香格里拉縣水文信息的提取應用

栗 業，周汝良,2，蘆 珊

（1.西南林業大學 林學院，云南 昆明 650224；2.云南生物多樣性研究院，云南 昆明 650224）

DEM[1,2]中含有大量的地理信息，其中水文信息是非常重要的一方面。水文信息主要包括水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網絡和流域等自然界中水的時空分布、變化規律等信息。目前，國內外的專家學者在利用DEM提取水文信息方面有著廣泛而深入的研究，并已取得了一些成果[3-5]。利用有效的工具快速提取流域水文信息已成為水文地理應用領域的研究熱點。

本文以香格里拉縣分辨率為30 m的DEM為研究數據，使用ArcGIS10中的ArcHydro模型工具進行河網、流域、排水點水文信息的自動提取。最后將提取結果與香格里拉縣分辨率為5 m的SPOT5影像和現有水文數據進行對比分析，判斷提取精度。

1 ArcHydro模型

ArcHydro模型是由ESRI 公司和美國得克薩斯州奧斯汀大學水資源研究中心（CRWR）聯合開發的水文地理數據模型。它是一個開放式、基于COM類的、可擴展的用于水資源領域的數據模型。該模型在提取水文信息、可視化顯示等方面功能強大，且操作簡單、應用方便。ArcHydro由水文數據模型（ArcHydro Data Model）和水文工具集（ArcHydro Tools）2部分組成。ArcHydro Tools是對ArcHydro Data Model實例化的工具集，二者互相依存共同為ArcGIS在水文方面的應用分析提供基礎支持[6,7]。

2 實驗區概況及實驗數據準備

2.1 實驗區概況

香格里拉縣地處橫斷山脈腹地，是西南橫斷山區的典型研究區域，縣內雪山林立、江河縱橫、草原遍布、湖泊眾多。境內最高點是巴拉更宗雪山，海拔5 545 m，最低點是三江口，海拔1 503 m，相對高差4 042 m。境內河流屬金沙江水系，金沙江由德欽縣奔子欄與四川省得榮縣之間入境，流經尼西鄉、五境鄉、上江鄉、金江鎮，在金江鎮撤蘇碧與玉龍縣石鼓鎮之間折向東北，經虎跳峽鎮、三壩鄉，在洛吉鄉的吉函出境，平均流量1 420 m3/s。除金沙江干流外，境內多年平均流量在3.7～43.7 m3/s的一級支流有碩多崗河、岡曲河、東旺河、尼汝河、吉仁河、浪都河、興隆河、安南河、良美河、湯滿河、安東河、白水河、麥地河等，流域面積8 065.9 km2，分別在不同河段注入金沙江。對該地區水文信息的提取研究對今后西南地區的水文分析和水利工程建設有重要意義。

2.2 實驗數據準備

香格里拉地區2009年的DEM：數據類型IMG，投影UTM/WGS84，空間分辨率30 m，值域范圍-152～8 806 m（地理空間數據云）。

分辨率為5 m的法國SPOT5衛星影像數據；云南省水系圖（云南省環境科學研究院提供）。處理后的縣域數據如圖1所示。

圖1 處理后的香格里拉縣DEM、 spot5影像和水系圖

3 水文信息提取過程

3.1 DEM填洼處理

洼地的存在使得地表徑流無法確定該點的水流方向，具體填洼過程如下：①掃描出DEM數據中所有洼地和平坦區域，對洼地設置增量，將高程填補為一個洼地周圍8鄰域中最小的一個，使洼地變為平坦地區再進行處理，這個增量必須小于高程值的分辨率。②將平坦區域的中心點提升至8鄰域中最小值并加上增量，使中心點水流能流出。③將平坦地區的其他網格抬升至中心點加上增加量的疊加值。不斷重復填洼過程，直至所有洼地填充完畢。填洼的目的是保證提取河網的連續性，減免河網的斷裂，為后續的水文信息提取生成具有“水文意義”的DEM。ArcHydro Tool中使用Fill Sink來實現洼地的填充。

3.2 計算流向

流向決定了地表徑流的方向和柵格匯水量的分配。ArcHydro水文數據模型采樣D8法確定水流方向，D8算法假設單個柵格中的水流只能流入相鄰的8個柵格內，在3×3的DEM上計算中心柵格與各相鄰柵格的距離權落差，即得到最大的坡降來確定水流的方向。坡降計算公式：

式中，S（i，j）為中心點坡降；?l為網格寬度；Z（i，j）為中心點高程；Z（i+m，j+n）為相鄰點高程；（i，j）為中心點坐標；（i+m，j+n）為8個相鄰點的坐標（m=-1，0，1；n=-1，0，1），m、n不能同時為0。

在ArcHydro Tool中使用Flow Direction生成流向圖，如圖2。圖中8種顏色分別代表流向編碼：1代表東，2代表東南，4代表南，8代表西南，16代表西，32代表西北，64代表北，128代表東北。

