基于DEM的青海省西寧市地區(qū)河網(wǎng)流域特征自動提取

常周梅，胡建橋，張麗娟

(1.青海民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 青海 西寧 810007；2.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院， 甘肅 慶陽 745000)

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基于DEM的青海省西寧市地區(qū)河網(wǎng)流域特征自動提取

常周梅1，胡建橋2，張麗娟1

(1.青海民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 青海 西寧 810007；2.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院， 甘肅 慶陽 745000)

為獲得青海省西寧市地區(qū)的河網(wǎng)特征，應(yīng)用ArcGIS10軟件中的水文分析工具，基于美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的SRTM3 DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)提取了研究區(qū)域水流流向、匯流累計量及河網(wǎng)水系等流域特征信息，進行了河網(wǎng)分級及子流域劃分，并將提取結(jié)果與研究區(qū)遙感影像圖進行對比。結(jié)果表明：基于DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)流域特征與實際自然水系的特征較為吻合，可作為一種流域水文分析的優(yōu)良方法。研究結(jié)果可以為流域規(guī)劃及流域綜合治理提供參考。

DEM數(shù)據(jù)；ArcGIS軟件；流域特征；流域劃分

DEM是對地形表面進行描繪的一種數(shù)字高程模型，它能夠以一定的分辨率和格式記錄特定區(qū)域內(nèi)地形的位置信息和高程信息，將局部地形特征反應(yīng)出來[1]。DEM數(shù)據(jù)為流域地形及地物辨認的重要原始資料，它包含著較為豐富的地形、地貌及水文信息。利用特定的算法，可以從中提取出河網(wǎng)的流域特征要素。

ArcGIS軟件可以進行地表徑流模型的水流方向的提取、匯流累計量的計算、河流網(wǎng)絡(luò)的生成及流域分割等工作[2]。本文應(yīng)用ArcGIS10水文分析工具來進行DEM數(shù)據(jù)的預(yù)處理、計算水流方向和匯流累計量，從而提取流域河網(wǎng)，并進行了河網(wǎng)分級及子流域劃分。研究結(jié)果可為西寧市內(nèi)流域綜合治理實踐及理論研究提供技術(shù)支持及基礎(chǔ)信息。

1　研究區(qū)概況

西寧是青海省省會，青藏高原第一大城市，是全省政治、經(jīng)濟、文化、教育、交通和通訊中心。西寧位于青海省東部，市區(qū)海拔2 261 m，年均蒸發(fā)量為1 363.6 mm，降水量為380 mm，年均日照為1 939.7 h，最低氣溫為-18.9℃，最高氣溫為34.6℃，年均氣溫為7.6℃，屬高原高山寒溫性氣候[3]。

由于青海地處黃河、長江、瀾滄江源頭，境內(nèi)河流縱橫，而且河床陡峭，河谷狹窄，落差較大，蘊藏著豐富的水能資源。西寧地下水和地表水資源非常豐富，其湟水河貫通于整個市區(qū)，自產(chǎn)地下水資源量為6.98億m3，地表水資源量為7.01億m3，水資源總量為13.99億m3[4]。

2　材料與方法

利用ArcGIS10水文分析工具提取流域特征主要包括以下幾個步驟：原始數(shù)據(jù)獲取、無洼地生成、水流流向分析、水流匯流分析、河網(wǎng)提取、水流連接、河網(wǎng)分級及子流域劃分。

2.1DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

研究區(qū)的DEM原始數(shù)據(jù)采用美國聯(lián)邦SRTM3數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)覆蓋范圍較廣，面向普通公眾開放[5]。本文SRTM數(shù)據(jù)從中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn)獲取，設(shè)定空間范圍為青海省西寧市，下載得到研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)。

