基于提高Arc Hydro的水文分析精度的研究進(jìn)展

趙遠(yuǎn)洋，黃 平，戰(zhàn)一波（上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

基于提高Arc Hydro的水文分析精度的研究進(jìn)展

趙遠(yuǎn)洋，黃 平，戰(zhàn)一波
（上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

提取合理的河網(wǎng)是建立流域水文模型的前提條件，是進(jìn)行水動力學(xué)計(jì)算的關(guān)鍵。由于ArcGIS軟件自帶的水文分析存在不足，后內(nèi)嵌于GIS的Arc Hydro Tools工具對提取河網(wǎng)進(jìn)行了改進(jìn)。隨著對流域水文模型的建模逐步深入，基于DEM提取到的河網(wǎng)已不能滿足建模的需要，本文介紹了基于GIS水文分析的幾種改進(jìn)手段：①以主干河道作為約束條件；②國際公認(rèn)的“Stream Burning”技術(shù)。這兩種手段，對于流域水文分析河網(wǎng)的提取，在一定程度上都得到了滿意的結(jié)果，為今后在該軟件下提取河網(wǎng)提供借鑒。

ArcGIS；Arc Hydro Tools；主干河道 ；“Stream Burning”技術(shù)

0　引言

目前，流域河網(wǎng)提取及流域劃分的方法和工具較多，如ArcGIS［1］水文模塊、ArcSWAT、TOPZA分布試水溫模型等。其中，ArcGIS水文模塊是基于DEM進(jìn)行水文分析技術(shù)最廣泛的模塊應(yīng)用。由于對流域水文模型的要求越來越精確，使得GIS水文分析提取到的河網(wǎng)也在逐漸完善。盡管主干河道［2］作為約束條件以及“Stream Burning”［3］技術(shù)對DEM數(shù)據(jù)不完善方面都做到了完好的彌補(bǔ)，得到了一定的效果。

但是，隨著水文模型的建立，對水動力學(xué)計(jì)算要求更為準(zhǔn)確，在水文分析中由于因經(jīng)驗(yàn)欠缺的疏忽往往會造成“偽信息”的摻入，因此，基于DEM數(shù)據(jù)來進(jìn)行水文分析提取到合理的河網(wǎng)還需要作進(jìn)一步研究。

1　ArcGIS水文分析機(jī)理

ArcGIS提供的水文分析模塊主要用來建立地表水的運(yùn)動模型，同時(shí)通過水文分析工具的應(yīng)用，也可以有助于了解排水系統(tǒng)和地表水流過程的一些基本的概念和關(guān)鍵的過程，以及怎樣通過ArcGIS水文分析工具從DEM數(shù)據(jù)上獲取更多的水文信息。GIS中水文分析是DEM數(shù)字地形分析的一個(gè)重要方面。基于DEM的地表水文分析的主要內(nèi)容是利用水文分析工具提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網(wǎng)絡(luò)（包括河流網(wǎng)絡(luò)的分級等）以及對研究區(qū)的流域進(jìn)行分割等。通過對這些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再現(xiàn)水流的流動過程，最終完成水文分析過程。

Arc Hydro Tools［4］是由美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）公司和美國德克薩斯州奧斯汀大學(xué)水資源研究中心（CRWR），基于Geo Database數(shù)據(jù)格式開發(fā)的水文數(shù)據(jù)模型，其內(nèi)嵌于ArcGIS軟件中，并內(nèi)置了豐富的流域輔助提取方法。本文中ArcGIS水文分析提取河網(wǎng)的改進(jìn)方法均以此工具來進(jìn)行河網(wǎng)提取及流域劃分。

2　研究進(jìn)展

2.1以主干河道作約束條件的應(yīng)用

傳統(tǒng)的無地形修復(fù)方法無法正確計(jì)算河網(wǎng)流向，生成的河網(wǎng)與實(shí)際河網(wǎng)存在較大差異，提取到滿意的河網(wǎng)是流域水文模型的前提。康敏捷［5］等以遼寧省河流為例，采用較高分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以1:400萬地形圖的矢量和網(wǎng)數(shù)據(jù)作為輔助信息，對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，結(jié)果表明，基于Arc Hydro Tools地形修復(fù)的流域提取方法可以得到理想的流域提取結(jié)果。另外，曾宏偉等［6］也以洮兒河流域?yàn)槔謩e對無主干河道和有主干河道作輔助條件兩種情況進(jìn)行水文分析提取河網(wǎng)，并進(jìn)行了對比，有主干河道作輔助提取到的河網(wǎng)與真實(shí)河網(wǎng)相似度很高。

2.2“Stream Burning”技術(shù)的應(yīng)用

由于現(xiàn)有的數(shù)字高程模型（即DEM）在自動提取虛擬河網(wǎng)過程中易受洼地、平原地區(qū)的影響，產(chǎn)生不連續(xù)的或平行的錯(cuò)無河網(wǎng)的問題。黃玲等［7］在研究中以渤海地區(qū)為例，把Agree算法和”Stream Burning”方法進(jìn)行結(jié)合，并在Arc Hydro Tools工具下進(jìn)行河網(wǎng)的提取，分析了該方法下有無河網(wǎng)輔助信息情況下，對于提高虛擬河網(wǎng)的精度及準(zhǔn)確性是否有幫助。通過比較，改進(jìn)后的方法與實(shí)際河網(wǎng)分布較為吻合。

3　結(jié)論

雖然兩種改進(jìn)方法，都在一定程度上能夠提取到滿意的結(jié)果。但是，在DEM數(shù)據(jù)中，往往由于產(chǎn)生偽峰或偽谷［8］的現(xiàn)象，導(dǎo)致由于經(jīng)驗(yàn)不足而提取不到滿意的效果。另外，在該種現(xiàn)象中，提供約束條件或者是Stream Burning做法都改變了河網(wǎng)高程的真實(shí)情況，盡管對河網(wǎng)生成及流域劃分等精度提升會有一定幫助，但是因?yàn)楦淖兞撕拥赖恼鎸?shí)坡度，對水動力計(jì)算是不能適用的。因此，運(yùn)用Arc Hydro進(jìn)行水文分析還需要做進(jìn)一步的研究。

［1］Formetta G，Antonello A，F(xiàn)ranceschi S，al.Hydrological modeling with components：A GIS-based open-source framework［J］.Environmental Modeling&Sofeware，2014.

［2］劉遠(yuǎn)，周買春等.基于不同DEM數(shù)據(jù)源的數(shù)字河網(wǎng)提取對比分析［J］.地理科學(xué)，2012.

［3］Callow J N，Van Neil K P，Boggs G S.How does modifying a DEM to reflect known

Hydrology affect subsequent terrain analysis［J］.Journal of Hydrology，2007.

［4］葛瑩，毛鵬宇等.利用ASTER GDEM提取甌江流域水系及精度評價(jià)［J］.測繪地理信息，2015.

［5］康敏捷，欒維新，王輝.Arc Hydro Tools流域提取方法應(yīng)用［J］.中國科技論文，2012.

［6］曾宏偉，李麗娟，柳玉梅.Arc Hydro Tools及多源DEM提取河網(wǎng)與精度分析［J］.地理信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2011.

［7］黃玲，黃金良.基于地表矯正和河道燒錄方法的河網(wǎng)提取［J］.地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2012.

［8］余鐘波.流域分布式水文學(xué)原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.191

趙遠(yuǎn)洋（1991-），男，河南固始人，碩士研究生，研究方向：航運(yùn)與海洋污染控制。