基于DEM的廟臺溝流域數字地形提取與分析

王 崢，張亞梅，譚春陽

(1.哈爾濱市水務科學研究院，哈爾濱 150001； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010； 3.哈爾濱市河道堤防管理處，哈爾濱 150070)

1 概 述

地形是流域最基本的自然要素，隨著計算機科學和地理信息系統學科的發展，數字高程模型(DEM)作為地形地貌的數字化表達和顯示方式，成為現在空間地理信息研究的重要基礎數據，廣泛應用于水文模型分析、區域地形地貌特征、區域數字地形分析、景觀設計等領域。

本文選取位于哈爾濱市郊區的廟臺溝流域作為研究對象，應用ESRI公司開發的ArcGIS10.2軟件，進行流域數字地形提取與分析，并比較不同DEM分辨率提取的地形特征和流域水文特征，探討DEM分辨率對小流域地形特征提取結果的影響。

2 數據來源

數字高程模型(DEM)是數字地形模型(DTM)的一個子集，是一種表現地面高程的實體地面模型，也是地理信息系統進行多種分析的基礎數據之一。本次分析采用的DEM分辨率為90和30 m兩種，已經過多次修訂和完善，數據均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://datamirror.csdb.cn)。

3 研究區概況

廟臺溝是阿什河左岸一級支流，干流長23 km，流域面積86.45 km2，目前河流兩岸主要為農田。廟臺溝河源位于哈爾濱市阿城區楊樹鄉民權村王佩屯，河口位于哈爾濱市利平鄉，流經阿城區楊樹鄉、阿城區新利街、哈市利平鄉。廟臺溝作為阿什河的主要支流，曾經魚蝦滿河、水質清澈，而現在廟臺溝防洪形勢嚴峻，河道侵蝕、侵占嚴重，水量銳減，水體污染也在日益加劇。

4 基于DEM的數字地形特征提取

本文應用ArcGIS10.2軟件進行數字地形特征的提取，主要利用該軟件工具箱中的SpatialAnalyst模塊下表面分析、水文分析和重分類等功能。因DEM本身就表現地面高程，每個單元均對應一個高程值，因此對高程將會直接進行對比分析。

4.1 坡 度

坡度指過地表面任一點切平面與水平地面的夾角，表示地表傾斜程度。ArcGIS求解坡度運用擬合曲線面法，采用二次曲面，每點坡度的求解公式如下：

式中：S為坡度；Sx為X方向上的坡度；Sy為Y方向上的坡度。

4.2 流域水文特征

流域是最基本也是最重要的水文單元，是水文模型構建分析、水文模擬研究等工作的重要基礎信息。ArcGIS工具箱中的水文分析模塊包含填洼、流向、分水嶺、河網分級、捕捉傾瀉點、河流鏈接、盆域分析等一系列工具，能夠實現對DEM進行流域特征的提取和分析，具體過程如下：

1) 洼地填充。實地地形中是存在洼地的，但DEM精度不夠或數據異常會導致“假洼地”的產生，有可能導致河網不合理中斷，影響河網的形成。因此，要先進行洼地的填充處理。

2) 水流方向提取。ArcGIS應用單流向法中的D8法進行水流方向的確定。該方法假設水流只能流入與其相鄰的8個網格單元，流出每個柵格的方向按最陡坡度法選定。

3) 計算流水累積量。以上一步水流方向提取結果為基礎，計算每點所流過的水量數值，便得到了該區域的流水累積量。流水累積量表明其上游的水流流過該柵格單元的數量，數值越大代表越容易形成徑流。

4) 集水面積閾值設置和水系提取。以流水累積量作為河流確定的標準，集水面積閾值就表示流水累積量大于該值時，就判定形成河流網絡。ArcGIS的柵格計算器可以提取柵格河網，再用柵格河網矢量化工具形成矢量河流水系。

5) 河網分級。河網分級是對線性河流以數字標識形式進行級別劃分。ArcGIS中河網分級提供Strahler和Shreve兩種分級方法，本文采用Strahler分級。

6) 子流域生成。根據Strahler河網分級、水流方向提取結果等，將流域分割成更小的流域單元。

5 結果與分析

5.1 高 程

分辨率為90和30 m的廟臺溝流域DEM見圖1、圖2，兩圖中精細程度差別較為明顯，90 m分辨率的DEM對高程信息的表達明顯較為粗略。由圖1、圖2可知，廟臺溝流域南部河源地勢最高，北部入河口地勢最低，由南向北高程逐漸減小，這與廟臺溝流域南部位于階地、北部多為低漫灘的地貌相符合。廟臺溝流域高程統計值見表1。

