DEM分辨率對(duì)數(shù)字河網(wǎng)提取的影響

薛美平++褚亞杰+謝子波++曹晴

【摘 要】論文簡(jiǎn)要介紹了GIS中DEM構(gòu)建及數(shù)字河網(wǎng)提取的原理和方法并應(yīng)用于崇陵流域。將兩種不同分辨率下（5m 和30 m）提取的河網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：分辨率對(duì)流域的拓?fù)鋵W(xué)特征有著明顯的影響，在實(shí)際運(yùn)用中要根據(jù)流域的地形地貌特征選擇合適的分辨率。

【Abstract】This paper briefly introduces the DEM structure and the extraction principle and method of digital network in GIS ，and applies these two in Chongling river basin. Two different resolutions （5m and 30 m） extracted river network were analyzed， the results show that the resolution has significant effect on the topology characteristics of basin， we choose the appropriate resolution need to accord the topographic features of the basin in the practical application.

【關(guān)鍵詞】DEM； 分辨率；GIS； 數(shù)字河網(wǎng)

【Keywords】DEM； resolution； GIS； digital network

【中圖分類(lèi)號(hào)】P284 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）03-0121-04

1 引言

數(shù)字高程模型（DEM）是地表形態(tài)和高程屬性的數(shù)字化表達(dá)，一般來(lái)說(shuō)，DEM主要是通過(guò)野外數(shù)據(jù)采集等方法獲取原始數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行內(nèi)插和矢柵轉(zhuǎn)化形成的[1]。利用流域的DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字水系模型并提取流域水文特征，是分布式水文模型的重要基礎(chǔ)[2]。因此，不同分辨率的DEM對(duì)提取過(guò)程的影響分析就至關(guān)重要。

基于DEM地形特征的尺度效應(yīng)對(duì)于地學(xué)模型分析和真實(shí)地形情況反映的精確程度有重要影響，具體包括空間尺度、時(shí)間尺度和屬性尺度。目前，關(guān)于水系方面的尺度效應(yīng)研究主要集中在時(shí)空尺度，因?yàn)閿?shù)據(jù)精度不同，模型建立、研究方法、水系提取結(jié)果也不同[3]。

關(guān)于DEM尺度效應(yīng)的研究主要集中在兩方面：

一方面是多尺度DEM數(shù)據(jù)組織、表達(dá)及其應(yīng)用；

另一方面是重點(diǎn)研究DEM尺度所引起的不確定性問(wèn)題[4]。

大量研究表明，不同尺度（分辨率）的DEM將直接決定所提取的數(shù)字河網(wǎng)水系的結(jié)構(gòu)，并對(duì)水文模擬產(chǎn)生重要影響，如使坡度平坦化，徑流匯水長(zhǎng)度減小，流域面積增加、削弱洪峰量，使洪峰到達(dá)時(shí)間滯后等。

論文利用ArcGIS的相關(guān)工具，從河北省崇陵流域的等高線(xiàn)圖中分別提取了分辨率為30m、5m的DEM，然后在此基礎(chǔ)上提取了流域的數(shù)字河網(wǎng)，并分析不同DEM分辨率對(duì)提取的數(shù)字河網(wǎng)產(chǎn)生的影響。

2 研究區(qū)概況

崇陵水流域?qū)俦币姿Я魍埡拥囊恢Ч?，在行政區(qū)劃上屬河北省易縣良格莊鄉(xiāng)管轄，位于E 115°21′，N 39°23′，流域內(nèi)有2個(gè)自然村。流域面積6km2，流域長(zhǎng)4.4km，流域平均寬1.5km，主要溝道自西向東依次為揚(yáng)樹(shù)溝、萬(wàn)畝林溝、狼尾巴溝，它們?cè)诔缌旮浇鼌R合后叫崇陵水，向南注入旺龍河；主溝長(zhǎng)度5.5km，溝底平均比降為23% ，全為砂礫溝床。流域地勢(shì)： 西北高東南低，地形起伏度不大，海拔在85～300m之間，山頂高度變化一般都在50～150m之間，最高為180m。這里由花崗片麻巖組成的山丘，多呈渾圓狀，坡度較緩多為100°～250°，但由石灰類(lèi)組成的山嶺，坡度較陡，多在250°以上。

為探索太行石質(zhì)山區(qū)水土流失規(guī)律及小流域綜合治理效益，研究行之有效的水土保持治理措施，為小流域綜合治理提供科學(xué)理論依據(jù)，使其盡快發(fā)揮其較高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，崇陵流域高程模型的建立和數(shù)字河網(wǎng)的提取是研究的基礎(chǔ)。

