基于DEM的烏梁素海東部流域河網信息提取

朱 超,于瑞宏,劉慧穎,孫若鵬,劉金巍

(1.內蒙古大學環境與資源學院,內蒙古呼和浩特 010021;2.內蒙古大學生命科學學院,內蒙古呼和浩特 010021)

基于DEM的烏梁素海東部流域河網信息提取

朱 超1,于瑞宏1,劉慧穎1,孫若鵬1,劉金巍2

(1.內蒙古大學環境與資源學院,內蒙古呼和浩特 010021;2.內蒙古大學生命科學學院,內蒙古呼和浩特 010021)

以烏梁素海東部流域為研究區,基于免費獲取的3″的Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)數字高程模型(DEM),利用HEC-GeoHMS模塊,確定流域不同匯流累積量閾值的河網密度,通過二者關系曲線,得出東部流域最適匯流累積量閾值為15 km2。實現流域水系提取和子流域劃分,繼而將其與東部流域1∶250000數字地形圖進行疊加。結果表明:采用DEM提取的水系和子流域與數字地形圖匹配良好,即3弧秒的DEM可有效應用于烏梁素海東部流域河網信息的提取。

數字高程模型;HEC-GeoHMS;最適匯流累積量;河網信息;自動提取

河網信息是反映流域特征的基本骨架,也是構建流域分布式水文模型的重要參數[1]。過去獲取河網信息主要有2種方法:①實地量測;②從地形圖、航片和衛星影像中手工提取。這2種方法不僅費時費力,而且其精確性很大程度上受操作者主觀意愿的影響。隨著計算技術、3S技術在水文學研究中的應用,直接從DEM(digital elevation model)中提取河網信息的方法得到了很大的發展,并在近年來成為水文學研究的熱點[2]。目前國內對流域水文信息自動提取的研究工作主要集中在洼地的填充[3-6]、匯流累積量閾值的確定[7-8]等;研究區域則集中在南方,如太湖流域[9]、鄱陽湖流域[10]、瀾滄江流域[11]等,對于北方干旱區流域水文信息自動提取的研究僅見于柴達木盆地流域。

烏梁素海東部流域東起全盛西溝,西至昆都侖河,流域面積為4822.59km2。該流域對烏粱素海的水量平衡有重要影響,實現該流域的水文信息提取不僅對流域產流和河流污染的研究有重要意義,還可以為烏梁素海生態需水量及富營養化的研究提供基礎數據。目前國內就烏梁素海東部流域進行水文信息提取的研究較為少見,筆者利用HEC模型中的HECGeoHMS模塊,在SRTM DEM數據的基礎上,對烏梁素海東部流域進行水文信息的提取,可在一定程度上彌補該地區在水文特征模擬方面研究的不足。

1 研究區概況

烏梁素海東部流域(圖1)位于內蒙古自治區巴彥淖爾市和包頭市境內,屬干旱半干旱氣候區,年平均氣溫為6.6℃,多年平均降雨量為215mm,全年降雨量70%以上集中在7—9月[13]。流域地形以山地為主(約占60%),平均高程為1624m。流域降雨主要通過黃土窯子河排入烏梁素海。

圖1 烏梁素海及其東部流域示意圖

2 數據源

研究所用的數據為烏梁素海東部流域的SRTM(航天飛機雷達地形測量任務)DEM數據和國家基礎地理信息系統1∶250000數字地形圖。

DEM根據數據結構可分為3類:等高線、不規則三角網和柵格型。雖然前2種格式的DEM能更好地描述地形,但柵格DEM由于其簡單有序的數據特征而在河網提取中應用更多[14]。SRTM DEM是由美國“奮進”號航天飛機于2000年2月11—22日繞地球飛行176圈,獲取了覆蓋全球80%地區的雷達影像后處理得到的。中國境內可用的數據為3″(分辨率約90m),數據的平面基準為WGS84,高程基準為EGM96,垂直誤差小于16m(90%置信度)[15]。原始DEM數據可從CGIAR-CSI SRTM 90m數據庫下載(http://srtm.csi.cgiar.org/),經過投影變換、圖像拼接和邊界裁剪等處理可得到研究區的DEM。

