基于ArcGIS的DEM流域划分

程 峥，李永胜，高微微

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安710127)

自20世纪50年代后期以来，DEM在测绘、土木、地质、防洪、农业、景观建筑、道路设计、城市规划、军事工程与战场仿真等领域取得了广泛应用。在水文分析中的应用虽相对较晚，但其发展却相当迅速。从DEM直接提取河网及相关流域信息，是分布式水文模型开发与应用的基础。由DEM自动获取水系和子流域特征，是流域参数化方便而迅速的一种途径。河网生成的准确性直接影响水文模型模拟的精度，生成的河网需尽可能反映区域地形。要在栅格DEM上提取流域信息，栅格间流向的判别是基础［1］。本文利用 ArcGIS软件的水文分析工具以两种不同方法从DEM中提取流域单元，并对两种方法进行了简单的对比，为基于DEM的流域划分提供参考。

1 ArcGIS下的水文分析

水文分析是DEM数据应用的一个重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。表面水文分析模型应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等，应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。这些领域需要知道水流怎样流经某一地区，以及这个地区地貌的改变会以什么样的方式影响水流的流动。

基于DEM的地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、河流网络以及对研究区的流域进行分割等。通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再现水流的流动过程，最终完成水文分析过程［2］。

2 利用集水区划分流域的方法

2.1 DEM 预处理

DEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插及一些真实地形的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。那么这些区域在进行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，从而使得在进行水流流向计算时在该区域将得到不合理的或错误的水流方向。因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。在ArcGIS中通过洼地提取和洼地深度计算得到填挖阈值，然后利用hydrology中的fill工具实现填挖，为了实现洼地的充分填挖，这个过程一般需重复进行几次。如果分析时对下陷点没有要求，可以全部填挖，而不需要进行阈值设置。

2.2 水流方向的确定

水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向［3］。地表径流在流域空间内总是从地势高处向地势低处流动，最后经流域出口排出流域。为了准确地划定流域界线，首先要确定水流在每个栅格单元格内的流动方向。在ArcGIS中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码，水流方向便可以以其中的某一值来确定。

2.3 汇流累积量的提取

在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算而来的。在ArcGIS中通过Fill Accumulation工具确定所有流入本单元格的累积上游单元格数目来生成流域汇流能力栅格图。从每个栅格单元格出发依次扫描水流方向矩阵，沿水流方向追踪直到DEM边界。当整个水流方向矩阵扫描完毕，就可以得到流域汇流能力的栅格分布图。汇流栅格上每个单元格的值代表上游汇流区内流入该单元格的上游栅格单元格的总数(NIP)，NIP值较大者，可视为河谷，NIP值等于零则是较高的地方，可能为流域的分水岭。

2.4 河网的提取

当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，那么所有那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。在ArcGIS中有多种生成河网的方法，可以利用Raster Calculator或multi map output工具中的con命令计算。本文利用reclassfy工具进行河网的提取，将河网分为两类，并设定阈值。将小于阈值的数据归为No Data，将其他数据归为1。通过重分类便可以生成河网。然后通过Stream link的计算，即得到每一个河网弧段的起始点和终止点。

2.5 集水区的生成

利用集水区栅格描绘、集水区矢量化命令进行子流域划分。使用hydrology工具中的watershed工具生成。其思想如下:先确定一个出水点，也就是该集水区的最低点，然后结合水流方向数据，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，直到所有的该集水区的栅格都确定了位置，也就是搜索到流域的边界—分水岭的位置［4］。

2.6 流域的划分

在河网提取时通过设置不同的阈值可以得到不同尺度的河网，然后利用watershed工具生成集水区，即可以得到不同细化的集水区域，通过对比可以得到适合的流域划分结果。本文以陕西某县25米分辨率的DEM数据为基础，分别将提取河网的阈值设置为1000，2000，5000。利用上述过程分别得到以下集水区(如图1)。

