基于DEM提取流域水文信息的探討與實(shí)踐

張力，朱思蓉，曹曦，甘拯

(長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司，湖北武漢 430013)

1 前言

近幾年，GIS技術(shù)和空間信息技術(shù)在數(shù)據(jù)處理、空間分析及可視化方面的應(yīng)用為水文分析、水資源管理方面提供了有效的解決方法和科學(xué)的手段。目前，水資源模型的研究重點(diǎn)已從單純的函數(shù)模擬統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)到與成熟的GIS軟件相結(jié)合的具備空間分析能力的水文地理數(shù)據(jù)模型，其中基于DEM提取流域水文信息技術(shù)是這種研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。

城市區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)及森林、交通道路、流域規(guī)劃管理及工程設(shè)計(jì)等許多領(lǐng)域，需要了解所涉區(qū)域內(nèi)的真實(shí)地形，進(jìn)行水文分析研究地表水體在區(qū)域的空間分布及不同時(shí)間流經(jīng)的狀態(tài)，以便于規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中各種工程的合理布置、管理工作中高效便捷規(guī)則的制定運(yùn)作。在基礎(chǔ)地形圖缺乏的情況下，GIS可以利用表示地形地表的數(shù)字高程模型(DEM)來提取水系和劃分水系子流域，作為支持水文模擬分析的重要工具。

2 水文地理數(shù)據(jù)模型Arc Hydro

目前，與GIS結(jié)合的水文地理數(shù)據(jù)模型研究有很多，如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和環(huán)境保護(hù)局(USGS and EPA)開發(fā)的美國(guó)水文地理數(shù)據(jù)模型，美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)(U．S．Army Corps of Engineers)水文工程中心開展的水文水力學(xué)GIS工具的建模方法研究，丹麥水利研究院(DHI)的水與環(huán)境部開發(fā)的地理空間水文模擬模型MIKE BASIN，美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所(Esri)和美國(guó)得克薩斯州奧斯汀大學(xué)水資源研究中心(CRWR)研發(fā)的應(yīng)用于水資源流域的數(shù)據(jù)模型 Arc Hydro等。其中，MIKE BASIN與Arc Hydro兩種模型都有基于ArcGIS軟件的擴(kuò)展模塊工具為水文分析提供支持。

Arc Hydro是ArcGIS中用于水資源地理空間和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)描述的模型，擁有一套由Esri和CRWR共同搭建的工具集，該工具將要素屬性存儲(chǔ)于Geodatabase數(shù)據(jù)框架中，關(guān)聯(lián)到不同的空間數(shù)據(jù)圖層中的要素，通過和獨(dú)立的水文水力學(xué)模型間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)水文模擬模型的支持。

該模型關(guān)注描述自然地表水水文和水文地理方面的內(nèi)容，主要應(yīng)用地理基礎(chǔ)資料輔助分析地表水流從哪里產(chǎn)生以及要流向何處，再現(xiàn)水流的流動(dòng)過程，以獲取更多的水文信息，從而達(dá)到輔助水系統(tǒng)和水資源管理的水文分析工作，但是Arc Hydro并沒有為水的管道系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)提供具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

Arc Hydro工具集主要包括地形預(yù)處理(Terrain Preprocessing)，地形形態(tài)初步分析(Terrain Morphology)，流域處理(Watershed Processing)，屬性讀寫(Attributes Tools)和網(wǎng)絡(luò)分析(Network Tools)等工具，可以在對(duì)DEM進(jìn)行平滑和填洼處理后，實(shí)現(xiàn)水流的地表模擬過程中的水流方向確定、匯流累積量及河流長(zhǎng)度的計(jì)算、河網(wǎng)生成以及流域自動(dòng)劃分等功能，通過這些工具提取和分析水文因子，在DEM表面再現(xiàn)水流的流動(dòng)過程。

本文結(jié)合尼加拉瓜某工程項(xiàng)目實(shí)例，采用Arc Hydro從DEM中提取河網(wǎng)、并計(jì)算河流某點(diǎn)所控制的流域面積作為水文分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)介紹實(shí)際使用的一些經(jīng)驗(yàn)。

3 項(xiàng)目實(shí)例

尼加拉瓜是中美洲的一個(gè)瀕臨太平洋與大西洋的國(guó)家，地跨中美地峽。尼加拉瓜某工程項(xiàng)目實(shí)施前期需要掌握工程范圍內(nèi)基本的水文地理情況，為進(jìn)一步深入的水資源狀況分析及設(shè)計(jì)工作做準(zhǔn)備。由于缺乏當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)地形資料，采用Arc Hydro作為提取河網(wǎng)和計(jì)算河網(wǎng)上某點(diǎn)控制的流域面積的工具。