3 研究方法

利用HEC-GeoHMS提取水系特征的原理是:首先確定每個柵格單元的水流方向,根據水流方向計算匯流累積量,再選擇合適的匯流累積量閾值提取河網,最后由河網和出水點的位置劃分子流域。主要流程為:DEM的預處理、水流方向的確定、匯流累積量的計算、河網的生成和子流域的劃分。

3.1 DEM的預處理

DEM中的洼地主要來源于原始數據、插值過程以及水平和垂直分辨率的限制[16]。某些情況下,洼地單元格的數目可以達到柵格單元總數的5%,甚至更多[17-18]。對于小的或起伏較大的流域,由于地形的落差較高,洼地常可被忽略;而對于大的或較平坦的流域,洼地的深度常常可以超過實際高程之間的差值,這時就會給水流方向的判斷帶來很大的誤差[19]。因此,在確定水流方向之前,要對DEM進行填洼處理。洼地填充的原理是:增加洼地內單元格的高程,使其與洼地邊界高程最低的單元格的高程相等[20]。

3.2 水流方向的確定

在填洼后的DEM中,每個柵格單元都有一個可以定義的水流方向值。某一柵格單元的水流方向是指水流離開此單元格時的指向[21],這一概念最早是由Mark等[22-23]提出的。水流方向的確定有單流向法和多流向法2種。單流向法包括D8算法、Rh08算法、Lea算法和D∞算法等,多流向法則包括MFD算法、DAEMON算法和Dinf算法等[24]。其中,最常用的是D8算法[25]。

HEC-GeoHMS中采用D8算法進行水流方向的計算,D8算法假定每個單元格的水流可能流向8個相鄰的單元格,水流沿最陡坡度的方向流動,計算出中心單元格與周圍8個單元格的坡度即可確定中心單元格的水流方向[26]。以此類推,可得到所有單元格的水流方向。

3.3 匯流累積量的計算

沿某單元格水流方向向上搜索至邊界可算出該單元格的匯流累積量,賦予該單元格一個值,該值表示流入它的上游單元格的數目,值越高,說明其匯流能力越強。

3.4 河網的生成

河網的生成基于如下假設:如果某單元格的匯流累積量值大于閾值,則該單元格是河網的一部分[17]。因此,選擇一個匯流累積量閾值,凡是匯流累計量大于該閾值的單元格均認為是河網的組成部分,將這些單元格連接起來,就生成了河網,閾值越大,生成的河網的密度越小。

3.5 子流域的劃分

子流域的劃分建立在提取的河網基礎上[28]。劃分子流域時,首先要確定子流域的出水點。所謂出水點,一般是指2條河流的匯流點或真實地形中的水文站或大壩。找到出水點后,沿水流向上游搜索,所有流經該點的單元格都被認為是子流域的組成部分,一直搜索到流域邊界,將這些單元格集結在一起就生成了子流域[29]。

4 結果與討論

4.1 流域水系的提取

在河網提取的過程中,選擇合適的匯流累積量閾值最為關鍵[30]。閾值的選取通常根據河網密度來確定。其原理是:隨著匯流累積量閾值的增大,河道起始點的位置會向流域地勢平坦處“退縮”,河長相應縮短,所提取的河流級別也會變高,河道數目就會越來越小[8]。當匯流累積量閾值增大到一臨界值時,河網密度的變化趨于平緩。此時所對應的匯流累積量閾值就是最適的匯流累積量閾值。

依次選取 1、5、10、15、20、25、50km2為匯流累積量閾值,計算出對應的河網密度。匯流累積量閾值與河網密度的關系見圖2。由圖2可以看出,當匯流累積量閾值為大于15km2時,河網密度的變化趨于平緩。因此,選取15km2作為生成河網的閾值,生成的河網見圖3。

圖2 河網密度與匯流累積量閾值的關系

圖3 閾值為15km2時生成的河網

4.2 子流域的劃分

圖4為自動提取的烏梁素海東部流域子流域圖。整個流域共劃分出18個小流域,最小子流域面積為15.32km2,最大為1 177.31km2。這些子流域可以和土地利用圖等進行疊加運算,從而為建立分布式水文模型提供基本參數[31]。