3 研究方法

隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展和研究領(lǐng)域的不斷開(kāi)拓，各類(lèi)GIS軟件在我國(guó)防治水土流失、城鄉(xiāng)規(guī)劃、資源預(yù)測(cè)等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。ArcGIS是由美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究ESRI開(kāi)發(fā)的GIS軟件，具有優(yōu)良的軟硬件環(huán)境，能夠客觀(guān)地表達(dá)各種地理空間數(shù)據(jù)模型，是涉及空間數(shù)據(jù)分析的學(xué)科研究的重要手段，其具有的高效、精確且成本較低的特點(diǎn)，相比以往傳統(tǒng)手工作業(yè)方式大量人力、物力長(zhǎng)期的投入更具有優(yōu)勢(shì)。

在A(yíng)rcGIS的工具箱中對(duì)基礎(chǔ)高程數(shù)據(jù)內(nèi)插創(chuàng)建TIN，并轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，DEM的構(gòu)建完成；此后，由ArcSWAT模塊對(duì)其完成河網(wǎng)的提取和流域的劃分工作，簡(jiǎn)單易于操作。

在提取崇陵流域河網(wǎng)水系時(shí)利用了30m的DEM及等高距為5m的等高線(xiàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過(guò)ArcGIS建立分辨率為5m的DEM模型，再通過(guò)ArcGIS中的水文分析工具：填洼、流向分析、匯流累積量計(jì)算、河流網(wǎng)絡(luò)提取等步驟，提取得到不同精度的DEM下該流域的河網(wǎng)水系，并對(duì)比分析不同水平分辨率對(duì)于研究范圍內(nèi)水文分析結(jié)果的影響。

3.1 DEM的構(gòu)建

當(dāng)前，在構(gòu)建DEM模型時(shí)，獲取相關(guān)平面位置和高程數(shù)據(jù)的方式有：野外測(cè)量、航空航天遙感影像和現(xiàn)有地形圖數(shù)字化等方法。野外測(cè)量實(shí)際地形獲得DEM的方法雖然地形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但是工作量大且費(fèi)用較高；航空攝影的方法是現(xiàn)行方法中使用效率較高的方法，具有獲取信息范圍大、精度高、方便高效的特點(diǎn)；地形圖作為數(shù)據(jù)源具有豐富和廉價(jià)的特點(diǎn)，對(duì)于地形圖應(yīng)先將其各要素進(jìn)行數(shù)字化處理再利用數(shù)學(xué)建模方法內(nèi)插生成該地區(qū)的數(shù)字高程模型[5]。在本研究中，5m分辨率的DEM即是由數(shù)字化后的等高線(xiàn)數(shù)據(jù)處理得到，然后對(duì)該流域做水文分析，研究區(qū)的像元值即為等高線(xiàn)的高程值。

根據(jù)DEM應(yīng)用的目的不同，ArcGIS提供了不同的表達(dá)方式，現(xiàn)在使用最多的有三種表達(dá)方式：規(guī)則網(wǎng)格模型、不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）和等高線(xiàn)模型。規(guī)則網(wǎng)格模型的原理是利用規(guī)則的小矩形或小三角形來(lái)代替表達(dá)不規(guī)則的實(shí)際地形情況，而不規(guī)則三角網(wǎng)模型是由區(qū)域內(nèi)代表地形特點(diǎn)的點(diǎn)相互連接成的三角面網(wǎng)。與規(guī)則網(wǎng)格模型相比，TIN要復(fù)雜得多，但是也具有較少的點(diǎn)可獲取較高精度的優(yōu)點(diǎn)。TIN模型可以根據(jù)地形起伏變化的復(fù)雜性改變采樣點(diǎn)的密度和決定采樣點(diǎn)的位置從而避免大量不必要的數(shù)據(jù)采集[6]。所以在本次崇陵流域地區(qū)的DEM構(gòu)建中采用構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)的方法，利用已有數(shù)據(jù)建立地形特征明顯的更加接近真實(shí)地貌特征的數(shù)字高程模型。

DEM如圖1（a、b）所示。

3.2 流域數(shù)字水系提取

DEM是對(duì)地形地貌的空間特征進(jìn)行描述的一種數(shù)字方法，它的應(yīng)用廣泛，遍及整個(gè)地學(xué)領(lǐng)域，如坡度、坡向、可視性分析和水文分析等。

由DEM提取流域的河網(wǎng)具體包括以下幾個(gè)步驟。

①洼地填充。由于DEM可能存在數(shù)據(jù)采集誤差，造成水流倒流等現(xiàn)象，影響水流方向的追蹤，所以必須對(duì)不合理的洼地進(jìn)行填充處理，并對(duì)真實(shí)存在的洼地進(jìn)行保留，使每個(gè)單元格都有一個(gè)確定的水流方向。洼地填充之前首先進(jìn)行洼地深度的計(jì)算，并設(shè)置合理的填充閾值，當(dāng)洼地深度大于該值時(shí)予以保留，小于該值時(shí)則要進(jìn)行填充處理，得到實(shí)際無(wú)洼地?cái)?shù)據(jù)。