圖2 流向圖

3.3 計算匯流累積量

匯流累積量由流水方向數據計算得到，流水方向屬性表COUNT字段中記錄了每個流向像元值的像元數量。按水往低處流的自然規律，根據流水方向數據計算每點流過的水量數值，從而得到區域內的匯流累積量。匯流累積矩陣算法過程為：①定義一個與DEM同行列的二維矩陣，并初始化矩陣值為零。②依次掃描水流方向，沿正向追蹤直到流域邊界。③沿流向單元格的上游累積網格增加一個單位，當所有水流方向追蹤掃描完成后獲得匯流累積矩陣。

3.4 提取河網

ArcHydro模型中的Stream Definition工具是對匯流矩陣賦值計算出水流柵格，它賦予輸入柵格大于所給閾值的柵格，凡是大于等于閾值的柵格就是水流柵格。根據ArcHydro Tool的幫助文檔，一般最小河道的集水面積閾值（所占的柵格數）應設定在匯流柵格圖最大柵格單元值的0.5%～1%之間。閾值越小，水流越密；閾值越大，水流越稀疏[8]。本文根據幫助文檔中的推薦范圍，隨機選取2 000、2 800、3 000、3 200、3 700這5個閾值提取河網，根據5個閾值提取出的河流總長度和河流條數（提取數值對應關系見表1，精度見表2）構建一元線性回歸模型（圖3、圖4）。通過模擬變化趨勢，與標準數據對比分析得出，兩條變化趨勢線變化最大的拐點之間的值即為最佳閾值范圍，最佳閾值范圍在3 100與3 300之間。再經過反復實驗，最終確定閾值為3 200。此時，河流總長度精度、河流條數精度分別達到了98%和84%。

表1 各閾值與河流總長度、河流條數關系表

表2 各閾值精度關系表

圖3 河流總長度一元線性回歸模型

圖4 河流條數一元線性回歸模型

排水路線處理工具是將柵格的河流網格轉換成矢量的河網，即河網的自動矢量化。在進行此項處理前需要將上述步驟保存地圖文檔，才能激活使用排水路線處理工具。在Arc Hydro Tool中使用Drainage Line Processing完成河網的矢量化，如圖5所示。

圖5 閾值分別為2 000、2 800、3 000、3 200、3 700的矢量化河網圖

3.5 劃定流域

在水文地理研究中，流域是一個極為重要的數據。自然條件相似的兩個或多個地區，一般是流域面積越大，該地區河流的水量也越豐富。

根據水流方向和水流分割生產流域柵格，其中水流分割工具可以唯一標識水流分段網絡，每一段有主要的一部分，或者可以定義為兩段結點之間的部分。在流域柵格圖中，每個柵格都被賦予一個代碼，它標志著該柵格屬于哪個流域。Catchment Polygon Processing工具能實現流域柵格生成矢量的流域多邊形數據，如圖6所示。

3.6 排水點提取

圖6 流域圖

排水點是指水流離開匯水區的點，這個點是匯水區邊界上的最低點。通常一條河流的匯水區沒有其他的地表徑流流入且只有惟一的一個出水點。排水點處理可生成相關流域的出水口、水系點等。通過對排水點的提取處理，可以明確每個流域排水點的位置和各流域出水口點的值。在進行排水點提取前，可先根據矢量河網和矢量流域多邊形的集水特征分類生成上游集水區要素，即建立多邊形代表上游整個集水區排入其他的進水口。通過伴隨集水區的處理分類來加速水系點的確定。排水點由匯流累積量、流域柵格和流域矢量數據通過Drainage Point Processing工具完成。圖7中藍線為河流，黃色區域為伴隨集水區，紅點為排水點。

圖7 排水點圖

4 結 語

本文在DEM數據的基礎上，通過ArcHydro水文模型提取出香格里拉縣的河網、河流流域和各流域的排水點。從對比圖看出，在平坦地區提取的河流和實際河流偏差較大，而且有河網平行情況出現，這種現象不符合實際。在香格里拉縣內的湖泊也未有效提取。由此看出，對平坦地區的水文信息提取仍是未來研究工作的熱點和難點。其次，閾值的確定也至關重要，閾值的大小決定了提取河網的疏密程度。目前主要根據研究區域暈渲圖和等值線圖輔助判斷閾值，本文是構建一元線性回歸模型輔助判斷最優閾值。雖然沒有直接定量得出閾值，但大大縮小了閾值選取范圍，節約了反復實驗的時間。通過提取出的全縣河網與高分辨率的SPOT5影像和標準水系網進行對比分析（如圖8），表明提取的大部分河網與實際情況相吻合，當閾值為3 200時，河流總長度精度、河流條數精度分別達到了98%和84%，基本能夠反映出香格里拉縣的實際水文信息。結果說明，利用ArcHydro水文模型、通過一元線性回歸分析輔助閾值選取對香格里拉縣內的水文信息提取方法是有效的。

圖8 標準河網與提取河網對比圖

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