基于SRTM DEM的河棚河流域水系提取研究

姜衛祥 呂成文

摘要 基于SRTM DEM數據，以河棚河流域為例，利用ArcGIS 10.0中的水文分析模塊進行水系的提取試驗，分析不同的匯流累積閾值對河網密度、流域面積、河網分級等流域特征參數的影響。結果表明，隨著匯流累積閾值的增大，河網密度以及河網總長度都在逐漸減小，并且匯流累積閾值與河網密度之間存在顯著的冪函數關系。最后，利用1∶250 000水系圖進行對比發現，當匯流累積閾值為200時，利用SRTM DEM提取的河網與實際水系吻合較好。

關鍵詞 SRTM DEM；水系提取；匯流累積閾值

中圖分類號 P208 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）13-0214-04

Study on the Extraction of River Network in Hepeng River Basin Based on SRTM DEM

JIANG Wei-xiang，L Cheng-wen

（Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241000）

Abstract Based on SRTM DEM data，taking Hepeng River basin as an example，river network was extracted by using hydrological analysis module in ArcGIS 10.0 version.The effects of different accumulated threshold value of confluence on drainage density，drainage area，river network classification and other watershed characteristics parameters were studied.The results showed that drainage density and river network length gradually decreased with the increase of confluence accumulated threshold value.There was a significant power function relationship between confluence accumulated threshold value and drainage density.Finally，the river network data was compared with the 1∶250 thousand topographic map and it was found that river network extracted by using SRTM DEM was basically consistent with the actual water system，when the confluence accumulated threshold value was 200.

Key words SRTM DEM； Extraction of river network； Confluence accumulated threshold value

流域水文特征的提取一直以來都是水文科學的研究熱點之一，而河網作為流域水文特征的基本要素之一，其提取方法也一直備受關注。傳統的水系提取方法主要有2種：實地測量和基于地形圖手工提取。這2種方法不僅效率低下，而且成本較高[1-3]。遙感技術和計算機技術的發展大力促進了水文科學的發展，利用數字高程模型（Digital elevation model，DEM）不僅可以快速實現河網、流域等水系特征的提取，而且被廣泛應用于水利工程、測繪、水文、土壤等領域[4]。

目前，對于水系提取方法應用最多的是地表徑流漫流模型，該模型基于D8算法，被集成于ArcGIS、SWAT等主流軟件中，依據水流沿斜坡流動的原理，確定每個格網單元的匯流累積量，選擇合適的集水閾值實現河網提取[5-9]。筆者以杭埠河的重要支流河棚河為例，利用ArcGIS 10.0平臺的水文分析模塊，實現對河棚河流域匯流累積量、流向、河網及流域邊界等流域水文特征的自動提取，并分析不同的集水閾值下的河網變化，探討匯流累積閾值對水系提取的影響。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

河棚河位于舒城縣西南山區，龍河口水庫上游，原名烏沙河，發源于舒城縣西南山區黃土關和花巖山西北麓，全長32.5 km，流域面積200 km2。該河彎大、水急、灘多，河面寬度40～180 m，通過最大流量1 322 m3/s，屬于季節性山河；年降雨量1 000～1 700 mm，年平均氣溫14～16 ℃。河棚河流域高程圖見圖1。

1.2 數據源 采用的DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//www.gscloud.cn），SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）是由美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯合測量。SRTM地形數據按精度可以分為SRTM1和SRTM3，分別對應的分辨率精度為30 m和90 m數據（目前公開數據為90 m分辨率的數據）。

2 研究方法

獲取的原始SRTM數據需要檢查DEM是否存在洼地，對經過預處理后的無洼地DEM提取流向，匯流累積量等數據，并基于匯流累積量數據提取出河網，分析不同的匯流累積閾值下的河網密度、河網分級情況[10-11]，最后與1∶250 000水系圖進行比較，評價河網提取的精度，確定河棚河流域水系提取的匯流累積閾值范圍。

2.1 無洼地DEM的生成

由于內插及真實地表的存在，DEM表面存在一些凹陷的區域影響流向，首先要檢查是否存在洼地，并對這些低洼區域進行填洼處理，流向是基于最大距離權落差計算的，當鄰域柵格對中心柵格的方向值最大為128時，則填洼完成。

2.2 流向提取 流向的提取是基于D8算法，在ArcGIS中通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼來確定水流方向。

2.3 匯流累積量

匯流累積量的計算是河網提取的基礎，其大小代表了上游有多少柵格的水流方向最終流過該柵格。匯流累積量的計算是基于流向數據進行的（匯流累積柵格如圖2所示）。

2.4 河網生成 河網的生成是基于匯流累積量的，匯流累積閾值的設定直接影響到河網提取的結果[12]。利用ArcGIS中的con命令匯流累積柵格進行查詢，并將查詢結果賦予新的柵格數據中，分別將匯流累積閾值設定為100、150、200、250、300、350、400，并比較不同匯流累積閾值下的河網變化。

