基于不同DEM數據源的膠東半島流域特征提取對比與分析

付繼強，王周龍，馬金衛，郭玲玲，王萌，宋倩茹

（1.魯東大學地理與規劃學院，山東 煙臺 264025；2.煙臺市國土資源局福山分局，山東 煙臺 265500；3.煙臺大學，山東 煙臺 264003；4.山東正元數字城市建設有限公司，山東 煙臺 264002）

0 引言

河網水系是描述一個地區的基本水文參數，它不僅反映了地區的地貌特征，更直觀地表達了地表水文狀況，可為區域流域規劃、防洪減災、生態保護等提供科學依據。小流域的提取可方便簡潔地表達出地區的水文地域劃分，從而在面源污染的估算中統計每個小流域對整體的污染百分比情況，為治污管治指明監管方向。河流網絡和集水流域劃定為一個地區受某種污染源影響的范圍提供了依據，也可作為地貌改變的指示標志。眾多學者對流域的信息提取方面已經做了大量的研究，尤其是近年來數字技術的迅猛發展及GIS在海量數據存儲、管理、空間分析和制圖方面的優勢，使GIS與水文模型結合的分布式應用日益廣泛。其中以O’Callaghan等在1984年提出的坡面流累積方法最為流行［1］，該方法是以水流在地表上漫流的方式為基礎從DEM中提取河網水系。

數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是描述地面高程值空間分布的一組有序數組，能夠反映一定分辨率的局部地形特征，通常有格網（GRID）、不規則三角網（TINs）、矢量（數字線劃）（DLGs）3種形式［2］。隨著RS和GIS技術的發展，尤其是高精度全球免費DEM數據的分發，使得采用多種模型技術來分析流域各種水問題提供必要的空間信息。DEM數據更是成為仿真模擬、地形分析和三維空間數據處理的核心數據［3］。利用DEM提取數字河網及小流域，只需結合研究區的地形狀況，利用ArcMap下Arc Hydro Tools擴展模塊就可以得到相對準確的數字河網及對應的小流域范圍，大大縮短了數據獲取的時間，同時也大大降低了成本。

在前人研究的基礎上，以膠東半島為研究區，運用水文分析工具，基于2種DEM數據源提取河網水系，并通過河網精度分析，確定與1∶25萬真實河網最為接近的數據源。同時，初步分析了11條代表性河流的流域主要特征。

1 研究區概況

膠東半島是指山東省膠萊河以東陸地區域，北臨渤海，東靠黃海，與遼東半島和朝鮮半島隔海相望。總面積42 680km2，包括青島市、煙臺市、威海市域全部以及濰坊市的一部分。濰河流域也納入研究區，以保證提取的膠萊河流域的完整性。膠東半島遍布低緩丘陵，地勢起伏和緩、谷寬坡緩的波狀丘陵，丘陵的邊緣是地表傾斜、海拔40～70m的平原，延伸至坦蕩的華北平原。山脈多近NE走向，中北部分布偉德山、昆崳山、牙山以及大澤山、羅山、艾山等，嶗山主峰嶗頂為半島最高峰，海拔1 133m。

半島水系多發源于中部山地，南北分流，獨流入海，河床比降大，源短流急。河川徑流洪枯期懸殊，汛期集中全年徑流量的70%～80%，流量過程線隨降水變化而迅速漲落；洪水時南北溝通，枯水時南北分流。流域面積在1 000km2以上的河流有膠萊河、大沽河、大沽夾河、母豬河、黃水河等。其中，膠萊河全長130 km，總流域面積3 978.6km2，以平度市姚家為界分為南北兩段，北至萊州灣為北膠萊河，南與大沽河匯流入膠州灣為南膠萊河。膠東半島最長河流為大沽河，全長179.9km，流域面積6 131.3km2（含南膠萊河）。

