關(guān)，也是水土流失狀況的方式，可作為水土流失等級(jí)劃分的參考指標(biāo)，也是衡量地表破碎度的指標(biāo)。計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

表1元江縣匯流累積量大于5 000的河網(wǎng)長(zhǎng)度分析

Table 1Analysis of river network length with flow accumulation is greater than 5 000 m in Yuanjiang County

級(jí)別Grade河流長(zhǎng)度Riverlength∥m百分比Percentage∥%1109181.040400048.27236573.495180016.17330314.416550013.40689.991382440.047179.982764900.0884095.603891001.7995554.726205002.46118947.772033003.961289.991382440.04139253.157605004.091421947.885280009.70合計(jì)Total226228.06270000100

(1)

式中，Ds為溝壑密度；∑L為研究區(qū)域內(nèi)溝壑總長(zhǎng)度；A為特定研究區(qū)域的面積。

使用ArcGIS得到元江縣矢量面積為2 718 391 180.91m2，換算為2 718.39km2。依據(jù)上式計(jì)算得到元江縣匯流累積量大于5 000的河網(wǎng)溝壑密度為8.32×10-5km/km2。

6　結(jié)論

(1)基于ArcGIS10.0軟件，應(yīng)用數(shù)字高程模型分析元江縣縣域水文特征，提取區(qū)域內(nèi)主要干流及支流，并進(jìn)行可視化，基于縣域進(jìn)行水文模擬，不僅打破了傳統(tǒng)跨區(qū)域研究某流域完整流域或部分流域的思路，并且從縣域規(guī)劃和城市擴(kuò)展角度提出縣域流域和城市居民地等的關(guān)系，為后續(xù)在水文和城市發(fā)展關(guān)系研究中提供參考。從元江縣水文信息分析和縣域水文提取方面得出結(jié)論，提出了與傳統(tǒng)水文模擬的不同思路。

(2)通過(guò)元江縣河網(wǎng)生成以及匯流累積量大于5 000的河網(wǎng)提取，得出以下結(jié)論：①元江縣水域單一，明顯水域只有1個(gè)。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析該水域?yàn)樵饔蛟谠h內(nèi)的部分。②元江縣內(nèi)水域干流位于海拔較低位置，結(jié)合人類(lèi)居住環(huán)境發(fā)展分析，該流域干流與人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)關(guān)系密切，在今后的城市擴(kuò)展中能更好地利用元江水源。③匯流累積量大于5 000的河網(wǎng)溝壑密度較小，可以得知，除自然降水外元江縣水源不豐富，區(qū)域地表破碎度較小。④基于DEM的縣域水文分析過(guò)程中，水域的取舍是一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，一般經(jīng)過(guò)盆域分析后，較小盆域需要舍去，但是判斷為干流的流域都要保留。這一點(diǎn)和某流域水文模擬研究不同，這種研究通常不考慮區(qū)域問(wèn)題，只是提取完整的干流，區(qū)域內(nèi)其他流域都要舍去。⑤提取的河網(wǎng)不可能完全保留，設(shè)置閾值是否合理與經(jīng)驗(yàn)相關(guān)。元江縣流域單一，閾值不宜過(guò)大。閾值的設(shè)置還與當(dāng)?shù)亟邓?、植被、蒸發(fā)量相關(guān)。

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County Hydrological Simulation and Visual Research of Digital Elevation Model Based on ArcGIS—A Case of Yuanjiang County

LI Lin-na, NIU Qun

(College of Land Resources and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093)

Hydrological features in Yuanjiang County were analyzed based on ArcGIS10.0, Excel and Digital Elevation Model. The main stream and tributary were extracted to realize visualization and to calculate river information. Hydrological simulation was carried out based on county region. Results showed that Yuanjiang County had single water area. Except natural precipitation, water resource was not abundant in Yuanjiang County; fragmentation of regional surface was relatively small. County hydrological analysis provided references for the water conservancy development and urban planning in future.

Hydrological analysis; DEM; River network; ArcGIS; Yuanjiang County

李林娜(1992-)，女，回族，云南昆明人，碩士研究生，研究方向：地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)。

2016-05-26

S 181

A

0517-6611(2016)20-049-04