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)資料不全的前提下，DEM數(shù)據(jù)源可以采用SRTM DEM數(shù)據(jù)。SRTM(shuttle radar topography mission)由美國(guó)航空航天局(NASA)、美國(guó)國(guó)家圖像測(cè)繪局(NIMA)以及德國(guó)與意大利航天機(jī)構(gòu)共同合作完成，2000年2月，通過裝載于“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)的干涉成像雷達(dá)數(shù)天的全球作業(yè)，得到全球表面近80%面積的三維雷達(dá)數(shù)據(jù)，然后對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，生成精度較高的數(shù)字高程模型。在SRTM的官方網(wǎng)站上可以免費(fèi)下載到90 m分辨率的高程數(shù)據(jù)。

本例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源DEM采用由NASA提供的SRTM數(shù)據(jù)，空間分辨率為 90 m，平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用NAD_1927_UTM_Zone_16N，水準(zhǔn)面為 D_North_American_1927，研究區(qū)域范圍跨越北緯 09°45'～ 13°45'，西經(jīng)83°15'～88°00'。

3.2 填充洼地

DEM是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內(nèi)插以及一些真實(shí)地形(如喀斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在一些凹陷的區(qū)域。這些區(qū)域由于低高程?hào)鸥竦拇嬖冢沟糜?jì)算水流方向時(shí)得到錯(cuò)誤的方向。假洼地導(dǎo)致在河網(wǎng)生成過程中可能會(huì)造成不合理的中斷，降低了生成河網(wǎng)的準(zhǔn)確性。所以應(yīng)該在河網(wǎng)提取前對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼和平地抬升處理以生成無洼DEM。

Arc Hydro的地形預(yù)處理工具中有專門針對(duì)DEM錯(cuò)誤評(píng)估的功能，包括洼地預(yù)篩選(Sink Prescreening)、洼地/塌陷評(píng)價(jià)(Sink Evaluation，Depression Evaluation)和洼地選擇(Sink Selection)，通過上述系列操作選擇出可能的洼地，然后利用填洼(Fill Sinks)來得到無洼的DEM。

篩選和填充洼地的算法思想是通過水流方向來判斷哪些地方是洼地，如果某一柵格單元的高程低于周圍柵格單元的高程，則增加該柵格單元的高程，直到水流可以流到相鄰單元。

3.3 計(jì)算水流方向

Arc Hydro的地形預(yù)處理工具中的計(jì)算水流方向(Flow Direction)可以通過計(jì)算每個(gè)柵格單元水流的方向，最終得到整個(gè)關(guān)注的范圍中水流方向的柵格文件。

水流方向是指水流離開每個(gè)柵格單元時(shí)的指向。Arc Hydro模型中利用D8算法，即最大距離權(quán)落差或最大坡降法，來計(jì)算每個(gè)柵格與鄰接?xùn)鸥竦淖畲缶嚯x權(quán)落差來確定最陡方向，計(jì)算出來的最陡方向即為水流方向，距離權(quán)落差是指中心柵格與領(lǐng)域柵格的高程差除以兩柵格間的距離，如圖1所示。

圖1 D8算法原理

3.4 計(jì)算匯流累積量

Arc Hydro的地形預(yù)處理工具中的計(jì)算匯流累積量(Flow Accumulation)基于水流方向進(jìn)行，每一格網(wǎng)的匯流數(shù)據(jù)是按上游水流方向流經(jīng)此格網(wǎng)的所有格網(wǎng)數(shù)之和，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成河流，如圖2所示。

圖2 計(jì)算匯流累積量原理

3.5 提取河網(wǎng)及河網(wǎng)分段

河道中有一定的水量才能叫河流，匯流累積量的結(jié)果包括了有水而稱不上是河流的水流。所以，當(dāng)匯流累積量大于一定的流量(積水面積閾值)即可提取河網(wǎng)。

提取河網(wǎng)(Stream Definition)功能中設(shè)置的默認(rèn)閾值是最大匯流累積量的1%，更小的閾值會(huì)提取到更密集的河網(wǎng)、更多的集水區(qū)(Catchment)，需要更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

河流分段(Stream Segmentation)結(jié)合提取的河網(wǎng)和水流方向按上下游對(duì)每個(gè)河段進(jìn)行編號(hào)，分為源頭和中間河段，得到河段的柵格數(shù)據(jù)，每個(gè)河段中的柵格值代表其所屬河段。