2.2流域特征提取

2.2.1無洼地DEM生成

由于測量誤差的存在，SRTM DEM數(shù)據(jù)往往含有丟失數(shù)據(jù)的洼地。所謂“洼地”現(xiàn)象即為柵格的高程值小于其周圍相鄰的所有柵格的高程[6]。洼地的存在可導(dǎo)致無法確定柵格水流流向，獲得的水系通道不連續(xù)，因此須填充洼地，使洼地作為斜坡延伸的部分，從而可以保障獲得的水系是連續(xù)不斷的。ArcGIS軟件中的填充操作可以使四周點的最小高程與凹陷點的高程相等，進而可以使無洼地DEM生成。

2.2.2流向分析

流向分析的目的是明確每個單元的水流聚集點和水流方向。在DEM柵格圖像中，某個網(wǎng)格的水流方向是指水流離開該網(wǎng)格的指向。流向分析建立在3×3的DEM格網(wǎng)上，采用單流向法中的“D8”算法確定水流方向。該算法是假設(shè)各柵格的水流只能流入與其相鄰的8個柵格中，應(yīng)用最陡坡度法將水流方向確定，在3×3的柵格上，可以求出相鄰柵格與中心柵格的距離權(quán)落差，并確定中心柵格的流向為中心柵格至距離權(quán)落差值最大柵格的方向[7]?！癉8”算法水流方向的編碼如圖1所示。

圖1水流流向編碼

2.2.3匯流分析

為確定水流路徑，須進行匯流分析。每個匯流柵格單元的值為匯流區(qū)上游流入此單元的柵格總數(shù)，即為匯入此單元流入的路徑數(shù)[8]。每個DEM點處都有一個單位水量，按照水流方向由高處流向低處的自然規(guī)律，依據(jù)區(qū)域的流向柵格，可以計算出各個點的水量值，從而得到該區(qū)域的匯流柵格。

2.2.4生成流域河網(wǎng)

河網(wǎng)即是河流網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)匯流柵格圖，便可以生成流域河網(wǎng)。當匯流量逐漸增大到一定值時，地表水流就會產(chǎn)生，給定閾值小于匯流量的柵格即為水流路徑，由這些路徑所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)即為河網(wǎng)[9]。

在河網(wǎng)提取步驟中比較重要的是閾值設(shè)定，其對于河網(wǎng)的提取結(jié)果有直接的影響作用[10]。在閾值設(shè)定過程中，應(yīng)依照合理科學(xué)的原則，通過多次實驗，利用區(qū)域原始影像圖等輔助檢驗確定適合區(qū)域條件的閾值[11]。

柵格河網(wǎng)生成后，應(yīng)用“Stream to Feature”工具，將其作為輸入數(shù)據(jù)，得到矢量河網(wǎng)。利用Editor工具，將偽溝谷刪除，對矢量河網(wǎng)作平滑處理。

2.3生成河流連接

通過Stream link計算，對河流網(wǎng)絡(luò)進行分段。Stream link記錄河網(wǎng)的信息，匯合點或出水點的結(jié)點與它的每條弧段相連接。依據(jù)Stream link的計算結(jié)果，能夠得到各弧段的起始點和終止點，并確定區(qū)域的出水點，為流域分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.4河網(wǎng)分級

河網(wǎng)分級是對一個線性的河流網(wǎng)絡(luò)進行分級別的數(shù)字標識[12]。Shreve分級和Strahler分級為ArcGIS進行水文分析過程中兩種常用的分級方法[13]。這兩種方法中，始終將1級分配給上游河段。兩者的主要不同之處為Shreve分級方法為在各支流匯合后，其下一級等級是上一級各個支流等級相加得到的結(jié)果。而Strahler方法是只有在級別一樣的河段交匯時，河網(wǎng)級別才會提升，在級別不一樣的兩條支流匯合時，下一級河段的級別不增加，而保留上一級別中的最大級別。Shreve和Strahler河網(wǎng)分級方法示意圖見圖2。

圖2河網(wǎng)分級方法

2.5子流域分割

為了減少大尺度空間上不同因素差異導(dǎo)致的誤差，需要從大的流域中分解出子流域[14]，即流域分割，流域分割要將子流域的出水口位置確定。本文利用河流連接數(shù)據(jù)作為流域的出水口數(shù)據(jù)，分析上游出水點流過出水口的柵格，確定集水區(qū)柵格的位置，即搜索到流域邊界，從而實現(xiàn)子流域的劃分。

