基于DEM的三維景觀在流域模擬中的應用

摘要:流域模擬試驗區的選取受到諸如地理過程復雜性和數據獲取難度大等因素的制約，傳統的實地踏勘方法不能滿足大尺度流域試驗區的選取要求。該文提出基于數字高程模型和遙感影像建立三維景觀圖的方法，構建了流域三維地表模型，從不同視角、尺度觀察整個流域及子流域劃分情況，為確定試驗區提供了客觀、科學的依據。

關鍵詞:數字高程模型;流域模擬;三維景觀

中圖分類號:TP319文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)32-9054-02

DEM-based Three-dimensional Landscape in the Basin Simulation

LU He1， WANG Zhi-hua1， LU Ru-cheng2， XU Xiu-hong1

(1.Resources and Environment Institute， Northeastern University of Agriculture， Harbin 150030， China; 2.Geography and Marine Science Institute， Nanjing University， Nanjing 210093， China)

Abstract: The selection of basin's simulated experimental area is conditioned by many factors，such as geography complexity and difficulty of data acquisition .The traditional method of exploring can not satisfy the selection of large scale basin area. In this paper， three-dimensional surface model was built by the means of 3d landscape based on digital elevation model and the remote sensing image， and the division of whole and sub basin were observed from different perspectives， those all provide an objective and scientific basis for fixing the experimental area.

Key words: DEM; model of basin; three-dimensional landscape

流域尺度的地理過程定量化研究一般是在計算機、GIS(地理信息系統)、RS(遙感)等技術支持下模擬多種地理過程[1]。因時間的差異性和空間分布的異質性，使得流域內的降水、蒸散發、入滲、徑流等地理過程異常復雜。此外，流域模擬需要大量的、長時間尺度的基礎數據作為支持。地理過程的復雜性和基礎數據的難于獲取使流域模擬的試驗研究工作受到一定程度的制約，所以選擇合理的試驗區無疑是至關重要的。流域模擬的研究尺度通常較大，實地踏勘劃定試驗范圍、確定水文觀測站點存在不小困難。利用DEM(數字高程模型)、遙感影像，以及基于DEM生成的流域河網，在GIS平臺下生成三維景觀圖，模擬真實流域地物地貌，最終確定流域模擬試驗區域和水文觀測站點的位置。

1 基礎數據和軟件平臺說明

江蘇省宜興市位于31°07'-31°37'N，119°31-120°03'E，地處太湖水網平原與宜溧山地之間，境內河網密布、湖泊眾多，水系發達，是作為流域模擬試驗的理想地區。為保證現勢性和逼真度，數字高程模型選用SRTM(航天飛機雷達地形測量計劃)的DEM，分辨率為90m，獲取時間是2000年。遙感數據采用美國陸地衛星Landsat-7的ETM+影像，分辨率為30m，時相是2006年5月21日。本文數據均自http://glcfapp.umiacs.umd.edu:8080/esdi/index.jsp下載得到。

數據格式轉換選擇了Global Mapper v10.02版，GIS軟件采用ESRI公司的ArcGIS Desktop 9.2的ArcInfo版。RS軟件使用美國RSI公司的ENVI(Environment for Visualizing Images)4.3版。運用美國農業研究部研究所開發的SWAT模型體系進行流域模擬中子流域的劃分，軟件版本是運行在ArcGIS 9.2平臺下的ArcSWAT。

2 技術路線和分析

2.1 數據處理

下載得到的ETM+影像各波段后綴為.TIF.gz，不具有頭文件，ENVI和ArcGIS均不能正常讀取，借助Globe Mapper將可以合成真彩色的1、2、3波段分別轉換成GeoTIFF文件格式，后綴為.tif(如圖1)。將格式轉換后的三個波段，在ENVI中疊加成包含三個波段的一幅遙感影像，為保證疊加后效果，重采樣方法可選用三次卷積(如圖2)。把疊加后的結果圖保持為.tif格式，以便ArcGIS正確讀取。