如果在實(shí)際工程中可以收集到實(shí)際湖泊、河流或者已經(jīng)確定的較大的流域邊界，可以利用Arc Hydro的地形預(yù)處理工具集中專門針對(duì)DEM操作(DEM Manipulation)的一系列功能將真實(shí)水系融入DEM信息中。DEM抬升DEM(Level DEM)工具給湖泊面覆蓋的DEM柵格單元相應(yīng)的高程值進(jìn)行抬高，分配并賦予DEM河流坡度(Assign Stream Slope/Burn Stream Slope)計(jì)算輸入河段起點(diǎn)與終點(diǎn)的相對(duì)高程，并根據(jù)河段的坡度值給河段覆蓋的DEM柵格單元重新賦值，DEM重建(DEM Reconditioning)則是利用已有河流線和河流面及指定的緩沖區(qū)重構(gòu)河流經(jīng)過的柵格單元高程值。筑墻(Build Walls)將已有的內(nèi)外邊界信息加高。利用已有的水系及流域信息對(duì)DEM進(jìn)行處理，可以加強(qiáng)DEM中的真實(shí)河網(wǎng)信息，以保證河流計(jì)算的準(zhǔn)確性，這一步有利于生成的河網(wǎng)、劃分的集水區(qū)(流域及子流域)更加真實(shí)準(zhǔn)確。

3.6 劃分集水區(qū)

基于水流方向和河網(wǎng)分段，集水區(qū)柵格提取(Catchment Grid Delineation)和集水區(qū)多邊形處理(Catchment Polygon Processing)功能可以劃分水系的集水區(qū)，每一個(gè)河段對(duì)應(yīng)一個(gè)集水區(qū)，其屬性信息中會(huì)自動(dòng)生成流域周長(zhǎng)和面積，集水區(qū)的多少與提取河網(wǎng)時(shí)的閾值相關(guān)。

在缺乏實(shí)測(cè)地形資料的情況下，以上自動(dòng)提取功能可以給水文學(xué)家提供水文分析可利用的數(shù)據(jù)。在有基礎(chǔ)地形資料的情況下，也可以大大節(jié)省水文學(xué)家從等高線上手動(dòng)提取流域信息的時(shí)間。但因?yàn)閰R流模式非常復(fù)雜，且DEM只是近似地表地形的模型，自動(dòng)劃分的集水區(qū)邊界有時(shí)可能需要手動(dòng)編輯和修改，特別是在地形平坦地區(qū)，有許多人工渠道而非自然河流時(shí)，手動(dòng)進(jìn)行修正也是必要可行的手段。

3.7 河網(wǎng)上某點(diǎn)控制流域面積的統(tǒng)計(jì)

在實(shí)際工程中，有時(shí)并不需要所有集水區(qū)的劃分與分布，而更加關(guān)心河網(wǎng)上某點(diǎn)所控制的流域面積的范圍及大小，比如已有或規(guī)劃中的水文站、水庫、水電站和河道斷面，用于作水文分析計(jì)算的條件。

基于水流方向和河網(wǎng)數(shù)據(jù)，標(biāo)注河網(wǎng)上關(guān)注點(diǎn)的正確位置并設(shè)置為出水口，采用Arc Hydro的流域處理工具中的批量提取子流域(Batch Subwatershed Delineation)可獲取所標(biāo)注出水點(diǎn)所控制的上游流域面積。計(jì)算思想是結(jié)合水流方向的數(shù)據(jù)，分析搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過該點(diǎn)的柵格，即確定了該點(diǎn)所控制流域的邊界位置。

因?yàn)樽詣?dòng)提取的河網(wǎng)并非真實(shí)的水系，所以在標(biāo)注關(guān)注點(diǎn)時(shí)，需要一些關(guān)注點(diǎn)的已知資料來做支撐，比如周邊的水系分布、所在干流或支流的名稱，根據(jù)這些已知資料與提取的河網(wǎng)對(duì)比來判斷標(biāo)注出水口的位置。

圖3 得出河網(wǎng)的流域邊界及面積

4 結(jié)語

在流域規(guī)劃項(xiàng)目和水利樞紐設(shè)計(jì)工程中，都需要水文分析計(jì)算工作提供各種水文情勢(shì)數(shù)據(jù)，來合理地確定工程措施的位置及規(guī)模，在基礎(chǔ)資料不是很全面的情況下，基于DEM提取流域水文信息的方法可以為水文分析工作提供重要的支持，為水利工程和水資源管理工作帶來便利的基礎(chǔ)信息，提高工作效率，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

Arc Hydro除了基于DEM提取水文信息的功能之外，提供的地理空間數(shù)據(jù)模型可以輕松地表示和維護(hù)水文、水利對(duì)象之間的空間關(guān)系，可進(jìn)行河網(wǎng)的追蹤分析，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增量更新，已經(jīng)被應(yīng)用于全國(guó)水利普查數(shù)據(jù)建庫。在本文中被用于工程設(shè)計(jì)前期的水文分析工作，隨著越來越多的水文學(xué)家對(duì)于GIS技術(shù)和Arc Hydro數(shù)據(jù)模型的理解，越來越多的GIS專業(yè)人員對(duì)于水文分析工作的熟悉，Arc Hydro可以滿足更多水利行業(yè)的需求，也可以開發(fā)定制特殊的應(yīng)用。

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