基于ASTER GDEM數據的黃土丘陵溝壑區流域信息提取研究

黎雅楠 武丹

摘? 要：數字高程模型（DEM）主要描述地面高程，其中包含了豐富的水文信息，是目前流域分析主要數據源之一。該文以陜西省富縣作為研究區域，利用30m分辨率的ASTER GDEM數據，基于ArcGIS10.3平臺Hydrology模塊，經過洼地填充、水流方向計算、匯流累積量計算、匯流閾值確定、河網提取等對研究區流域提取方法進行研究，并對流域特征進行綜合分析。結果表明：當匯流閾值為11000時，提取的河網與實際河網最接近，利用導數關系基本可以確定提取的河網反映了真實水系的閾值。

關鍵詞：ASTER GDEM數據;黃土高原丘陵溝壑區;GIS空間分析;匯流閾值

中圖分類號 P208文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）11-0077-3

Abstract：Digital elevation model （DEM） mainly describes ground elevation，which contains rich hydrological information，and is one of the main data sources of current watershed analysis. This paper uses Fuxian County of Shaanxi Province as the research area，using ASTER GDEM data with 30m resolution. Based on the Hydrology module of ArcGIS10.3 platform，the method of watershed extraction in the study area was studied after the filling of the earth，the calculation of water flow direction，the calculation of the cumulant accumulation，the determination of the convergence threshold and the river network extraction，and the comprehensive analysis of the watershed characteristics. The results show that：When the convergence threshold is 11000，the extracted river network is closest to the actual river network，and the derivative relationship can be used to determine that the extracted river network reflects the threshold of the real water system.

Key words：ASTER GDEM data;Hilly and gully region of the Loess Plateau;GIS spatial analysis;Confluence threshold

數字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）是對地球表面地形地貌的一種離散表達，蘊含豐富的水文特征、地形地貌信息等，已成為數字流域提取的主要手段[1]。數字高程模型一般有規則格網DEM、不規則三角網DEM和等高線DEM3種結構，規格格網結構易于與遙感和柵格GIS結合，而且在格網DEM上提取各種地形地貌因子也最為簡便，因此使格網DEM在數字地面模型數據組織中占據主導地位[2]。如美國地質調查局（USGS）提供分辨率為30m、90m的DEM數據，目前被廣泛應用于區域范圍內的地貌、土壤、水文和生態學領域研究中。利用DEM數據可以提取地形因子，也可進行水文分析、提取流域信息研究。現階段，廣泛應用的流域信息自動提取的工具主要有TOPAZ、RiverTools和ArcGIS[3]，其中ESRI公司和美國得克薩斯州奧斯汀大學水資源研究中心開發的ArcGIS水文模塊，用于河網提取分析功能強大，能快速提取流域信息，國內外運用此模塊已經對提取流域研究地表水文特征等進行了大量的研究[4-6]。

本研究運用ArcGIS10.3平臺提供的Hydrology模塊，利用延安市富縣30m分辨率的DEM數據，對研究區進行流域信息提取研究，以期對其水文信息進行全面的了解，為流域生態環境保護工作提供數據支撐。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況 位于陜西省北部，延安市南部的富縣，地處陜、甘、寧3省交界處。該區地處陜北高塬溝壑區與丘陵溝壑區的過渡地帶，全境東西長111km，南北寬73.8km，面積約為4182km2。該縣縣域遼闊、資源豐富、四季分明、日照充足、降水適中，地形地貌包括以洛河和葫蘆河為主的河流階地、中部高塬溝壑區、塬區北部的丘陵溝壑以及東部和西部的土石低山區。

1.2 數據源 本研究所使用的DEM數據來源于地理空間數據云（http：//www.gscloud.cn/）的ASTER GDEM V2數據，ASTER GDEM數據是NASA根據對地觀測衛星Terra所獲取的地球表面觀測數據制作完成的，數據覆蓋全球99%的范圍，采用UTM/WGS 84投影，空間分辨率為30 m。取N35-E108、N36-E108、N35-E109、N36-E109四景影像，對研究區DEM數據進行鑲嵌處理，鑲嵌好的DEM影像如圖1所示。