通过对比可以发现，当阈值设为5000时得到的流域较为合适。这种方法通过不同阈值的改变即可得到相对合理的流域划分单元。

3 利用河网分级提取流域的方法

3.1 河网分级

流域水系河网自动分级方法有多种，其中较为流行的有Strahler法和Shreve法，ArcGIS软件中采用的便是这两种方法［5］。Strahler分级是将所有河网弧段中没有支流河网弧段分为第1级，两个1级河网弧段汇流成的河网弧段为第2级，如此下去分别为第3级，第4级，一直到河网出水口。在这种分级中，当且仅当同级别的两条河网弧段汇流成一条河网弧段时，该弧段级别才会增加。而对于Shreve分级，两条1级河网弧段汇流而成的河网弧段为2级河网弧段，那么对于以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是由其汇入河网弧段的级别之和。本文采用Strahler方法进行河网分级，并采用阈值为500的分类级别提取的河网进行分级。

图1 不同阈值下提取的集水区

3.2 河网的归类

在ArcGIS中对河网进行编辑，选取合适的级别进行属性合并，本文中将一级和二级河网进行合并，三级和四级河网进行了合并。同时也可以根据需要将不同的河网进行归类，人为的将河网进行分类，然后通过dissolve工具进行融合。

3.3 矢量集水区的提取

利用上面的方面提取阈值为500的集水区，然后对其进行矢量化。

3.4 空间连接与融合

利用空间连接的方式，将河流的属性字段添加到分水岭数据中。在连接之前，给归类后的河流数据添加了一个link字段，并对每个要素赋予一个唯一值。连接时，只需要保证link字段值添加到分水岭数据中即可。在ArcGIS中空间连接以Spatial Jion工具实现。空间连接后再按Link字段进行融合即可得到理想的流域划分(如图2)。

图2 流域划分结果

4 两种方法的对比

通过图1(3)和图2的对比，可以发现利用集水区的流域划分方法和利用河网分级提取流域的方法在某些区域的划分基本一致，但是两者存在差异。具体不同如下:

(1)利用集水区的流域划分方法需要确定阈值，但阈值的确定既要凭经验又要不断的尝试，利用这种方法提取的流域是自动提取的，不需要人为干预，使用这种方法提取大流域时效率值较高。

(2)利用河网分级提取流域的方法则需要人为判定河网的归属，根据需要将河网进行归类，如果要实现精确的流域划分则需要花费较长时间。

(3)在实际操作中，根据要划分流域的大小选择不同的划分方法，如果要划分大流域可以利用第一种方法快速生成，如果是小片区域的流域划分可以用第二种方法进行细致的划分，得到较好的结果。

5 结论

利用DEM提取流域水文特征在充分提高工作效率的同时可以保证信息提取的精度，这对于数字流域建设、工程规划和水资源管理等都具有十分重要的意义。但由于DEM的大小、范围、所描述的流域以及其本身的特征都直接影响着各种方法的提取效果。因此在基于DEM的流域划分以及它在水文分析中的应用还需要做进一步的研究。本文给出的提取流域的方法仍存在一些不足之处，在实际操作中还有待改进。

［1］杨大文，李翀.基于栅格数字高程模型DEM的河网提取及实现［J］.中国水利水电科学研究院学报，2004，2(03):208－214.

［2］汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程［M］.北京:科学出版社，2006.

［3］徐新良，庄大方，贾绍凤，胡云峰.GIS环境下基于DEM的中国流域自动提取方法［J］.长江流域资源与环境，2004，13(04):343－348.

［4］孙庆艳，余新晓，胡淑萍，肖洋，等.基于ArcGIS环境下DEM流域特征提取及应用［J］.北京林业大学学报，2008，30(02):144－147.

［5］孙崇亮，王卷乐.基于DEM的水系自动提取与分级研究进展［J］.地理科学进展，2003，18(02):251－256.