基于DEM的廬山地區水系的提取方法與應用探究

彭云龍王婕婷趙志軍（. 南京師范大學附屬中學新城黃山路分校, 江蘇 南京 009; . 南京市高淳區漆橋中學, 江蘇 南京 0; . 南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 0046）

基于DEM的廬山地區水系的提取方法與應用探究

彭云龍1王婕婷2趙志軍3
（1. 南京師范大學附屬中學新城黃山路分校, 江蘇 南京 210019; 2. 南京市高淳區漆橋中學, 江蘇 南京 211302; 3. 南京師范大學 地理科學學院, 江蘇 南京 210046）

新課標倡導中學地理教師要充分利用地理信息技術來開發鄉土地理教學資源。多年來，絕大部分中學地理教師對地理信息技術的認識僅僅停留在教材內容上，缺乏對地理信息技術的應用技能。本文以廬山地區5米分辨率的數字高程模型（DEM）數據為例，利用ArcMap9.3提取了該區域的流域邊界、水系與河流縱剖面，同時利用配準過的地質圖驗證了水系與河流縱剖面提取的科學性，最后分析了河流縱剖面的構造意義。

3S技術；DEM；廬山

人教版必修三單獨開辟一節內容來介紹地理信息技術在區域地理環境研究中的應用，并把它列為七大地理選修模塊之一，足見地理信息技術在中學地理教學中的重要地位。地理信息技術主要包括遙感（RS）、全球定位系統（GPS）和地理信息系統（GIS）三大部分（即3S技術）。3S技術不僅廣泛應用于區域地理環境研究，而且在構造活動、地貌分析等自然地理基礎研究領域也扮演著重要的角色。在中學地理教材中絕大部分的圖片、案例是由3S技術制作和開發出來的，如果我們一線地理教師能夠掌握3S技術，那么我們會開發出大量具有區域特色、體現地理學科核心素養并符合學生認知情感的鄉土地理教學案例，編制校本課程，從而真正意義上實現地理學科國家課程、地方課程與校本課程的有機融合。本文借助數字高程模型（DEM）對廬山地區進行了流域分析，涉及DEM數據的獲取、拼接與裁剪、分層設色地形圖的顯示、流域邊界的提取、河網生成、矢量數據的編輯、河流縱剖面的提取等內容。

一、數據來源

本文利用的原始數據有：(1)分辨率為5m的DEM數據，數據來源于虛擬地理環境教育部重點實驗室；2)經過配準的比例尺為1:50000的地質圖，數據來源于虛擬地理環境教育部重點實驗室；(3)分辨率為30m的

STER-GDEM數據，數據來源于中國科學院網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http://www.gsgloud.cn）[1]。

二、試驗過程與數據處理

1.流域劃分

利用ArcToolbox空間分析工具（Spatial Analyst Tools）下的水文模塊，可以快速提取流域范圍、河網分布與河流級別。只有先提取出流域邊界和水系，才能劃分河流級別。其中流域邊界提取的步驟為：第一步，裁剪目標區域。加載原始DEM數據（原始DEM圖幅較大，包括九江縣和星子縣）和目標區域矢量數據（ArcCatalog中可新建shapefile，要素類型選擇Polygon），執行提取工具箱內的按掩膜提取工具（Extract by Mask）；第二步，生成無洼地的DEM數據。洼地區域是數字高程模型中水流方向不合理的地方，可以通過水流方向來判斷哪些地方是洼地，然后再對洼地進行填充，但僅為了提取河流和水系就不必計算洼地，在ArcMap9.3中加載 DEM數據，只需要利用空間分析工具水文模塊（Hydrology）內的Fill Sinks對裁剪好的DEM數據進行填洼處理；第三步，水流方向提取。水流方向是指水流離開每一個柵格單元時的指向，在ArcMap9.3中通過計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權落差來確定。執行工具條Hydrology中的菜單命令 Flow Direction對填洼后的DEM數據進行流向分析；第四步，流域劃分。執行水文工具箱內的流域工具（Basin），對河流流向數據進行流域分析，至此流域劃分的柵格數據就分析出來了[2]；第五步，子流域的篩選。在流域柵格數據上右鍵選擇“打開屬性表”，選取面積在1km2以上的流域，共30個，并對柵格數據進行矢量化處理，結果如圖1所示。按照流域的空間分布，依次命名為E01、E02、……、E15和W01、W02、……、W15，共30個子流域。其中面積最小的子流域為E07和E13，面積為1.02km2，面積最大的子流域為E15，面積為27.22 km2，所有流域平均面積為6.51 km2。

2.河網提取

在流域劃分第三步的基礎上，河網提取實驗步驟如下：第一步，匯流累積量的計算。數字高程模型在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數據計算而來的。對每一個柵格來說，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個柵格的水流方向最終匯流經過該柵格，匯流累積的數值越大，該區域越容易形成地表徑流，利用Hydrology中的菜單命令 Flow Accumulation來獲取匯流累積量。第二步，河網提取。運行Spatial Analysis工具欄下Raster Calculator，彈出對話框并在框內輸入“con（Flow Accumulation>10000,1）”，意思就是將Flow Accumulation數據中屬性值在10000以上的數據提取出來并將其屬性定為1，這里取10000即流域面積在104個柵格以上，意味著河流過程基本上占主導地位。第三步，將得到的柵格數據矢量化。經過上述步驟就得到了我們想要的河網。接著進行Stream Link和Stream Order工具，便可以得到河流級別。值得注意的是河流級別的劃分有不同的方案，其中Strahler分類方法是流域分析中最常用的河網級別劃分方法。該方法規定在流域分水嶺處最小的沒有任何支流的河流定義為一級河流，有兩個或者以上的一級河流匯合組成的河流為二級河流，以此類推。主干河流為最高一級河流。按照Strahler分級系統，可將廬山地區的河流劃分為四個級別，其中一級河流總共為414條，二級河流總數為111條，三級河流總數為28條，四級河流為5條，隨著級別的增加河流條數急劇減少，與一般河網規律相吻合，結果如圖1所示。