2 研究方法

2.1 ArcGIS河網提取流程 主要利用ArcGIS10.3中空間分析模塊的Hydrology工具箱來進行流域提取，根據已有研究區范圍內的DEM數據和其它數據，借助ArcGIS10.3平臺，對研究區DEM數據進行分析處理，最終提取研究區流域河網信息[7]。本研究提取流域信息的主要步驟包括DEM預處理、流向分析、匯流單元分析、河網結構提取、統計流域和河流的水力特征值等，如圖2所示。

2.2 匯流閾值確定方法 通過實驗來確定閾值，分別選取1000～15000為集水面積閾值，提取水系并計算其河網密度，通過河網密度二階導數求取河網密度與真實河網最接近的閾值。

2.3 洼地填充與水流方向提取 在ArcGIS10.3中選取Hydrology模塊中的Fill工具，計算得到無洼地的DEM。利用洼地填充后的DEM數據在ArcGIS10.1中選取Hydrology模塊的Flow Direction工具，提取得到水流方向。

2.4 匯流累積量計算與匯流閾值設置 通過實驗來確定集水面積閾值，分別選取1000、2000、3000、…、15000為集水面積閾值提取水系并計算河網密度，通過河網密度二階導數求取河網密度與真實河網最接近的閾值。

3 結果與分析

3.1 匯流閾值與河網密度的關系 基于ArcGIS10.3平臺中的統計工具，得到不同閾值下的河網長度，然后通過計算河流長度與流域面積的比值得到河網密度，結果見表1。

由圖4可知，匯流閾值在10000～12000范圍出現拐點，河網密度與匯流閾值的二階導數冪函數關系為[y=16.886x-2.493]，相關性R2為1。當匯流閾值為11000時，提取的河網與實際水系最吻合，結果見圖5所示。通過求取河網密度與匯流閾值的二階導數，確定匯流閾值的方法，避免了利用DEM提取流域信息時的繁瑣過程，且提高了流域提取的準確性。

3.2 精度評價 采用Landsat8 OLI遙感影像543波段R（紅）、G（綠）、B（藍）假彩色合成影像為背景，疊加河網提取結果（圖6）。由圖6可知，在較小的支流末梢，無法提取，匯流累積量越大，靠近支流干道的地方提取效果越好。隨著DEM數據精確度的提高及提取流域特征的技術改進，流域特征提取的精確度也將進一步提高。

4 結論與展望

以陜西省延安市富縣為研究區域，利用ArcGIS10.3水文分析模塊對研究區進行流域信息提取研究。結果表明：當匯流閾值為11000（集水面積閾值為1.1km2）時提取的河網與研究區真實的水系最為接近，取得了較為理想的結果，可以為流域生態環境保護工作提供數據支撐。

運用GIS和DEM數據自動提取流域信息具有現勢性，而且方便快捷，廣泛適用于各個流域的水文分析，但是不同分辨率的DEM數據對流域提取結果會產生影響，今后應注重多種分辨率DEM提取河網精度比較研究;其次，隨著GIS技術相關理論和方法的日益成熟，在水文領域的應用研究越來越多，但由于處理方法以及實際地形的差異，流域提取的精度也會受到一定的影響，提高精度是今后的研究重點。

參考文獻

[1]朱海玲，楊曉暉，張學培，等.基于DEM的密云水庫上游流域特征提取與分析[J].中國水土保持科學，2013，11（03）：66-72.

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[4]趙健，賈忠華，羅紈.ArcGIS環境下基于DEM的流域特征提取[J].水資源與水工程學報，2006（01）：74-76.

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[9]何燦燦.基于DEM的數字流域特征提取及水文網絡構建研究[D].西安：長安大學，2017.

（責編：王慧晴）