2 研究方法

2.1 數據源及其處理

基于SRTM（Shuttle Radar Topography Mis－sion）和 ASTER GDEM（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radiometer）2種DEM數據源提取數字河網，并進行精度比對分析。SRTM即航天飛機雷達地形測繪任務，是在德國和意大利航天機構的參與下，由美國國家航空航天局（NASA）和國家空間信息情報局（NGA）合作共同完成［4］。其DEM數據覆蓋率為全球的80%，包括SRTM1和SRTM3兩種，該文采用覆蓋中國全境的空間分辨率為90m×90m的SRTM3數據。

ASTER GDEM是美國航空航天局（NASA）和日本經濟產業省（METI）于2009年6月29日聯合發布的，是迄今為止最精確、最完整的地球陸地海拔地形圖，覆蓋了全世界陸地面積的99%［5］，數據覆蓋范圍為北緯83°至南緯83°之間的所有陸地區域，垂直、水平數據分別率分別為20m，30m，可信度均達到95%。

2種數據源的具體對比如表1所示，可以看出ASTER GDEM數據在時間序列，分辨率、覆蓋范圍等均優于SRTM數據。

表1 兩種數據源基本參數

從CGIAR－CSI的網站（http：／／srtm.csi.cgiar.org／）和美國的LPAAC（https：／／wist.echo.nasa.gov／～ wist／api／imswelcome／）分 別 下 載 相 應 的SRTM DEM90m和ASTER GDEM30m的數據，數據格式均為Geotiff。然后，將下載覆蓋整個研究區域的2種DEM數據拼接處理后，按照行政邊界裁剪出與研究區相吻合的DEM數據，并經過Albers投影將球面坐標的數據轉化成平面坐標［6］。

2.2 膠東半島地區流域特征信息提取方法

該研究應用Arc Hydro Tools模塊工具，采用漫流模型自動提取［7］區域數字河網和河系特征，提取流程見圖1。與Arctoolbox下的Hydrology水文工具不同的是，Arc Hydro Tools采用burn in算法［8］可以預先將真實的河流線性水系以及水庫、湖泊等面狀水系嵌入到DEM中，從而提高數字河網的提取精度。

圖1 河網及流域的提取過程

將真實的主干河網嵌入到DEM中，一般需要設定3個關鍵參數即緩沖區大小（柵格數）、平滑距離、陡降距離［9］。首先，根據設定的緩沖區大小生成河網緩沖區；然后，按設定的陡降距離降低河道所在格網的高程值；最后，對緩沖區內格網高程按設定的平滑距離進行平滑［10］。模塊自動默認的這3個參數值分別為5，10，100。在算法上同水文分析模塊相同，都是基于D8算法和最小集水面積閾值的概念。

3 研究結果與討論

3.1 提取出的數字水系與真實河網的對比

反復試驗發現，集水面積閾值的設定與河網的密度有著直接的關系。在一定范圍內，集水面積閾值越小，提取的數字河網就越密集。文中SRTM選取的集水面積閾值為32.4km2（4 000個柵格），GDEM選取的集水面積閾值為31.5km2（35 000個柵格）。2種數據源所提取的數字水系都能在一定程度上反映流域河網的基本特征，提取的河網水系密集度均高于1∶25萬水系。在中部平原地區，由于河流往往找不到流域的出口以及水流的具體流向，導致河網提取效果不是很理想。比較2種不同數據源的提取結果可以發現，基于SRTM DEM提取的河網在平原地區的形狀和分布優于ASTER GEDM數據提取結果，但在山地區稍遜于后者，這可能與SRTM數據獲取時采用的雷達反射受地形影響，形成疊掩和陰影，易造成高山、峽谷地區、水域等地區產生數據空洞。

從DEM中提取出的數字河網與真實水系在Arcmap中對比疊合后，會出現一些細碎的多邊形。計算這些多邊形的總面積與該小流域面積的比值即河網套合差（表2），可以比較提取出的河網水系與真實河網的吻合程度。當河網套合差小于0.02時，河網吻合度很好；當河網套合差小于0.03時，河網套合程度一般；而大于0.03時，河網吻合度較差［11］。計算結果表明，界河、黃水河、乳山河、黃壘河的河網吻合度較高，而膠萊河和大沽河的河網吻合程度較差。原因是膠萊河與大沽河流域地形較緩，平均坡度較小，且人類活動影響較大，使得河網提取結果可信度較差。其中，基于高分辨率的GDEM提取的河網效果不理想，會產生更多的偽河道。

