基于ASTER GDEM V2黑龍江省牡丹江流域水系提取與分級

李志飛，徐金忠，楊慶楠

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著“河長制”工作在黑龍江省的全面推行，河流生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)的現(xiàn)實需求更加迫切，河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價與生態(tài)修復(fù)成為當(dāng)前的研究熱點[1-4]。河流是一個完整的連續(xù)體，上下游、左右岸構(gòu)成一個完整的體系，需要運(yùn)用系統(tǒng)思維綜合治理。水土保持是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，是江河治理的根本，河流兩岸水土保持生態(tài)體系對河流生態(tài)保育與“河長制”實施的科學(xué)支撐也成為研究趨勢與重點之一。

牡丹江為松花江干流右岸最大支流，位于黑龍江省東南部山地區(qū)，流域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重，牡丹江的生態(tài)安全對流域內(nèi)防洪安全、飲水安全、生態(tài)環(huán)境等具有重要作用。本文基于ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的Hydrology水文處理工具對黑龍江省牡丹江流域內(nèi)水系分布與分級進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步研究不同尺度河流生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能、河流生態(tài)保護(hù)和修復(fù)、水土流失防治等提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

牡丹江為松花江干流右岸最大支流，發(fā)源于長白山脈白頭山之北的牡丹嶺，流經(jīng)吉林省敦化市和黑龍江省寧安市、牡丹江市、海林市、林口市、依蘭縣等縣(市)，在依蘭縣城西注入松花江。主要支流有珠爾多河、海浪河、五林河、烏斯渾河、三道河等。流域總面積37 023 km2，黑龍江省境內(nèi)流域面積28 543 km2。按照全國水土保持三級區(qū)劃，屬于“長白山山地水源涵養(yǎng)減災(zāi)區(qū)”；按照黑龍江省水土保持三級區(qū)劃，屬于“東南部山地水源涵養(yǎng)減災(zāi)區(qū)”。

研究區(qū)位于黑龍江省東南部，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季短，回暖快，風(fēng)大易旱；夏季溫?zé)岫嘤?；秋季短?降溫快；冬季漫長寒冷。年均氣溫4.3 ℃，年均降雨量540 mm左右，年均徑流深150 mm左右。海拔介于0～1710 m，地形以山地和丘陵為主，呈中山、低山、丘陵、河谷盆地 4 種形態(tài)。土壤類型主要有暗棕壤、白漿土、草甸土等。

2 數(shù)據(jù)下載

本文數(shù)據(jù)采用ASTER GDEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)。ASTER GDEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品是基于“先進(jìn)星載熱發(fā)射和反輻射計(ASTER)”數(shù)據(jù)計算生成，是目前唯一覆蓋全球陸地表面的高分辨率高程影像數(shù)據(jù)。ASTER GDEM V2全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)于2015年1月6日正式發(fā)布。數(shù)據(jù)時期：2009年；數(shù)據(jù)類型：TIFF；投影：經(jīng)緯度；空間分辨率：30 m；共享方式：免費(fèi)。

通過查詢流域范圍，共下載ARTGTM_N43E128 、ARTGTM_N43E129 、ARTGTM_N43E130、 ARTGTM_N43E131、 ARTGTM_N44E128 、ARTGTM_N44E129 、ARTGTM_N44E130 、ARTGTM_N44E131 、ARTGTM_N45E128 、ARTGTM_N45E129 、ARTGTM_N45E130 、ARTGTM_N45E131 、ARTGTM_N46E129 、ARTGTM_N46E130等14幅圖。把上述圖件拼接，用黑龍江省牡丹江流域界線裁剪，得到原始DEM數(shù)據(jù)。

3 水系提取

水系提取的基本過程分為以下4步：(1)原始DEM洼地填充。(2)計算水流方向。(3)計算匯流累積量。(4)水系的生成。

3.1 填洼(Fill)

填洼最主要的目的是計算柵格流向，保證水系的完整與準(zhǔn)確。由于DEM誤差以及一些特殊地形的影響，使得DEM表面存在一些凹陷的區(qū)域，導(dǎo)致在水流方向計算時，得到不合理的甚至錯誤的水流方向。因此，在水流方向計算之前，應(yīng)該對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無洼地的DEM[8]。

(3) 單邊供電模式下2列AW3車同時起動電流上升率(0.38 A/ms)，電流上升斜率較低，且電流上升持續(xù)時間為秒級數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于保護(hù)整定數(shù)據(jù)，未達(dá)到電流增量保護(hù)的整定值(25 A/ms)。

對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼，輸出無洼地的demfill柵格數(shù)據(jù)。

操作步驟：ArcMap→ArcToolbox→Spatial Analyst Tools→Hydrology→Fill。

3.2 水流方向的提取(Flow Direction)

水流方向通過計算中心格網(wǎng)與鄰域格網(wǎng)的最大距離權(quán)落差來確定。ArcGIS中水流方向是利用D8算法(最大坡降法)，用鄰域柵格的坡降來確定水流方向，坡降最大的單元格即為水流出的方向。每一格網(wǎng)的水流方向指水流離開此網(wǎng)格的指向。流向的生成是個自動的過程，運(yùn)算的時間跟電腦性能和DEM圖的精度大小有關(guān)。

