遙感技術在流域提取中的應用研究

吳薩納

【摘 要】本文簡單介紹了在干旱-半干旱地區的山區流域以遙感技術進行河流流域自動提取的方法，并以中國最西部的木吒爾特河為例，在ArcGIS軟件中實現該方法，并對該方法在西北部山地的適應性與可用性進行評價。

【關鍵詞】遙感；流域提取；ArcGIS

一、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[1]。

中國的地形地貌多種多樣，在華東地區以平原丘陵為主，而西北部地區以高原和山地為主。流域提取技術在高差相對較大的地方可以起到較好作用，所以本文選取中國西北部地區的木扎爾特河作為研究區，應用ArcGIS軟件與中等分辨率DEM數據進行數字流域自動提取，并對自動提取的結果進行探討分析。

二、數據準備

2.1 數據簡介

數字高程模型是數字流域地形地貌特征呈現的常用表達形式，描述了研究區地而高程的分布情況，包含了豐富的水文、地形、地貌信息[2-5]。DEM通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬（即地形表面形態的數字化表達），它是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，是數字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）的一個分支，其它各種地形特征值均可由此派生[6]。

2.2 數據下載

首先在Google Earth等遙感圖像視圖軟件上大體確定研究區域的范圍，然后搜索相關DEM下載網址（如地理空間數據云）下載研究區DEM數據。為了保證研究區水系提取范圍正確，應該確保DEM數據下載范圍比研究區范圍稍大一些。DEM數據的分辨有多種，本文所采用的是中級分辨率30米，屬于中等分辨率數據，原始數據覆蓋面積為10330.4平方公里。

三、數據處理與結果分析

3.1 圖像預處理

在ArcGIS里打開原始DEM影像，并對多幅影像進行鑲嵌處理使其成為單一影像。

3.2 填洼與削峰

在原始DEM數據中，通常都有洼地和尖峰，對此有兩種基本的解釋：一種是認為洼地和尖峰是真實的地表形態（如喀斯特地形等），在分析過程中應以有水文意義的方法加以處理[7]。在DEM數據中如果存在洼地，會使水流方向的判定出現紊亂，導致最終提取的結果產生較大誤差，所以需要用到填洼處理。填洼一般使用的方法是Jenson和Dominguez提出的八流向填洼方法[8]，該方法原理是若單一像元的周圍高程都大于該單像元，則認為該像元為洼地，此時將周圍像元的最低值賦給該像元，使其平坦；同理，若一個像元高程均高于其周圍點，則將周圍點中最高的值賦給該像元，使其達到削峰的目的。

3.3 流向計算

原始DEM在經過填洼計算之后，可以直接用來計算流向數據。流向計算一般使用D8算法，D8算法的原理是基于水永遠是向地勢低的地方下流，所以在DEM數據上任一像元周圍可建立8個點，該像元的水永遠流向8個點中高程最低者。

3.4 流量計算

在確定流向之后，需要對每個像元點做匯流量的計算。匯流的意義在于確定每個點上游的區域內所有匯入該像元的總量，這是一個不斷累積的過程。只有在連續不間斷的像元中累積足夠量的水，才會形成地表徑流，成為一個可以流動的河流模型。

3.5 河網提取及盆域分析

經過流量計算之后，會在DEM數據上形成柵格河流，此時可以設置閾值對河網的精細程度形成控制。閾值越大，河網越稀疏，只保留徑流量大的河道；閾值越小，河網越密集，會保留小徑流量的河道。在確定閾值之后，對柵格河網進行矢量化即得到需要的河網水系。ArcGIS軟件通過識別盆地間的山脊線，在分析窗口中描繪流域盆地。通過分析輸入流向柵格數據找出屬于同一流域盆地的所有已連接像元組。通過定位窗口邊緣的傾瀉點（水將從柵格傾瀉出的地方）及凹陷點，然后再識別每個傾瀉點上的匯流區域，來創建流域盆地。這樣就得到流域盆地的柵格。

四、結果與分析

經過上述計算之后，得到木扎爾特河流域。

4.1 流域高程

經裁剪后，得到木扎爾特河單獨的流域DEM遙感示意圖。可以看出木扎爾特河流域北方外圍邊界高程較高，南方高程較低，整體地勢呈現出西北往東南逐漸降低。木扎爾特河流域的高程最大值是6843米，高程最小值是1397米，平均高程3713.88米，流域面積達到3219.97平方千米。

4.2 流域坡度

經過坡度計算之后，得到木吒爾特河流域坡度示意圖。在坡度分布圖上可以看出在河道周邊的坡度值相對較高，而河道里面的坡度值相對最小。其原因是河道底部相對平坦，而河谷周邊由于河水下蝕而導致的高低落差大，形成坡度值高點集中在河谷周邊的現象。木扎爾特河的最大坡度值為88.66度，最小值為0，平均值為28.62度，標準差為18，表明了流域內的坡度差異很大，反映了地形高低起伏陡峭不平，符合山地特征。

4.3 流域河網

對柵格河網矢量化后得到的木扎爾特河流域水系分布圖。木扎爾特河主干河流1條，大型支流5條，主河道全長139.6千米，整體上寬下窄葉脈狀分布，上游2條大型支流，中游右側2條條大型支流，下游有另一條支流匯入，最長支流長達38千米。

4.4 河網分級

對于河流匯水累積量的不同，還可以對河道進行分級管理。設定不同的閾值可以獲得想要的分級程度。下圖對木扎爾特河進行1到4級的分級。4級代表匯水量高，對應河流的下游，1級代表匯水量低，對應河流上游。

五、結論

基于DEM數字高程模型的研究已經非常深入了，特別是對于地形地貌的提取與識別技術已經廣泛應用于地學領域，而流域提取技術仍然是現在和今后的研究熱點。本文描述了流域提取技術在中國西北部地區的應用研究，是對流域提取技術適用于干旱-半干旱區域的一次簡單嘗試，結論發現流域提取技術在國內西北部應用具有良好的適用性，成功提取了木扎爾特河流域面積，河流長度及流域內的坡度分布參數，并對結果數據進行了圖片可視化的處理，提高了數據的可閱讀性，同時對今后在中國西北部地區的山區河流提取提供了一次成功的參考經驗。

【參考文獻】

[1]王崢，張亞梅，譚春陽.基于DEM的廟臺溝流域數字地形提取與分析[J].水利科技與經濟，2018，24（10）：76-80.

[2]徐新良，莊大力，賈紹風，等. GIS環境下基于DEM的中國流域自動提取力法[J].長江流域資源與環境，2004，13 （04） 343-348.

[3]黃娜娜，寧芋.基于DEM的數字河網提取力法及應用研究[J].人民長江，2011，42 （24）：50-53.

[4]沈中原，李占斌，李鵬，等.基于DEM的流域數字河網提取算法研究[J].水資源與水工程學報，2009，20 （1）：20-24.

[5]熊立華，郭生練.基于DEM的數字河網生成方法的探討[J]長江科學院院報，2003，20 （4）：14-17.

[6]陳敬周. 數字高程模型的生成與應用[D].太原理工大學，2007.

[7]趙博華.基于DEM的流域特征提取方法研究進展[J].人民珠江，2016，37（02）：43-47.

[8]，Jenson S K， Dominguez ，J O Extraction Topographic structure from digital elevation data for geographic informationsystem analysis[J] Photogrammetric engineering and remote sensing， 1988， 54（11）：1593-1600.