②流向分析。水流確定的方法主要有六種： 單流向法、多流向法、RH08法、DMON法、ERS法、Aspectdrive法，論文采用單向流法，通過(guò)計(jì)算中心柵格與周?chē)藗€(gè)柵格的最大距離權(quán)落差確定，根據(jù)坡度最大的方向?yàn)樗鞣较?，確定最大值即為中心柵格的流向。

③匯流累積量的計(jì)算。DEM的每個(gè)格網(wǎng)上都有一個(gè)單位的水流量，根據(jù)上一步提取的水流方向即可計(jì)算出每點(diǎn)處所流經(jīng)的水量數(shù)值，得到其匯流累積量。匯流累積量的值又代表上游流入該單元的柵格點(diǎn)數(shù)目，柵格點(diǎn)的數(shù)目越大則此單元就越可能是發(fā)育河流的位置，柵格點(diǎn)的數(shù)目為零則表示該單元的相對(duì)高程較高，例如分水嶺。

④河流網(wǎng)絡(luò)的提取。設(shè)置閾值，對(duì)匯流量進(jìn)行篩選，將大于該閾值的點(diǎn)提取出來(lái)，大于500即賦值為1，否則為0，從而得到柵格河流網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步矢量化，提取結(jié)果如圖2（a、b）所示。

4 提取結(jié)果分析

兩種分辨率的DEM提取的河網(wǎng)的源頭均位于流域的西北方向，流域出口均位于流域的南東方向。從圖2可以看出，30m分辨率DEM提取的河網(wǎng)和實(shí)際的河網(wǎng)相比較，不同之處有兩點(diǎn)：

第一，有些細(xì)小的支流或支流局部由于在構(gòu)建流域高程模型的過(guò)程中會(huì)通過(guò)Arcgis技術(shù)對(duì)流域進(jìn)行離散處理，使流域的地形平坦化，其高低起伏的復(fù)雜程度降低，

從而不易被提取到，所以河流的密度以及河流的長(zhǎng)度都比實(shí)際流域的??；

第二，也有部分提取的河流與實(shí)際河流的位置有相對(duì)的錯(cuò)動(dòng)。而5m分辨率DEM提取的河網(wǎng)和實(shí)際河網(wǎng)相比，

最明顯的不同之處在于提取的河流長(zhǎng)度比實(shí)際河流長(zhǎng)度小。

對(duì)比兩組結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著分辨率的降低，流域的面積變化基本不大，干流的分布也基本一致，但是提取的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單變復(fù)雜，河流的數(shù)目由多變少，河網(wǎng)密度也由大變小。這是因?yàn)楦叻直媛实腄EM能夠更加有效、細(xì)致地表達(dá)出高低起伏的地形，提取的河流總長(zhǎng)度更長(zhǎng)，即高分辨率的DEM提取出的水系更加接近實(shí)際的流域水系，特別是支流部分與實(shí)際情況更吻合。這種由分辨率不同而引起的河網(wǎng)的差異，在地形復(fù)雜的山丘地區(qū)更加明顯，因?yàn)樯絽^(qū)發(fā)育一系列的溝谷，低分辨率的DEM往往不能表達(dá)細(xì)小的沖溝、切溝，而這些沖溝、切溝很可能會(huì)發(fā)育一級(jí)河流，所以基于低分辨率DEM提取的河網(wǎng)往往一級(jí)河流被忽略，而在地勢(shì)平坦、坡度變化緩慢的平原，這種差異相對(duì)就小很多。這種差異在圖2（a）中體現(xiàn)在，流域西北部提取的河網(wǎng)與實(shí)際流域的相似性較高，而東南部提取的水系與實(shí)際流域的相似性就相對(duì)低些。

5 結(jié)語(yǔ)

論文運(yùn)用ArcGIS技術(shù)，基于不同分辨率（5m和30m）的DEM提取了崇陵流域的數(shù)字河網(wǎng)，并分析由于分辨率的不同，導(dǎo)致的數(shù)字河網(wǎng)水文特征的不同。

結(jié)果表明：精度高的DEM提取出的數(shù)字河網(wǎng)確實(shí)較精度低的DEM的提取結(jié)果更加接近實(shí)際真實(shí)情況。地形的高低起伏和坡向等因素都決定著河流的流向以及流量的大小，分辨率越高的DEM所表達(dá)的地形地貌特征與真實(shí)情況越接近，從而河網(wǎng)的提取結(jié)果與真實(shí)值越接近。但是，對(duì)于不同的地形特點(diǎn)隨著DEM精度的提高河網(wǎng)提取的結(jié)果與真實(shí)值接近的情況也不同，所以，在實(shí)際的運(yùn)用中，要根據(jù)實(shí)際的需要選擇合適的分辨率，盡量用較小的精度滿(mǎn)足實(shí)際的需要，既能減少工作量又能降低工作成本。

我們這里只是指出同一小流域不同精度DEM下的提取結(jié)果，對(duì)于大面積流域和不同地形情況下的研究還需要進(jìn)一步分析。

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