圖1 流域劃分與水系提取結果

3.河流縱剖面的提取

河流縱剖面的提取方法有很多種，其中較為科學、準確的一種方法就是在河流干流上等距離找一系列的點，然后依次將干流上各點的高程和距離河流源頭的長度計算出來，最終可得到河流縱剖面。實驗步驟：第一步，獲取流域干流。一個流域內往往有若干不同級別的河流，從河口到分水嶺距離最長的河流可認為是該流域的干流，對矢量化的河網進行編輯，刪除眾多短小的支流，僅留下河流干流。不同流域的干流依次命名為S1、S2、……、S15和R1、R2、……、R15，R01最短為0.9km，R15最長為10.8km，所有河流平均河長4.3km，結果如圖2所示。第二步，計算河流長度。打開河流干流屬性表，單擊右下角選項，選擇添加字段，輸入名稱為河流長度，類型選擇Float，單擊確定，最后在河流長度字段上鼠標右擊選擇計算幾何體，屬性為長度，單位是米。至此，河流的長度便計算出來了。第三步，利用COGO工具條上的比例切分工具，按照40米等距平分河流的長度。第四步，利用數據管理工具箱里的Feature To Point工具將平分的線段轉化為同樣數量的點數據，最終用空間分析工具箱內的Extract by Points 將DEM中的高程數據疊加到點數據上，這樣每個點就有一個高程和一個距離數據。第五步，將高程和距離數據輸出并導入Origin8.0，然后生成河流縱剖面圖（見圖3）。

圖2 子流域河流干流空間分布圖

這里需要注意的是，提取出的河流縱剖面上游河流源頭并非全部都是河流，可能有部分是靠近分數線的山谷。大量研究表明，當流域面積在105-106平方米以上時基本發育了基巖河道[3]，所以在此處存在一個距離河流源頭的臨界距離xc，臨界距離以上才是真正的河流縱剖面。

圖3 三疊泉流域河流干流縱剖面圖

三、水系的驗證與河流縱剖面的構造意義

利用AcrMap9.3將三疊泉流域河流干流疊加到已經配準的1:50000的地質圖，標明裂點所在的位置，結果如圖4所示。在1:50000的地質圖上標明的河流與從DEM上提取的河流的位置基本一致，包括從河流縱剖面上識別的河流裂點也得到了中國人民解放軍總參謀部測繪局出版的地形圖和江西地質礦產勘查開發局地質礦產調查研究大隊測制的地質圖的檢驗，兩者基本一致，這說明了河網與河流縱剖面的提取是正確的。

圖4 三疊泉流域干流分布與基底巖性圖

河流縱剖面可以反映流域內的邊界條件，如構造活動、巖性軟弱、降水差異、裂點分布等[4]。由地質圖可知，河流干流上兩個裂點的基底構成為震旦紀早世連沱組的地層，也就是說裂點發育的位置不在兩種不同地質年代形成的巖層的結合部，而在同一種巖性上發育而成，那么裂點的發育顯然不是巖性軟弱差異造成的。三疊泉流域位于北半球亞熱帶北部邊緣地區，降水量普遍在1300mm*y-1到1800 mm*y-1，整個流域降水差異不大，而且由圖3可知三疊泉裂點落差達到220米，因此氣候因子不可能是造成河流裂點形成的原因。筆者曾多次到廬山考察，發現廬山西北側和東南側斷崖規模巨大，發育廣泛，斷層、褶曲、擦痕等隨處可見。綜上所述，可斷定河流縱剖面上的三疊泉裂點為構造裂點，是構造活動在河流縱剖面上留下的有力“證據”，這也從數字地形的角度佐證了廬山是一個斷塊山。

四、結語

數字高程模型（DEM）在鄉土地理教學資源與案例的開發中應用廣泛，如制作學生熟悉的山地的等高線地形圖和地形剖面圖、提取水系與河流縱剖面等。這在地形圖的判斷、最佳登山路線與水庫壩址的選擇、中國的地勢特征、水力資源分布、山岳的形成和流域的綜合開發等方面可以輔助課堂教學。在DEM數據的基礎上結合其它自然地理或人文地理要素，可以制作出如滑坡、泥石流、地震、洪澇等自然災害發生頻率、高鐵路線、“一帶一路”路線與沿途地區等的空間分布圖。因此，地理信息技術非常有利于培養學生的地理空間思維能力與學科素養。

[1] 彭云龍.基于DEM的廬山構造活動與地貌演化特征研究[D].南京:南京師范大學,2014.

[2] 湯國安,楊昕.ArcGIS地理信息系統實驗教程[M].北京:科學出版社,2006.

[3] Snyder Noah P,Whipple Kelin X,Tucker Gregory. Channel response to tectonic forcing: field analysis of stream morphology and hydrology in the Mendocino triple junction region, northern California[J].Geomorphology, 2003(53):97-127.

[4] Wobus C,Whipple K X.Tectonics from topography: procedure,promise,and pitfalls[J].Tectonic Geomorphology,2006(12):55-74.