在ArcGIS軟件下利用DEM數(shù)據(jù)提取流域水系網(wǎng)

孔輝　孫增慧　石磊

摘要：本文以黑河流域及其水系為實(shí)例對(duì)象，利用 90m分辨率的SRTM3（DEM）原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，借助ArcGIS軟件中的Hydrology水文分析模塊，對(duì)黑河流域進(jìn)行水系網(wǎng)提取并進(jìn)行相關(guān)的分析，驗(yàn)證了SRTM3數(shù)據(jù)在水文分析中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SRTM-DEM數(shù)據(jù)；匯流累積量；Hydrology；河網(wǎng)

中圖分類號(hào)：P333 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0076-01

利用DEM數(shù)據(jù)中提取水系網(wǎng)已經(jīng)成為GIS應(yīng)用于水文及環(huán)境研究的重點(diǎn)。本文就是GIS空間分析功能在水文分析的應(yīng)用與研究，是流域水文統(tǒng)計(jì)模型向水文機(jī)理模型的一個(gè)轉(zhuǎn)變，并引入GIS技術(shù)。SRTM-DEM數(shù)據(jù)在空間分析的研究領(lǐng)域中是一個(gè)很熱門的方向，用一種新的SRTM-DEM數(shù)據(jù)結(jié)合ArcGIS中的Hydrology水文分析模塊的算法來確定河流流向，匯流累積量以及河網(wǎng)的提取和分級(jí)來對(duì)所研究的黑河流域進(jìn)行流域特征的提取，通過與實(shí)地測(cè)量的黑河流域圖對(duì)比，相似度較高，提取矢量效果理想。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)源介紹

本文研究區(qū)域?yàn)楹诤恿饔颍ú糠种Я鳎诤恿饔蚴俏覈?guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸流域，有35條小支流，位于河西走廊中部，大致介于 98°-101°30′E，38°-42°N之間，為甘蒙西部最大的內(nèi)陸河流域。面積11.6萬平方公里。

SRTM（Shuttle Radar Topography Mission），由美國(guó)太空總署（NASA）和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局（NIMA）聯(lián)合測(cè)量。SRTM地形數(shù)據(jù)按精度可以分為SRTM1和SRTM3，分別對(duì)應(yīng)的分辨率精度為30米和90米數(shù)據(jù)（本研究采用開放的90mSRTM3數(shù)據(jù)）。

2 應(yīng)用原理研究

目前，利用SRTM-DEM數(shù)據(jù)提取流域數(shù)字河網(wǎng)的模型主要由谷點(diǎn)提取模型和基于流向的提取模型，其中基于流向的提取模型因生成的河網(wǎng)連續(xù)應(yīng)用最廣泛。本文通過ArcGIS的Hydrology模塊構(gòu)建數(shù)字流域。基于經(jīng)典的D8算法，以最陡坡度原則確定柵格單元的水流流向，以集水面積閾值確定河道起始點(diǎn)及河道來生成數(shù)字河網(wǎng)。

2.1 無洼地DEM的生成

對(duì)原始的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，其核心技術(shù)是通過水流方向運(yùn)算出DEM數(shù)據(jù)的洼地分布，計(jì)算深度，然后依據(jù)深度參數(shù)設(shè)定閾值來填充。

2.1.1 水流方向計(jì)算（D8算法）

對(duì)于每一格網(wǎng)周圍格網(wǎng)進(jìn)行編碼，中心格網(wǎng)的水流方向由此確定。方向值以2的冪值指定是因?yàn)榇嬖诟窬W(wǎng)水流方向不能確定的情況，當(dāng)相鄰格網(wǎng)方向值為128、32、8、2，距離為倍大小，其余為1。

2.1.2 計(jì)算洼地

（1）洼地提取；（2）洼地深度計(jì)算；（3）計(jì)算每個(gè)洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程Z-min；（4）計(jì)算每個(gè)洼地貢獻(xiàn)區(qū)域出口的最低高程即洼地出水口高程Z-max；（5）計(jì)算洼地深度Dep=Z-max-Z-min。

2.1.3 洼地的填充

無洼地DEM生成的最后一個(gè)步是填充洼地。洼地區(qū)域被填平之后，該區(qū)域與周圍再進(jìn)行洼地計(jì)算，可能還會(huì)形成新的洼地，因此，洼地填充需要不斷重復(fù)運(yùn)算。

2.2 匯流累積量計(jì)算

匯流累積量是此范圍內(nèi)每點(diǎn)的流水累計(jì)程度以數(shù)字矩陣的形式表示，以規(guī)則的網(wǎng)格劃分整個(gè)區(qū)域，每個(gè)格網(wǎng)處代表一個(gè)水量單位，按照水流自然規(guī)律，從高至低，根據(jù)地形趨勢(shì)計(jì)算格網(wǎng)的值，即水量值。

2.3 河網(wǎng)的提取

（1）河網(wǎng)的生成基于匯流累積量的數(shù)據(jù)；（2）設(shè)定閾值；（3）柵格河網(wǎng)形成；（4）柵格河網(wǎng)矢量化。

3 實(shí)例的操作

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)所給四景SRTM3數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格數(shù)據(jù)的mosaic處理，成為實(shí)例操作的區(qū)域和原始數(shù)據(jù)。無洼地DEM數(shù)據(jù)的生成，依據(jù)D8算法提取出水流方向來計(jì)算出洼地的區(qū)域，根據(jù)所定的閾值確定出提取的洼地的貢獻(xiàn)區(qū)域，計(jì)算貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程和出水口的最低高程，在柵格計(jì)算器中計(jì)算其差值得到洼地的高度。便于顯示，所以分別用放大后的圖像和在Sympology中Invert圖像的像素顏色顯示，最后計(jì)算匯流累積量、水流長(zhǎng)度。

3.2 河網(wǎng)的提取

河網(wǎng)提取過程主要是基于匯流累積量數(shù)據(jù)，設(shè)定適當(dāng)閾值，因?yàn)椴煌?jí)別的溝谷對(duì)應(yīng)不同的閾值，不同區(qū)域相同級(jí)別的溝谷對(duì)應(yīng)的閾值也是不同的。所以，在此實(shí)驗(yàn)中，分別用了500，300，800閾值提取柵格河網(wǎng)，進(jìn)行效果對(duì)比，最后選擇500閾值為河網(wǎng)提取的閾值，如圖1。

4 結(jié)果分析

本研究以黑河流域的SRTM3 90m數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用ArcGIS Hydrology Tools功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提取的數(shù)字河網(wǎng)效果較好，且得到的數(shù)字水文數(shù)據(jù)可直接作為水文模型參數(shù)，可大大提高水文模型的效率。SRTM-DEM數(shù)據(jù)精度較高，ArcGIS軟件功能強(qiáng)大，兩者結(jié)合能方便快捷地完成地形特征和水系河網(wǎng)提取等任務(wù)。分析表明，基于90 m SRTM-DEM數(shù)據(jù)提取的澤河流域河網(wǎng)，當(dāng)閾值取500時(shí)，生成的流域河網(wǎng)能夠較好地反映該地區(qū)水系河網(wǎng)。

參考文獻(xiàn)

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