高精度DEM在南四湖濱湖洼地排澇分區(qū)中的應(yīng)用

尚書河耿 勇陳立峰李玥璿

高精度DEM在南四湖濱湖洼地排澇分區(qū)中的應(yīng)用

尚書河1耿 勇2陳立峰1李玥璿2

一、引言

目前對(duì)南四湖濱湖洼地進(jìn)行排澇分區(qū)，通常基于1∶10000或1∶50000比例尺地形圖，參照市縣水利工程統(tǒng)計(jì)手冊(cè)，由相關(guān)技術(shù)人員在地形圖上進(jìn)行劃定，工作周期長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查任務(wù)繁重，最終成果矢量化后還存在一定誤差。而通過1∶5000比例尺DOM生成的高精度DEM，進(jìn)行高精度等高線的自動(dòng)提取，可以定量地對(duì)微地貌特征進(jìn)行量測(cè)，協(xié)助劃定排澇分區(qū)，提高了工作效率與成果質(zhì)量，從而指導(dǎo)骨干泵站及干溝治理，也能為區(qū)域資源開發(fā)和災(zāi)害防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

二、研究區(qū)概況

南四湖流域?qū)倩春恿饔蛞抒疸羲担饔蛎娣e3.17萬km2，其中湖東0.85萬km2，湖西2.19萬km2，湖面0.13萬km2。包括山東省菏澤市、濟(jì)寧市、棗莊市，泰安市、臨沂市的部分面積，以及河南、江蘇、安徽三省的部分面積。匯集入湖的大小河流共有53條，其中湖東28條，湖西25條，來水經(jīng)南四湖調(diào)蓄后，在微山湖分別經(jīng)韓莊運(yùn)河和不牢河下泄入中運(yùn)河，再南下排入駱馬湖。

湖東在津浦鐵路以東基本為山丘，與蒙山支脈和沂河毗臨，鐵路以西是丘陵平原，地面比降一般為1/1000～1/10000。湖西黃泛平原位于黃河與廢黃河之間，地面比降在1/5000～1/20000。該區(qū)地面高程自西向東，由南、北向中間凹下，總趨勢(shì)又呈簸箕狀向東漸次緩降，由于受歷代黃河改道、決口和沖積影響，地形呈波狀起伏，崗、洼相間。

沿湖37m等高線（廢黃河高程，下同）以下地區(qū)常年承受湖、河側(cè)滲影響，汛期受湖、河水位頂托，嚴(yán)重影響區(qū)內(nèi)澇水自排，嚴(yán)重時(shí)在地上積水0.1～0.2m，形成濱湖洼地，面積2303km2，屬于魯南泰沂低山丘陵與魯西南黃泛平原交接地帶，地勢(shì)低洼，地形開闊，二級(jí)壩以北地區(qū)地面高程一般為33.8～35.0m，以南地區(qū)地面高程一般為32.6～33.5m，僅在青山、郗山附近為低山丘陵微地貌分布。

三、排澇分區(qū)提取

以山東省國(guó)土測(cè)繪院2008年航空攝影影像資料生成的濟(jì)寧1∶5000DEM的基礎(chǔ)上，將濱湖洼地范圍面狀圖層利用在Arctoolbox中的工具中轉(zhuǎn)化成raster圖層，裁剪DEM后得到洼地范圍內(nèi)的DEM。依據(jù)DEM中每一個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)和相鄰高程點(diǎn)的數(shù)據(jù)差來確定水流方向，然后根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)來計(jì)算每一個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)的上游集水區(qū)，再根據(jù)集水區(qū)內(nèi)部和集水區(qū)之間的高程數(shù)據(jù)，用閥值法確定所屬水系的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)將排澇分區(qū)追索出來，流程如下：柵格DEM→填洼預(yù)處理→柵格水流方向計(jì)算→排澇分區(qū)生成。