3 結果與分析

3.1 匯流累積閾值對河網提取的影響

柵格河網的計算是基于con命令或者setnull命令計算的，二者都是基于柵格進行有條件查詢，并將查詢結果賦予新的柵格數據中，其基本思想是基于匯流累積量數據，將匯流累積量大于閾值的柵格設置為1，其他柵格設置為無數據，就會得到一個新的柵格圖層即柵格河網圖。通過設置100、150、200、250、300、350、400不同的匯流累積量閾值，比較不同閾值下的河網主要參數的變化情況。不同匯流累積量閾值下的河網提取結果見圖2。

在河網提取的過程中，匯流累積閾值的設定對河網提取的結果有著重要的影響。隨著匯流累積閾值的不斷增大，流域面積為199 km2，沒有發生變化，與實際流域面積（200 km2）相差不大；河網的總長度和河道數都在減小，河網變稀疏，主河道位置并沒有發生明顯的變化，小支流隨著匯流累積閾值的增大在不斷減少。當匯流累積閾值由100增至400時，河網總長度由143.290 km減少到73.582 km，減少了4865%；河道數目由119條減少到31條，減少了7395%；河網密度由0.716 km/km2減少到0.368 km//km2，減少了48.60%（圖3和表1）。匯流累積閾值對河網提取的影響并不會使河道發生位置上的偏移，只是改變了河網的稀疏程度。

匯流累積閾值的變化對河網分級也有著重要的影響，隨著匯流累積閾值從100增至400，1、2級河網的河道數和河網長度都在不斷減小，1級河網河道數減少了73.33%，2級河網河道數減少了73.07%，減少的頻率大體一致；3級河網的河道數和河網長度呈先減小后增大的趨勢；當匯流累積閾值為100～300時，4級河網的河網長度變化不大；當匯流累積量超過300時，4級河網河道數和河網長度急劇減少，且當匯流累積閾值達到350時，4級支流的河道數和河網長度減至0（表2和表3）。

3.2 匯流累積閾值和河網密度的關系

匯流累積閾值對河網提取的影響主要是改變了河網的稀疏程度，為了能夠定量評價匯流累積閾值對河網提取的影響，選取河網密度建立與匯流累積閾值之間的定量關系[13]。利用Matlab軟件對河網密度和匯流累積閾值的擬合發現，二者之間存在顯著的冪函數關系（圖3），二者關系式如下：

式中，x代表匯流累積閾值，y代表河網密度。

3.3 河網提取驗證

將1∶250 000地形圖提取的水系圖和基于SRTM DEM提取的河網進行疊加分析，對不同匯流累積閾值下提取的河網進行對比驗證。將SRTM DEM中提取的河網與1∶250 000水系圖進行疊加對比分析（圖4），發現當匯流累積閾值為200時，自動提取的河網更接近1∶250 000水系圖，提取的河網和水系圖的河網密度分別為0.534和0546 km/km2，河網密度誤差為2.2%；提取的河網與水系圖的河網總長度誤差為2%；流域面積與實際流域面積僅相差0.45%。總體來看，河流的的主河道基本吻合，大體走勢基本相同，有些地方存在一些微小的偏差。

4 結論

該研究利用SRTM DEM數據，基于ArcGIS中的水文分析模塊，探討利用DEM自動提取水系的可行性，以及不同的匯流累積閾值對河網提取的影響，得出以下結論：①河棚河屬于季節性山河，整個流域的高程落差比較大，利用SRTM DEM提取的河網與真實的河網基本吻合，且此流域進行水系提取試驗的匯流累積閾值的范圍為200～300。②通過對比不同匯流累積閾值下提取出的河網，隨著匯流累積閾值的不斷增大，河網密度、河流總長度、河道數目都在減小，且河網分級的各級支流的總長度、河道數也呈現逐漸減少的趨勢，匯流累積閾值的大小影響著河網提取的精度。③匯流累積閾值對河網提取的影響主要表現為河網密度的變化，主要河道位置并沒有發生變化，通過對河網密度和匯流累積閾值的函數擬合，發現匯流累積閾值與河網密度之間存在顯著的冪函數關系。

該研究中使用90 m分辨率的SRTM DEM數據作為數據源，實現了河棚河流域水系的自動提取，并取得了較好的效果。今后可考慮利用更高精度的DEM數據進行水系提取試驗，并探討DEM空間分辨率對流域特征提取的影響。

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