ArcGIS中，使用Watershed工具來進行流域分割操作。

3　結(jié)果與分析

從中國科學(xué)院鏡像站點下載青海省西寧市的DEM柵格數(shù)據(jù)，加載到ArcGIS10軟件中，用Fill工具對其進行填充操作，得到無洼地的DEM數(shù)據(jù)(見圖3)。應(yīng)用Flow Direction工具，利用已生成的無洼地的DEM數(shù)據(jù)生成研究區(qū)水流方向圖(見圖4)。應(yīng)用Flow Accumulation工具，依據(jù)流向柵格數(shù)據(jù)，得到流域的匯水量柵格圖。

圖3無洼地的DEM

運用ArcGIS的Raster Calculator計算工具，并給定閾值，將給定閾值與柵格中的匯流積累量比較，大于給定閾值時，將柵格賦值為1，小于等于給定閾值時，將柵格賦值為NODATA[15]。依照有效的水流方向?qū)⒏鱾€水道生成河網(wǎng)。

圖4水流方向

利用生成的匯流柵格圖，本文分別設(shè)定生成河網(wǎng)的閾值為500、1000、1500，生成河網(wǎng)后對其進行矢量化、去除偽溝谷及平滑處理(結(jié)果見圖5～圖7)。

圖5　閾值為500時河網(wǎng)水系圖

圖6閾值為1000時河網(wǎng)水系圖

從提取結(jié)果可看出，設(shè)定的閾值越大，提取的河網(wǎng)就越稀疏；設(shè)定閾值越小，提取的河網(wǎng)就越稠密，河道的起始點越向上游延伸。經(jīng)與研究區(qū)在Google Earth上的遙感影像圖對比，閾值為1000時，得到的空間分布及河網(wǎng)走勢與實際情況最為吻合，因此選取閾值為1000時得到的河網(wǎng)水系作為本研究區(qū)河網(wǎng)提取成果。

圖7閾值為1500時河網(wǎng)水系圖

以流向柵格數(shù)據(jù)及閾值為1000的河網(wǎng)柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用Stram Link工具對河流連接進行計算，柵格河網(wǎng)被分成不包含匯合點的柵格河網(wǎng)片段，矢量化后將結(jié)果圖的局部區(qū)域放大效果見圖8。

圖8河流連接計算局部結(jié)果

應(yīng)用Stream Order工具，分別采用Strahler及Shreve河網(wǎng)分級法對閾值為1000的柵格河網(wǎng)進行分級，所生成的河流分級網(wǎng)絡(luò)局部成果(研究流域左上端部位)見圖9和圖10。從分級結(jié)果中可看出，西寧市全流域的河網(wǎng)按Strahler法可分為5級，按Shreve法可分為280級，圖9及圖10所示局部范圍內(nèi)，按Strahler法可分到第3級，按Shreve法可分到第14級。

以流向柵格數(shù)據(jù)及河流連接數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用Watershed工具來進行流域分割操作，為更好表現(xiàn)流域分割效果，將分割結(jié)果與前文獲得的流域矢量河網(wǎng)同時顯示，見圖11。由結(jié)果可知，研究區(qū)劃分了588個子流域，其個數(shù)與河網(wǎng)基本一致，且呈一一對應(yīng)關(guān)系。

圖9　Strahler法的河網(wǎng)分級局部結(jié)果

圖10　Shreve法的河網(wǎng)分級局部結(jié)果

圖11子流域劃分結(jié)果

4　結(jié)　論

(1) 使用ArcGIS10中的水文分析工具成功地完成了青海省西寧市境河流網(wǎng)絡(luò)流域特征的提取、河網(wǎng)分級及子流域劃分等工作。并依據(jù)實際數(shù)據(jù)驗證，得到依據(jù)DEM河網(wǎng)流域提取的特征信息可作為水文分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且可以保證提取數(shù)據(jù)的精度，降低數(shù)據(jù)獲取的成本。

(2) 流域閾值的設(shè)定對提取流域河網(wǎng)有明顯的影響。閾值不同，提取的河網(wǎng)將不同，河網(wǎng)隨著閾值的增大而稀疏，隨著閾值的減小而稠密。如何更加準確的使自然水系與提取結(jié)果相符還有待深入研究。

[1]譚海洋.基于ArcView的流域河網(wǎng)特征自動提取[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(29):8551-8554.

