數字河流河源判析

宋華標，劉新貴，趙云鵬，吳 錚

（1.信息工程大學，河南 鄭州 450001）

數字河流河源判析

宋華標1，劉新貴1，趙云鵬1，吳 錚1

（1.信息工程大學，河南 鄭州 450001）

通過對已有的一些判斷原則進行分析，提出當河流長度占優勢時以長度為主、連通性為輔；當長度相差不大時，以連通性為主的判斷原則。通過該方法判斷中國各地區主要河流河源的結果與科學考察結果一致。該方法對河流河源的實地考察具有一定借鑒意義。

數字河流；河源；判斷原則；長度優先；連通性

1 河源判斷原則

河流結構存在曲折復雜性、非均勻性和分支等特點，給河流源頭的確定帶來了很多麻煩。如何確定河流正源，目前國內外學術界尚未取得共識[1]。通過分析國內外判斷河流源頭的實例，歸納了如下主張：①“河源唯長”；②源流與下游干流流向比較一致[2]；③考慮流域面積與徑流量；④考慮河谷發育期的早晚及源頭的海拔高程等[3]；⑤以歷史習慣作為標淮[4]。

這些是人們在判斷河流源頭時常用的原則，下面對這些原則在實際應用中的利弊進行簡單分析。

2 判斷原則分析

1）“流量為大”與“流域面積為大”原則。實際上河流流量、流域會受季節、氣候地形或其多個二級以下河流匯流流量的影響；而且流量和流域面積數據也不好測量，在一般數據庫中相關數據是缺失的。另外一條河流的源頭河流是不能隨便變動的，不應隨河水量的變化而變化。所以，一般認為“流量為大”和“流域面積為大”的原則在判斷河流源頭問題上存在一定缺陷，不足以充當判斷的充分條件，其時空差異性很大，客觀性不足，一般不提倡[5]。

2）“河源唯長”原則。河流河源長度是確定河源的重要原則，但河流長度是很難測量的。無論是冰川還是泉眼，其本身就是一個變量[6]。在冰川或沼澤地區，長度的測算點在哪里，是冰川頂部還是邊緣，是沼澤最外緣泉眼還是沼澤中出水量最大的點，這些起算點的確定都非常困難。而且河流的長度，也不可能精確到小數點后幾位，按照長度判斷有可能得出多個源頭的情況。因此，單一考慮河流長度，對河流源頭的確定有一定的困難。

目前還有一些河流存在“多源頭”的說法。其實質是該河系主干流的河流源頭還沒明確確定。“多源頭”的流行或許是為照顧歷史習慣，或是地方的權益。但是“多源頭”不宜提倡，就像一個人同時擁有兩個識別碼分別為“張三”、“李四”，對于那些認識且知道他有兩個名字的人來說，他們的交流當然沒問題，但當甲只知道他叫“張三”，乙只知道他叫“李四”，甲乙兩人討論他時，就會帶來交流和認識上的麻煩，所以應該消除“多源頭”的說法。

3）“與主流方向一致”原則。雖然河流河道流向受其初始流向、流經地域的巖性和相關地質構造運動等多種地表地質因素制約，但其在發育過程中不斷分形、分化，不斷地裁彎取直。因此，對于一條發育成熟的河流來說，主干流和支流在交叉處與主流方向的夾角必然是不同的，絕大多數的主干流與主流方向夾角比支流與其的夾角小，主流方向上的連通性更強，水流會更順暢。雖然可能存在個別特殊情況，但在確定河源時，該原則應該成為重要的判斷標準。

因此本文提出以下判斷原則：①若河流長度存在明顯差別，則以“河源唯長”原則為主，連通性為輔；②若河段在河流長度上沒有優勢，則以“與主流方向一致” 原則即連通性為主，充分考慮相交處的切線斜率或夾角，將此定性原則進行定量化，以夾角小或連通性好的河段為河流河源。

3 河流相交類型分析

一般線狀地物如果出現交叉、分支，那么可能得到的結果類型可歸納為：

a、b、c、d可分別表示線段或弧形曲線段（為敘述方便，弧形曲線段和直線段都簡稱為線段）。利用如圖1所示線段與線段之間的夾角θ來比較相交處的連通性。目前的研究發現，夾角在0～75°的曲線連通性被認為是較好的[7]。

圖2為兩條河段垂直相交的模型，b垂直交于a線段的一個端點。這種情況可以認為：a、b為同一條河流且可能是一條人工河。兩段河流實為同一河流，那么這種情況無需判斷就可知河源是上游段。

圖1 線段相交夾角θ

圖2 兩河段垂直相交模型

圖3中a、b、c表示河流河段，3條線段間交點處夾角可在0～180°之間變化，不同的角度可表示一般的Y型或T型。通過線段連接判斷所形成線時的夾角或切線曲率（也有人稱為順直度），比較線的連通性，進而判斷可能的相交類型。假設河水是從b、c往a方向流動，b、c在a的一段交匯，a與c交叉處的切線斜率要大于a與b相交在該點處的切線曲率，則認為a、b的連通性更好，則a、b更可能是同一條河流，即a、b應該具有同一地名屬性。c應該是另外一條河流，有獨立的地名歸屬。此時測量b、c的長度，當b、c線段在長度上沒有優勢比較時，將不再首先考慮“河源唯長”原則，這時主要考慮連通性，因為a、b連通性更強，所以b更應該是河流源頭。

