基于DEM的流域水文特征提取方法研究

-1-基于DEM的流域水文特征提取方法研究*原立峰1，2，3（1.中科院成都山地灾害与环境研究所，成都610041；（2.中科院地理科学与资源研究所，北京100101；3.中国科学院研究生院，北京100039）Email:[e-mail]摘要：运用GIS软件ArcGIS，以黄土丘陵沟壑区小流域为例，探讨了从数字高程模型（DEM）中提取流域水文特征的详细过程，包括：DEM的生成和预处理、水流方向的确定、流域汇流能力分析、河网的提取、流域边界的确定和子流域的划分。提出了基于DEM自动生成数字流域的一种方法，并将自动提取的流域与从地形图和遥感影像相结合手工提取的流域作了对比分析。结果表明，利用该方法提取的流域与利用手工方法提取的流域基本一致，平均误差为4.3%，证明该方法具有较高的精度。关键词：DEM栅格GIS水文模拟20世纪60年代以来，在利用数字高程模型（DigitalElevationModel，简称DEM）提取流域水文特征，模拟地表水文过程方面，国内外都开展了大量的研究。最早出现的提取流域特征的方法是Peuker（1975）等所采用的基于谷点识别的方法，它能够通过标识流域中的凸点和凹点来表示潜在的河道和山脊点；但该法会生成许多不连续的河道片段和非单网格宽的河网，没有能够产生出真实的径流路径[1]。O'Callaghan和Mark（1984）提出了识别河网的方法，指出只有在DEM中每一个单元格网都确定了排水方向后才能够自动生成连续、单宽的河网[2]。Jenson和Domingue（1988）提出了确定平坦地区流向的方法，该方法首先寻找出与具有流向的格网单元相邻的那些格网，然后确定这些格网单元的流向。Tanboton（1991）等人开发了基于栅格DEM的计算河床坡度和流域中自分水岭至流域出水口的最长河道的长度等水文参数的方法[3]。Quinn（1991）等人提出将水流按坡度的比例分散地分配给高程较低的相邻格网的多流向算法[4]。Freeman（1991）也提出将水流按指数方法分配的多流向算法[5]。在国内，郝振纯[6]、汤国安[7]、闾国年[8]等许多学者对于流域特征的提取也进行了大量的研究。从DEM中提取的流域水文特征，为水文过程模拟提供流域内每一个点的下垫面信息，已经成为建立分布式水文模型不可或缺的前提条件[9]。目前，国外已经开发出能够自动提取流域水文特征的软件，如：ESRI研制的GIS软件ArcGIS，ArcView中的水文扩展模块，RSI提供的水文分析工具RiverTools，美国BrighamYoung大学开发的WMS（WatershedModelingSystem），以及Garbrecht和Martz开发的TOPZA（TOographicalParameteriZAtion）等。本文利用GIS软件ArcGIS9.0中的水文分析模块，在1：5万DEM的基础上，对黄土丘陵基金项目：国家杰出青年基金项目（40225004）资助沟壑区典型样区的水文特征进行了提取，模拟了水流方向，流域的汇流能力，河网的提取，流域出水口的确定，流域边界的确定和子流域的划分。该项研究对于黄土高原数字流域的建设和流域水资源的现代化管理具有实践意义。1试验基础和信息源试验区位于陕北延安地区燕儿沟流域，样区面积为12km2（3km×4km），最大高程1276.2m，最小高程984.5m，平均高程1106.4m，沟谷密度4.26km/km2，地表平均坡度21.8°，流域大致呈东南—西北走向，地表形态复杂，以充分发育的梁峁地形为主，属于典型的黄土丘陵沟壑区。研究区域信息源主要包括：1：50000地形图（等高距为20m，采用高斯克里格投影，北京54坐标系，地图单位为米）；以地形图为基础生成的DEM（25m×25m）；另外，经过几何校正的1：10000彩红外航空正射影像图作为流域特征提取的参照资料。2研究方法2.1DEM的建立与预处理本文考虑到地形图上表示峁顶的等高线是闭合的，以及在表示谷底时等高线分布稀疏，这些特征导致生成DEM时会被处理为平地，所以在矢量化地形图时，加入了离散高程点图层，利用该图层修改由等高线生成的三角形不规则网地形数据，图2a、2b分别显示了修改前后地形特征的对比情况。利用以上方法建立栅格DEM的具体过程和方法为：○1将流域1：50000地形图作为底图扫描输入计算机，利用ArcGIS软件进行配准和矢量化，建立空间拓扑关系，分别生成等高线和高程点两个图层；○2对等高线和高程点图层进行高程赋值；○3采用三角形不规则网，即TIN（TriangulatedIrregularNetwork）方法，将生成的等高线图层转化成TIN数据结构；○4以高程点图层对TIN进行编辑修改；○5将TIN数据进行重采样转换为Raster数据格式，生成25m地表分辨率DEM（GRID）。然而，这种方法生成的DEM并不能够完全消除洼地和平坦区域，还需要通过一定的填洼和平图1试验区基本的信息源Fig.1BasalInformationonStudyAreaa）等高线图b）DEMc）航片的改造，生成无洼DEM（DepressionlessDEM）。2.2流向的确定地表径流在流域内总是从地势高处流向地势低处，最后经流域出口排出流域。流向的确定是建立在流域3×3的DEM格网的基础上，目前确定流向的算法主要有两种：一种是单流向算法（SimpleFlowDirection，SFD），一种是多流向算法（MultipleFlowDirection，MFD）[4，5]。由于单流向算法简单方便而得到广泛的应用。单流向法假定一个格网中的水流只从一个方向流出格网,然后根据格网高程判断水流方向。目前应用最广泛的单流向法是D8（Deterministic8）法，为本文所采用。此外,还有Rho8法、DEMON法、Lea法和D∞法等[10]。