[2]蔣甜,陳端呂.基于DEM的河網(wǎng)水系分形特征研究——以常德市桃源縣為例[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2013,29(2):166-171.

[3]劉輝.區(qū)域城市化空間格局及環(huán)境響應(yīng)研究[D].西安：西北大學(xué),2011:5-6.

[4]王超.城市水資源循環(huán)利用經(jīng)濟效益評估[D].北京：中央民族大學(xué),2011:1-2.

[5]張朝忙.中國地區(qū)SRTM3 DEM與ASTER GDEM高程精度質(zhì)量評價[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2013:1-2.

[6]牟乃夏,劉寶文,王海銀，等.ArcGIS10地理信息系統(tǒng)教程——從初學(xué)到精通[M].北京:測繪出版社,2012:474-476.

[7]李景星.基于DEM的黃土區(qū)河網(wǎng)水系特征研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2012:23-24.

[8]楊松,王山東,卓中文,等.基于數(shù)字化水系修正DEM提取流域河網(wǎng)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2013,11(2):123-126.

[9]王云,梁明,汪桂生.基于ArcGIS的流域水文特征分析[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2012,32(5):581-585.

[10]李蓉.基于DEM的應(yīng)急水文事件流域特征自動提取[J].水利水電技術(shù),2012,43(2):1-4.

[11]吳輝,嚴志雁,汪鎮(zhèn)達.基于DEM的自動河網(wǎng)提取方法——以江西省黎川縣為例[J].水利與建筑工程學(xué)報,2012,10(4):27-30.

[12]朱海玲,楊曉暉,張學(xué)培,等.基于DEM的密云水庫上游流域特征提取與分析[J].中國水土保持科學(xué),2013,11(3):66-72.

[13]王敏嬙.基于DEM的水文要素提取及水文拓撲結(jié)構(gòu)建立的研究[D].西安：西北大學(xué),2012:3-4.

[14]邱臨靜,鄭粉莉,Yin Runsheng.DEM柵格分辨率和子流域劃分對杏子河流域水文模擬的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2012,32(12):3754-3763.

[15]沈中原,李占斌,李鵬,等.基于DEM的流域數(shù)字河網(wǎng)提取算法研究[J].水資源與水工程學(xué)報,2009,20(1):20-23,28.

Automatic Extraction of Stream Network and River Basin Characteristics Based on DEM in Xining City of Qinghai Province

CHANG Zhoumei1，HU Jianqiao2，ZHANG Lijuan1

(1.QinghaiUniversityforNationalities,SchoolofArchitecturalEngineering，Xining,Qinghai810007,China; 2.SchoolofCivilEngineering,LongdongUniversity,Qingyang,Gansu745000,China)

In order to obtain the stream network and its characteristics of Xining city in Qinghai province, ArcGIS10 hydrological analysis software was applied in this research. Flow direction，flow accumulation and river system of stream network were extracted based on the SRTM3 DEM data, and river network classification and the sub-watershed were also proceeded. The results were compared with the remote sensing image, and it showed that river basin characteristics of stream network agreed well with the practical water system. This research can provide reference for comprehensive river basin planning and treatment.

DEM data； ArcGIS software； basin characteristics； basin delineation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.007

2016-03-17

2016-04-15

青海民族大學(xué)校級理工自然科學(xué)青年項目(2015XJZ22)；慶陽市科技局青年科技基金項目(ZJ2014-08)；西峰區(qū)科技局科研基金項目(2013-8)

常周梅(1987—)，女，甘肅白銀人，碩士，助教，主要從事水資源與水環(huán)境方面的工作。 E-mail：changzmm@163.com。

P208

A

1672—1144(2016)04—0031—05