在Global Mapper中將獲取的數據轉換成美國地質調查局USGS-DEM，實現在ArcGIS中對DEM數據的讀取。SRTM-DEM在水域、高山以及峽谷地區的數據質量較差，常常有數據空白區。其原因主要是因為在數據獲取時，雷達信號受到干擾或者發生鏡面反射、雷達陰影及回報滯后等情形，致使部分地區的數據無法獲得[2]。數據空白區的存在影像了SRTM-DEM數據的使用，在使用數據之前，需要對空白區域進行填充。填充方法有利用對應的其它高分辨率DEM數據填充融合、利用已有等高線內插鑲嵌、利用周圍數據直接內插、提取等高線后內插以及利用SRTM填充工具等方法[3]，此外梁科(2008)提出基于神經網絡的SRTM數據空值區域填充的方法[3]，并驗證了其可行性。考慮基于內插的方法對DEM空白區域的填充效果較好，本文采用Global Mapper內插工具進行填充，在格式轉換時一并完成。

三維景觀圖的生成依賴于DEM和遙感影像的套和，實現套和的前提是具有相同的空間參照。下載得到的SRTM-DEM和ETM+的空間參照均為WGS_84_UTM_Zone_51，可以直接進行二者的套和。

原始的DEM和ETM+圖幅范圍大，處理較不便，根據預計試驗區大致范圍在ArcGIS中建立掩模，切割DEM和ETM+數據。掩模建立時，為其指定與DEM、ETM+相同的空間參照。

2.2 流域河網的生成

在ArcGIS中加載SWAT模型，利用DEM進行子流域的劃分。

1)新建SWAT工程。一個SWAT工程包括一個工程目錄和兩個子目錄。工程目錄包括一個ArcMap文件、兩個地理數據庫文件。兩子目錄用于存儲GIS數據及集臨時文件和SWAT模型運行輸出文件[4]。

2)進行流域的自動劃分。首先，進行DEM配置，為提高生成河網的準確性，可以采用“Burn In”的方法[5]。其次，進行定義河道，基于DEM，計算水流方向和水流累積量，然后生成河網及出口點。再次，為整個流域指定一個出口點。最后，計算子流域參數，完成流域劃分(如圖1)。

2.3 流域三維景觀的建立

1)在ArcScene中，加載DEM、ETM+以及生成的河網數據(\\Output.mbd\\ArcHydro)。

2)在ETM+圖層屬性中選擇Base Heights，設置圖層高程來源為DEM。在Scene layers屬性中計算垂直方向夸大比例。

3)為河網數據各圖層設置高程來源為DEM，方法同2)。為提高顯示效果，可以改變顏色設置、點或線粗細(如圖2)。

得到的三維景觀圖具有較好的仿真效果，可以多視角、多尺度、多方式(飛行或設定中心點)進行觀察，并將結果導出生成2D或3D場景。這為流域模擬試驗區的確定提供了豐富、科學的依據，大大減少野外工作量。

3 結論

通過以上論述，得到以下結論:

1) 采用Global Mapper，實現了下載數據的讀取，并轉換成可供ENVI或ArcGIS識別的數據格式。對DEM數據進行內插，填補了數據空白區域。填補過程與數據格式轉換同時進行，在提高工作效率的同時，也能保證內插結果的可靠性。

2) 利用ArcSWAT，簡捷高效地生成了河網。在ArcScene中，以DEM作為數據源，ETM+影像作為紋理貼圖，并結合劃分的河網數據，構建了流域三維地表模型，從不同視角、尺度觀察整個流域及子流域劃分情況，為確定試驗區提供了客觀、科學的依據。

參考文獻:

[1] 李碩.GIS和遙感輔助下流域模擬的空間離散化與參數化研究與應用[D].南京師范大學，2002.

[2] Hennig T ，Kretseh J. The Shuttle Radar Topogra2 phyMission[A]. In:Proeeedings of DEM 2001[C].Springeroverlag， 2001:65-77.

[3] 梁科.基于SRTM數據的流域水系提取與三維可視化[D].中南大學，2008.

[4] WINCHELL M， SRINIVASAN R， LUZIO M D . ARCSWAT 2.0 INTERFACE FOR SWAT2005 User's Guide[M].2008.

[5] Willian K， Saunders David R and Maidment. A GIS assessment of nonpoint source pollution in San Antonio-Nueces Coastal Basin[D]. Center for Research in Water Resources，The University of Texas at Austin， 1996.