由表1可知，廟臺溝流域大部分區域高程在200 m以下，90 m分辨率DEM的高程范圍為121～213，平均高程177.53 m，標準差17.26；30 m分辨率DEM的高程范圍為54～289，平均高程180.68 m，標準差21.20。根據表1結果，較高的DEM分辨率表達地形更為細致，能夠更精確表現高程值和高程變化。

圖1 90 m分辨率DEM高程圖

圖2 30 m分辨率DEM高程圖

表1 不同分辨率DEM高程統計表

5.2 坡 度

坡度等級劃分采用原水電部制訂的“不同水力侵蝕類型強度分級參考指標”中的坡度分級標準。該標準將坡度分為6級，第VI級的上限為35°，考慮到坡度>35°時，對土地利用方式和治理措施選擇均具有重要意義，故增加一級，即第Ⅶ級>35°。坡度等級劃分標準如下：I級<3°；Ⅱ級3°～5°；Ⅲ級5°～8°；IV級8°～15°；V級15°～25°；Ⅵ級25°～35°；Ⅶ級>35°。見圖3、圖4。

圖3 廟臺溝流域坡度圖(90 mDEM)

圖4 廟臺溝流域坡度圖(30 mDEM)

根據廟臺溝流域分辨率為90 m的DEM提取結果(圖3)，坡度最大值7.58°，平均值1.78°，標準偏差1.17。坡度分級統計表(90 mDEM)見表2。

表2 坡度分級統計表(90 mDEM)

由表2可知，廟臺溝流域98.76%的區域坡度都在5°以下，流域內沒有坡度大于25°的陡坡和急陡坡。根據實地調研，此次分辨率為90 m的DEM坡度提取和分類結果明顯不太符合廟臺溝流域的地形特征，流域內存在坡度大于8°的區域，表明此精度的DEM不能表現流域實際地形特點。90 m的分辨率對于小流域來說可能存在精度不夠的情況。

根據廟臺溝流域分辨率為30 m的DEM提取結果(圖4)，坡度最大值60.83°，平均值5.65°，標準偏差4.95。坡度分級統計表(30 mDEM)見表3。

表3 坡度分級統計表(30 mDEM)

由表3可知，廟臺溝流域95.03%的區域坡度都在15°以下，坡度大于25°的陡坡和急陡坡僅占廟臺溝整個流域的1.01%，說明流域內絕大多數區域均地勢平緩，丘陵和山地極少。此次分辨率為30 m的DEM坡度提取和分類結果符合廟臺溝流域處于平原區的地形特征，表明此精度的DEM可以表現流域實際地形特點，其結果在某些精度要求下是可用的。

基于不同分辨率(90和30 m)DEM提取的坡度明顯存在較大差別，隨著分辨率提高，最大坡度值、平均坡度值、標準差呈現上升趨勢，且更加接近實際地形。因此，DEM的分辨率直接影響DEM對實際地形的模擬，在實際應用中應選擇分辨率較高的DEM數據。

5.3 流域水文特征

在ArcGIS水文分析模塊下，基于不同DEM分辨率提取廟臺溝流域水文特征(圖5、圖6)，所得統計值見表4。

圖5 90 mDEM提取水系圖

圖6 30 mDEM提取水系圖

表4 不同分辨率DEM提取的流域水文特征統計表

由表4可知，閾值取值相同的條件下，DEM分辨率越低，提取的河流水系網絡將會越粗略，流域面積、河流長度均變小，劃分的子流域個數和所提取的支流個數也減少。而DEM分辨率越高，流域劃分越細致和破碎，河網形態更加復雜，體現更加細小的河流。

6 結 論

采用分辨率為90和30 m兩種DEM數據，進行廟臺溝流域地形特征和水文特征的提取與分析，結果顯示DEM的不同分辨率對流域數字地形特征的提取結果影響較大。

1) DEM的分辨率越高，對地表形態的模擬越真實詳細，也更能精確地表現高程值和高程變化。

2) 分辨率90和30 m的DEM提取坡度的結果差別較大，隨著分辨率提高，最大坡度值、平均坡度值、標準差呈現上升趨勢。對于小流域而言，DEM分辨率過低，可能無法獲得符合實際的地形特征。

3) DEM的分辨率越高，提取的河網水系和流域劃分越復雜細致，其流域面積、河流長度均增大，劃分的子流域個數和所提取的支流個數也越多。選取合適分辨率的DEM和確定合理閾值，并結合實際調查資料，能夠獲得較好的流域水文特征提取結果。