如圖4所示， a、b、c、d線段交于一點，這種情況很可能是兩條支流匯集在一條干流上。比較河水流向：如果a、b、c向d方向流動，那么測量a、b、c的長度，長度最長的確定為d的河流源頭。特殊情況，若是兩條主干河流相交，則存在兩個流向。假設a、b可能向c、d方向流去，考慮“與主流方向一致”原則，若令a、d為一組，b、c為一組，則所有情況的連通性均較差。最理想的情況是a、c線段組成一條線，b、d線段組成另一條線，這樣a、c，b、d都會具有較好的連通性，它們與主流方向的順直度較好，a和c、b和d應該分別具有相同的地名屬性，是兩條河流、兩條河源。

圖3 3河段河流交匯模型

圖4 4河段河流交匯模型

4 實驗驗證

4.1 實驗數據

本實驗數據來源于國家測繪地理信息局網站提供的全國矢量地圖大全shp格式的河流數據。實驗將對位于西北冰川、沼澤的長江發源地區和水系密集、河網復雜的中南地區的湘江源頭的河流情況進行詳細分析說明；還對存在過河源爭議問題的河流，如西南地區的滄瀾江、中原地區的汾河、東北地區的松花江和華東地區的錢塘江進行了判斷驗證（該部分列表說明）。

4.2 長江河源判斷

圖5為長江發源地區的河流分布圖。首先進行一般性檢驗，通過數字河流可視化可以明確地排除很多不可能成為長江源頭河流的河段。例如，可以很明顯地判斷e河段比a河段短，其他河段也都比a、b、d河段短，所以像e這樣的河段就不需考慮其是否為長江的源頭河段了。另外通過仔細觀察可以發現，主干流交匯處上游干流與下游的連通性一般比支流與下游的連通性強。可以通過ArcGIS中測量工具測量或由屬性表統計得出：length d=575 km，length ac=597 km，length bc=596 km，這時d、ac、bc的長度很相近，均不具有長度優勢，此時通過定量測量河段交匯處的夾角進行判斷，d與下游段的夾角明顯比c與其下游段的夾角大，實際上圖中d（楚瑪爾河）與c段處的交角非常大，大概在110°～120°之間，其連接處的連通性較差，且長度比ac、bc段小，所以d不會是長江源頭。那么此時a到c與b到c的交叉口，a代表的沱沱河長為340 km，b代表的當曲長為339 km，a、b兩河段的長度相差不大，由于缺乏流量數據無法判斷哪個河流段的流量更大以及發源地冰川或沼澤水源的情況。此時從通天河處作水平線，不難發現a與通天河的夾角約為10°比b與通天河的夾角20°小；因此主要通過連通性即交匯夾角或切線斜率來判斷，沱沱河應該是長江的源頭河流。

圖5 長江河流發源地區河流情況

4.3 湘江河源及其他河流河源判斷

圖6為湘江海洋河和瀟水河段圖。首先考慮“河源唯長”原則，在ArcGIS中將數字河流可視化，并測量得到海洋河到與瀟水匯合處的長度為204 km，瀟水到交匯處的長度為284 km，瀟水在長度上有優勢；再看二者在交匯處的連通性情況：河流的數字化是根據河流的中心線采集的，此處夾角的測量主要就是利用中心線相交處的夾角來確定。因此中心線相交處數字化結果的好壞與作圖者的知識與制圖水平有很大關系。此時可以結合遙感影像圖上水系的情況進行測量判斷。本文結合shp格式數據和對Google遙感影像上的該段河流的測量發現，瀟水段與下游的夾角θ約為38°，海洋河段的夾角θ約為12°，二者的連通性都較好。但是由于瀟水段長度占優勢，所以瀟水應該作為湘江的河流河源。

圖6 湘江的海洋河和瀟水河河段

優先考慮“河源唯長”原則，并結合夾角代表的連通性原則判斷我國存在爭議的一些河流源頭，其結果見表1。

表1 爭議河流源頭判讀結果

5 結 語

運用本文提出的河流河源判斷原則對中國東北、華東、中南、中原、西南和西北的數字河流進行了分析，分析結果與權威部門、專家的考察結果基本一致。實驗結果說明該方法在河流源頭的判斷方面具有一定的現實意義。

[1] 毛發新．錢塘江河源的確定[J]．地理研究,1987(1)∶21-30

[2] 石銘鼎．關于長江正源的確定問題[J]．地理研究,1983(1)∶23-34

[3] 馮忠賢,常崇信,樊維翰．漢江河流源頭考析[J]．陜西水利,2013(4)∶179-181

[4] 馮利華．河流源頭[J]．地球,1993(4)∶2-3

[5] 劉尚仁,葉錦昭,黃泮光．鑒江的河流源頭[J]．中山大學學報(自然科學版),1992(1)∶132-136

[6] 稅曉潔．長江的起點在哪里?長江到底有多長?[J]．中國三峽建設(人文版),2008(4)∶36-41

[7] ZHOU Qi, LI Zhilin． A Comparative Study of Various Strategies to Concatenate Road Segments into Strokes for Map Generalization[J]．International Journal of Geographical Information Science, 2012 (4)∶691-715

P28

B

1672-4623（2016）09-0023-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.007

宋華標，碩士研究生，主要從事數字地圖制圖、地理數據處理方面的研究。

2015-07-01。

項目來源：鄭州市科技計劃資助項目（141PPTGG369）；信息工程大學地理空間信息學院碩士學位論文創新與創優基金資助項目（ZS201503）。