用填洼后的demfill柵格數(shù)據(jù)提取水流方向，輸出Fdirection柵格數(shù)據(jù)。

操作步驟：ArcMap→ArcToolbox→Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Direction。

3.3 匯流累積量計算(Flow Accumulation)

匯流累積量是基于水流方向計算得出的。匯流累積量的基本思想是以規(guī)格網(wǎng)表示的DEM每點處有一個單位水量，按照水流由高處流向低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域流向柵格計算每點流過的水量，從而得到該區(qū)域的匯流累積量。當(dāng)匯流量累積到一定程度的時候，地表就有水流產(chǎn)生，所有匯流量超過臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，這些水流路徑構(gòu)成水系。目前，常用的水系提取方法是地表徑流漫流模型[8]。

用Fdirection柵格數(shù)據(jù)計算匯流累積量，輸出Faccumulation柵格數(shù)據(jù)。

操作步驟：ArcMap→ArcToolbox→Spatial Analyst Tools→Hydrology→Flow Accumulation。

3.4 使用柵格計算器(Raster Calculator)，獲得水系

集水閾值的確定影響著水系提取的精度，是自動提取的水系是否與實際河道相符的關(guān)鍵。閾值越大，水系越稀疏，會導(dǎo)致部分常流河道缺失；閾值越小，水系越密集，容易生成偽河道。“試誤法”是確定集水閾值常用的方法，其缺點是受人為影響較大，取值較為隨意，直接影響水系提取效果。采用水系密度變化率等于集水閾值變化率的數(shù)學(xué)方法確定最佳集水閾值，即將水系密度與集水閾值的冪函數(shù)同切線方程聯(lián)立，求解唯一值作為水系提取的閾值，這種方法避免了人為干擾，相對客觀，效果最佳[8]。

選取0.005 km2、0.01 km2、0.02 km2、0.05 km2、0.1 km2、0.2 km2、0.4 km2、0.6 km2、0.8 km2、1.0 km2、1.2 km2、1.4 km2、1.6 km2、1.8 km2、2.0 km2共15個集水閾值，分別計算出水系密度，集水閾值與水系密度擬合成冪函數(shù)見圖1。

圖1 集水閾值與水系密度的關(guān)系

采用公式(1)為切線方程：

y=-x+a

(1)

式中：y為水系密度；x為集水閾值；a為截距。

集水閾值與水系密度的冪函數(shù)同切線方程聯(lián)立：

當(dāng)x有唯一解時，所取的值即為最佳集水閾值，經(jīng)計算，當(dāng)a=0.188 05時，x有唯一解0.062 77。因此，選取最佳集水面積閾值為62 770 m2。

使用柵格計算器，利用Con(“Faccumulation” >= 62770,1)，輸出stream柵格數(shù)據(jù)。

操作步驟：ArcMap→ArcToolbox→Spatial Analyst Tools→Map Algebra→Raster Calculator。

4 水系分級

根據(jù)生成的水系柵格數(shù)據(jù)和水流方向柵格數(shù)據(jù)，進(jìn)行水系分級。最小的、長期有水流動的河段是1級河流；兩條1級河流匯流成2級河流；兩條2級河流匯流成4級河流；下一級河流的等級為上一級河流等級相加，即Shreve分級法。

4.1 水系分級(Stream Order)

水系分級是對一個線性的河流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分級別的數(shù)字標(biāo)識。在 ArcGIS 的水文分析中，提供兩種常用的水系分級方法: Strahler 分級和 Shreve 分級。兩者的不同之處在于 Strahler 方法中當(dāng)兩條支流匯合時如級別不同則下一級河段的級別不增加，而保留上一級的最大級別，只有當(dāng)級別相同時才進(jìn)一級。Shreve 方法中支流匯合后，下一級河流的等級為上一級支流等級相加的結(jié)果。本文采用Shreve分級法。

利用Stream和Fdirection，輸出streamorder柵格數(shù)據(jù)，分級方法選Shreve。

操作步驟：ArcMap→ArcToolbox→Spatial Analyst Tools→Hydrology→Stream Order。

4.2 柵格轉(zhuǎn)矢量(Stream to Feature)

利用streamorder和Fdirection柵格數(shù)據(jù)，輸出river矢量數(shù)據(jù)，即為水系，打開圖層屬性的符號系統(tǒng)，按數(shù)量(GRID_CODE)分為5級。見圖2。

操作步驟：ArcMap→ArcToolbox→Spatial Analyst Tools→Hydrology→Stream to Feature。

圖2 牡丹江流域水系分布及分級圖

5 結(jié) 論

基于ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)，利用ArcGIS中的Hydrology水文處理工具，提取了黑龍江省牡丹江流域的水系分布，并分為5級，可為牡丹江流域內(nèi)不同尺度河流生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能研究，河流生態(tài)保護(hù)與修復(fù)，水土流失防治等工作提供研究基礎(chǔ)和參考依據(jù)。