表2 DEM提取的河網與1∶25萬真實水系的河網套合差比較

總之，雖然ASTER GDEM在水平分辨率、現實性、覆蓋范圍等方面均優于SRTM DEM數據，但是因為數據還是第一版，數據受云等影響而缺失造成的結果還處在試驗和研究階段，對其數據的地形表現與流域河網特征提取精確性等還有待改進。所以對于膠東半島地區，采用SRTM提取河網及小流域更能真實反映該地區的真實狀況。

3.2 提取出的流域面積與真實流域面積的對比

基于SRTM數據為數據源，利用Arc Hydro Tools工具將1∶25萬真實水系加載到DEM數據中進行流域范圍提取。矢量化后得到濰河、膠萊河、大沽河、五龍河、界河、黃水河、大沽夾河、乳山河、黃壘河、母豬河、辛安河等11個膠東半島主要河流的流域范圍（圖2）。

統計每個流域的面積，并與真實流域面積進行對比，求出絕對誤差和相對誤差（表3）。結果表明，濰河流域提取誤差最小，其相對誤差僅為0.44%，流域面積高估了28.8km2；母豬河流域提取誤差最大，相對誤差為8.42%，低于9%的最大誤差標準［7］。可見，流域范圍提取結果均在誤差控制范圍內，可以開展下一步的水文水環境研究等相關工作。

圖2 Arc Hydro Tools工具自動提取的小流域

表3 自動提取的流域面積與實際測量的流域面積對比

3.3 膠東半島主要流域特征分析

從表4中可以看出，11條主要河流流域中，流域面積最大是濰河，其次是大沽河，流域面積分別為6 522km2，6 001.4km2，主河道長分別為292.7 km，89.6km；而坡降比高于后者，說明濰河流域的主河流地形起伏比大沽河流域的劇烈。就河網密度來說，辛安河的河網密度最大，達到了18.4km／km2，河網密度反映的是流域內單位面積上的河流長度，可以描述水系發育和河流的疏密程度，研究數據表明，河網密度隨著流域面積的增大而減少［12］，可見辛安的流域面積最小，是造成河網密度最大的主要原因。坡降比因子能充分反映河流流經地區的起伏狀況，坡降比越大，流域經過的地形起伏越大，從數據中可以看出，坡降比最大的是界河，坡降比值達到了1∶371。

表4 膠東半島典型流域主要特征對比

在提取的11條河流中，濰河、膠萊河、界河、黃水河流入渤海萊州灣及其龍口、蓬萊北部海域，流域面積最大是濰河，最小的是界河；大沽夾河、辛安河流入黃海的套子灣和四十里灣，流域面積分別為2 296.0km2，313.8km2；大沽河、乳山河、黃壘河、母豬河、五龍河流入半島南部黃海海域，流域面積占流域總面積的27.8%。

4 結語

（1）SRTM和GDEM 兩種數據源在水文分析模塊下生成的河網與1∶25萬真實水系進行精度分析后發現：在平均坡度較小的地區如大沽河、膠萊河流域，基于GDEM河網提取效果不理想。在東部丘陵地區如大沽夾河、五龍河等流域由于地面起伏較大，河流能準確找到流域的出口以及水流的具體流向，所以提取的河網與真實水系相差不大。因此，對于膠東半島地區而言，利用分辨率為90m×90m的SRTM是提取河網及流域范圍的較好的選擇。

（2）選取SRTM DEM數據源，采用Arc Hydro Tools工具嵌入主干河網，將1∶25萬真實水系嵌入到DEM中，所提取的膠東半島11條主要河流的小流域能準確反映該地區的水文主要狀況，并就這11條河流的特征進行了比較。

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