流域特征參數(shù)提取

楊峰峰

【摘要】本文主要考慮運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的快速運(yùn)算能力，提取流域特征參數(shù)，通過對(duì)大量流域特征參數(shù)的提取，可以分析流域之間的差異，本文通過ArcGIS數(shù)據(jù)處理軟件處理全球共享的數(shù)字高程模型（DEM），提取流域的平均海拔、河道平均比降、河道匯流長(zhǎng)度、流域形狀系數(shù)等，通過計(jì)算，數(shù)據(jù)提取快，且準(zhǔn)確度高，因此，通過ArcGIS數(shù)據(jù)處理軟件可以快速處理DEM數(shù)據(jù)，流域特征參數(shù)的快速提取為水文預(yù)報(bào)模型輸入?yún)?shù)提供基礎(chǔ)支撐，為開展相似流域的提取，提供了大量的數(shù)據(jù)來源。

【關(guān)鍵詞】ArcGIS；數(shù)字高程模型；流域特征參數(shù)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，利用計(jì)算機(jī)快速處理遙感及地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)成為我們工作的趨勢(shì)，利用計(jì)算機(jī)及軟件技術(shù)通過處理DEM數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù)可以快速的提取流域的特征參數(shù)（平均海拔高程、河道平均比降河長(zhǎng)、流域表面平均比降及流域植被情況等），為大范圍的快速處理水文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)問題減少了人力物力，且精度高。

1、DEM數(shù)據(jù)處理

在實(shí)際應(yīng)用研究中，根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)，首先需要對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，裁剪、拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換投影、填凹等操作，以便獲得需要的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)裁剪是從大范圍的空間數(shù)據(jù)中裁剪出我們需要分析的區(qū)域，以獲得真正需要的數(shù)據(jù)作為研究區(qū)域，減少不必要的參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)，提高計(jì)算速度。

1.1 裁剪

DEM的數(shù)據(jù)如果太大，通常的計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力不滿足要求，因此需要對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）公司和美國(guó)德克薩斯州奧斯汀大學(xué)水資源研究中心聯(lián)合開發(fā)的功能強(qiáng)大的水文分析模塊Arc Hydro Tools，在Arc Hydro Tools中提供了多種對(duì)柵格數(shù)據(jù)的提取方法，包括點(diǎn)值、多邊形提取，可以獲取需要的柵格數(shù)據(jù)。

1.2 投影

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系，在數(shù)據(jù)分析之前需要首先統(tǒng)一坐標(biāo)系，將DEM數(shù)據(jù)（地理坐標(biāo)）投影成統(tǒng)一的平面坐標(biāo)，在中國(guó)，通常采用80坐標(biāo)系，或者54坐標(biāo)系。

1.3 填凹

在基于 DEM 的河網(wǎng)自動(dòng)提取過程中，洼地和平坦區(qū)是確定水流方向和推求完全聯(lián)接的排水系統(tǒng)的主要障礙與挑戰(zhàn)。平坦區(qū)是導(dǎo)致出水口不確定和河道平行的主要因素。預(yù)處理的目的是將 DEM 中的洼地和平坦區(qū)域改造成斜坡，使 DEM 數(shù)據(jù)反映的地形特征均由斜坡構(gòu)成。這種處理可使水流能根據(jù)地表徑流漫流模型流出流域邊界，也使流域信息提取的后續(xù)步驟能正確進(jìn)行。

2、數(shù)字流域的生成

數(shù)字流向判定建立在3×3 的DEM 柵格網(wǎng)的基礎(chǔ)上，其方法有單流向法和多流向法之分，但單流向法因其確定簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便而應(yīng)用廣泛。單流向法假定一個(gè)柵格中的水流只從一個(gè)方向流出柵格，然后根據(jù)柵格高程判斷水流方向。目前應(yīng)用最廣泛的是基于流向分析和匯流分析的流域特征提取技術(shù)。Jenson and Domingue （1988）設(shè)計(jì)了應(yīng)用該技術(shù)的典型算法，該算法包括三個(gè)過程：流向分析、匯流分析及流域特征提取。

2.1 流向分析

水流方向是指水流離開每一個(gè)柵格單元時(shí)的指向。在 ArcGIS 中通過將中心柵格的 8個(gè)鄰域柵格編碼，水流方向便可以其中的某一值來確定，以數(shù)值表示每個(gè)單元的流向。數(shù)字變化范圍是1～255。其中1：東；2：東南；4南；8：西南；16：西；32：西北；64：北；128：東北。

水流的流向是通過計(jì)算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差來確定。距離權(quán)落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離，柵格間的距離與方向有關(guān)，如果鄰域柵格對(duì)中心柵格的方向值為 2、8、32、128，則柵格間的距離為 2 的開平方根，否則距離為1。

2.2 匯流分析

匯流分析的主要目的是確定流路。在流向柵格圖的基礎(chǔ)上生成匯流柵格圖.匯流柵格上每個(gè)單元的值代表上游匯流區(qū)內(nèi)流入該單元的柵格點(diǎn)的總數(shù)，既匯入該單元的流入路徑數(shù)（NIP），NIP較大者，可視為河谷；NlP等于0，則是較高的地方，可能為流域的分水嶺。

3、成果與結(jié)論

通過ArcGIS軟件可以快速計(jì)算流域特征參數(shù)，為大量處理水文參數(shù)提供了很好的工具，且精度高。還可以處理植被方面的遙感圖片，統(tǒng)計(jì)流域植被覆蓋類型及程度，為新安江模型的降雨徑流計(jì)算提供了大量的輸入?yún)?shù)，可以使模型預(yù)報(bào)精度提高，還可以進(jìn)行不同流域的相似性分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭曉寧，等. 基于遙感和GIS的甘肅省森林生態(tài)面積調(diào)查與價(jià)值評(píng)估[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2009，4 ： 217-221.

[2] 熊立華，郭生練，等. 利用DEM提取地貌指數(shù)的方法述評(píng)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2002，11： 775-779.