圖4 烏梁素海東部流域子流域劃分

4.3 精度檢驗

4.3.1 基于DEM提取的水系與數字地形圖中水系的比較

將從DEM中提取的水系與從1∶250000數字地形圖上得到的河網相比較(圖5),可以看出:二者吻合較好,特別是主干河道基本重合,且基于DEM提取的水系更詳細,因為它將所有匯流累積量超過15km2的河流都提取出來了。由于2002年版內蒙古1∶250000數字地形圖中只記錄了六級及以上等級河流,且目前并無更新的數字河流,所以本實驗結果還可以作為其他相關研究的數據源。

圖5 DEM提取的河網與數字水系的比較

表1 提取的流域面積與實際流域面積的比較

4.3.2 基于DEM提取的流域與實際流域的比較

為了檢驗基于DEM提取的流域與實際流域之間的誤差,選取了4個有代表性的子流域,計算提取的流域面積并與實際流域進行比較,結果如表1所示。不難看出,DEM提取的子流域面積與實際流域面積比較接近,在廣生隆、大佘太和十二分子流域,面積的相對誤差在5%以內,但在烏拉特前旗流域的誤差較大,原因可能是該地區地勢較平坦,提取誤差較山區為大。此外,林杰等[32]認為,HEC-GeoHMS對人類活動影響較大的流域提取效果不佳,烏拉特前旗流域受人類活動影響較大,可能也是誤差較大的原因。

5 結 論

以免費獲取的SRTM DEM為基礎數據,利用HEC-GeoHMS模塊,完成DEM數據的預處理、水流方向的確定、匯流累積量的計算,并根據DEM屬性數據,計算出不同匯流累積量閾值的河網密度,確定出研究流域的最適閾值為15km2,從而提取出流域水系,其后由水系和出水點的資料,劃分出烏梁素海東部流域的各子流域,由此得到結論:

a.將基于DEM的水文信息提取結果與流域數字地形圖相疊加,表明水系和子流域與數字地形圖匹配良好,3″的DEM可有效應用于烏梁素海東部流域分布式水文模型的建立。

b.流域參數提取的精度和詳細程度取決于DEM的質量和分辨率[33]。考慮DEM數據的精度(3″)和研究區面積(4823km2),本文的結果從效率和精度上都是較好的。

據此認為,SRTM DEM數據可有效應用于烏梁素海東部流域水系及子流域的獲取,這不僅節省了昂貴的數字地形圖獲取所需支付的費用,同時為干旱半干旱地區水系提取提供了高效可行的數據源。

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Information extraction of drainage network of the eastern basin of Wuliangsuhai Lake based on DEM

ZHU Chao1,YU Rui-hong1,LIU Hui-ying1,SUN Ruo-peng1,LIU Jin-wei2
(1.College of Environment and Resources,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China;2.College of Life Sciences,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China)

Taking the eastern basin of Wuliangsuhai Lake as a study area,drainage network density was determinedwith different confluence cumulant thresholds by using the HEC-GeoHMS mode based on 3 second of arc Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)DEM.The optimal confluence cumulant threshold of 15 km2was determined by relationship between drainage density and threshold.The extraction of drainage network and subdivision of basins were realized,and it was overlaid with the digital topographic map at 1∶250000 scale.The results indicated that drainage network and subbasins extracted from DEM was well consistent with the digital topographic map,that is to say 3 second of arc SRTM DEM could be effectively used for drainage network extraction of the eastern basin of Wuliangsuhai Lake.It could not only save time and energy in topography measurement,but also raise the accuracy of drainage network extraction.

DEM;HEC-GeoHMS;optimal confluence cumulant;information of drainage network;automated extraction

TV212.5+1

A

1004-6933(2011)03-0075-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.019

國家大學生創新性實驗計劃(081012608)

朱超(1987—),男,山東菏澤人,本科生,水文水資源專業。E-mail:interzhuc@163.com

于瑞宏,副教授。E-mail:yrh0108@163.com

(收稿日期:2010-05-17 編輯:徐 娟)