在提取數(shù)字河網(wǎng)處理過程中，涉及一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是最小水道長(zhǎng)度，即按照給定的最小水道給養(yǎng)面積閥值，根據(jù)水流匯集格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型可以生成流域河網(wǎng)。由于河道長(zhǎng)短與其集水面積息息相關(guān)，因此，最小長(zhǎng)度閥值通常以柵格數(shù)來設(shè)定，經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的閥值為研究區(qū)柵格數(shù)的1%。本文分別以柵格數(shù)的1%、1.5%、2%三種閥值方案進(jìn)行了對(duì)比，生成的河網(wǎng)主干非常一致，只是河網(wǎng)的詳細(xì)程度上存在差別。閥值越小，提取的流域自然水系越詳細(xì)，河道的起點(diǎn)越向上游延伸。通過與研究區(qū)地形圖的水系特征比較得出，當(dāng)閥值取柵格數(shù)的1.5%時(shí)，提取的流域自然水網(wǎng)最理想。

在通過柵格水流方向計(jì)算后，相應(yīng)的流域內(nèi)部集水邊界也會(huì)自動(dòng)生成。通過比較發(fā)現(xiàn)，由于研究區(qū)的一些特定的自然和人為限制，例如公路、堤防等，排澇分區(qū)的提取由于算法無法識(shí)別邊界假閉合等缺陷，同樣存在一定誤差，需參考研究區(qū)地形圖和規(guī)劃圖，并結(jié)合DEM特征和部分實(shí)地GPS對(duì)現(xiàn)狀河道的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)矯正。

四、結(jié)果分析與討論

通過以上數(shù)字方法提取出濱湖洼地一級(jí)排澇分區(qū)75個(gè)，后期人工編輯整理后，成果符合現(xiàn)狀水系。DEM數(shù)據(jù)生成過程本身會(huì)造成高程值部分失真，填洼等技術(shù)處理也同樣會(huì)影響數(shù)字河網(wǎng)提取的精度。排澇分區(qū)提取對(duì)地理高程數(shù)據(jù)較為敏感，采用DEM所確定流域河網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和空間位置首先取決于DEM數(shù)據(jù)精度。研究表明，只有當(dāng)DEM數(shù)據(jù)的尺寸小于所模擬的水文現(xiàn)象檔的特征尺度，才能提供必要的信息。在地勢(shì)十分平坦的區(qū)域，如果數(shù)據(jù)精度無法提供真實(shí)存在的細(xì)微高程差別，就無法生成合理的數(shù)字河網(wǎng)。為此，選取較高精度的1∶5000DEM作為數(shù)據(jù)源，基本可滿足數(shù)據(jù)精度要求。

在排澇分區(qū)提取過程中，對(duì)最小水道長(zhǎng)度閥值沒有明顯設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中最小水道的集水面積取決于很多因素，比如研究區(qū)內(nèi)地貌、下墊面差異等。盡管最小水道閥值的選擇對(duì)確定主要河道的空間位置并沒有什么影響，但當(dāng)其取一個(gè)常數(shù)值時(shí)，會(huì)使得從DEM中提取的流域河網(wǎng)水系和實(shí)際情況有些差別。本文所取的最小水道長(zhǎng)度閥值略大于經(jīng)驗(yàn)值，是由研究區(qū)的特點(diǎn)所決定的，由于地勢(shì)平坦，產(chǎn)流后的地表徑流方式以漫淹為主，水流擴(kuò)散十分緩慢，因此，研究區(qū)的排澇分區(qū)生成必須具備較大的集水面積閥值。

五、結(jié)語

在南四湖濱湖洼地1∶5000比例尺DEM的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ArcGIS10.CS對(duì)研究區(qū)進(jìn)行排澇分區(qū)研究。在保持高精度DEM前提下，數(shù)字地表水系和排澇分區(qū)可以通過基于DEM自動(dòng)提取出來，但存在河道局部偏移及河網(wǎng)失真等問題，需要進(jìn)行局部修正。在DEM數(shù)字高程預(yù)處理過程中保持高程信息的特征不丟失，以及發(fā)展專業(yè)處理平坦區(qū)域和澇洼地的有效算法，將進(jìn)一步提高平原洼地區(qū)域數(shù)字水系及排澇分區(qū)提取的效率和精度■

（作者單位：1.山東省淮河流域水利管理局規(guī)劃設(shè)計(jì)院 250100 2.濟(jì)寧市洙趙新河管理處 272000）