D8算法的基本原理是：假设单个格网中的水流只有八种可能的流向，分别定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并用128、1、2、4、8、16、32和64这八个有效特征码表示，即流入与之相邻的八个格网中。它用最陡坡度法来确定水流的方向，计算中心格网与各相邻格网间的距离权落差（即格网中心点落差除以格网中心点之间的距离），取距离权落差最大的格网为中心格网的流出格网，该方向即为中心格网的流向。被处理格网单元同相邻八个格网单元之间坡降的算法为：Slope=⊿Z/D，式中:Slope为两个格网之间的坡降；⊿Z为两个格网单元之间的高程差；D为两个格网单元中心之间的距离。2.3河网的提取和流域边界的划分流域汇流能力分析是提取河流网络的前提和基础。流域内一个栅格的汇流能力反映了其汇聚水流能力的强弱程度，一个栅格的汇流能力特征值就表示水流能够流入其中的周围栅格的数目。因此，一个栅格的汇流能力特征值越大，表示水流能够流入其中的栅格数目越多，其汇流能力也a）修改前b）修改后图2经离散高程点修改前后的地形对比（局部放大）Fig.2ComparisonAnalysisBeforeandAfterReconditioningTerrainbyScatterAltitudePointData)流向图b)河网水系图3利用DEM提取的流向图和河网水系Fig.3ExtractingFlowGraphandStreamNetworkbyDEM就越强，该栅格所代表的地形特征就有可能是河谷；反之，汇流能力特征值为零的地方则可能代表流域的分水岭[11]，由此可以确定流域边界。流域汇流能力栅格分布图产生以后可以方便的提取流域的各种特征参数。河网的生成是通过设置栅格汇流能力特征值阀值来确定的，大于该阀值的栅格被看作是沟谷线上的点，连接各沟谷线上的点就形成了河流网络。3实例验证及精度检验基于燕儿沟流域的1：5万DEM，运用ArcGIS软件对前文所提出的方法做出实例验证，并检验了方法的精度。首先我们采用FLOWDIRECTION()函数从改造过的DEM中确定水流方向；在此基础上，利用SINK()函数标出DEM中的洼地单元；再利用FILL()函数进行填洼，生成无洼的DEM，将其作为流域水文特征提取的基础；再次应用FLOWDIRECTION()函数生成最终的流向图，见图3a；应用FLOWACCUMULATION()函数计算每一格网的上游控制面积，并采用试错法确定流域汇流特征阀值为100，利用CON()函数确定出流域的汇流栅格图，提取的河网水系见图3b；接着我们利用STREAMLINK()函数来确定流域的出口，该函数利用已经建立的河流网络，将河流沟谷交叉点标记为流域出口；流域出口找到后，利用WATERSHED()函数在水流方方栅格图上可以很方便的确定出流域的所有子流域，如图4。研究表明，通过提高DEM的输入精度可以大大的减少平直河网水系的产生，使之更符合实际的水系分布情况。为了检验计算机自动提取的流域和实际流域之间的误差。我们将地形图和遥感影像经过几何纠正配准到同一投影坐标系下，结合已有的DEM生成三维流域地貌图，以此为基础，手工提取了流域边界，划分了子流域，并将其与利用DEM自动提取的流域进行了空间对比分析，发现两者的边界吻合性很好。为了定量地分析提取误差，我们将自动提取得到的31个子流域的面积与结合手工量测的结果进行了对比分析，分析结果见表一，发现自动提取的流域面积和实际流域面积非常接近，平均误差仅为4.3%。证明利用该方法来提取小流域的水文特征不仅大大提高了工作效率而且从提取的数据精度上来说是可以保证的。流域编号自动提取的流域面积（km2）手工量测的流域面积（km2）误差百分比（%）10.2250.2145.1420.2800.2722.9430.2460.2287.8940.1070.109-1.8350.3610.3522.5660.1470.150-2.0070.3740.388-3.6180.4100.3866.2290.3150.311.61100.2580.2512.79110.0930.094-1.06120.2440.261-6.51130.0600.0559.09140.3510.359-2.23150.0500.055-9.09…………………自动提取的流域手工提取的流域±图4自动提取流域与手工提取流域的空间对比Fig.4ComparisonAnalysisBetweenAutomatedExtractionAreaandManualExtractionArea表1自动提取流域面积与手工量测流域面积的对比分析Tab.1ComparisonAnalysisBetweenAutomatedExtractionAreaandManualSurveyArea在水文学中的应用主要是描述流域地形，包括流域划分和子流域边界的确定、河网的识别和提取、坡度、坡向的确定等等，从而为流域分布式水文模型的构建提供下垫面参数。本文通过离散点数据修改DEM后，利用填洼算法再次对DEM进行修正，结果表明，由该方法提取的流域特征比较符合实际。随着基于DEM提取流域特征技术的不断发展和完善，今后利用DEM提取流域特征的精度，尤其是在平坦地区的提取精度将会有会有进一步的提高。利用DEM提取流域水文特征在提高工作效率的同时可以保证数据提取的精度，这对于数字流域的建设、农业工程的规划和水资源管理等方面都具有十分重要的指导意义。参考文献[1]Peucker,T.K.,Douglas,D.H.Detectionofsurface-specificpointsbyparallelprocessingofdiscreteterrainelevationdata[J].Co