基于 ArcGIS图解建模的水系自动提取研究

贺 丹,曹佳云,付晓婷,唐新庄

(1.西北大学 城市与环境学院,陕西西安 710127;2.中国地质大学 土地科学技术学院,中国 北京 100083)

水文是重要的自然地理要素,对水系的研究具有十分重要的意义。水系的分布最初是通过数字化地形图或其它图件中的水流线来得到,工作量巨大,且存在水系等级的人为确定以及低等级水流线的省略等问题。近年来,随着地理信息系统(GIS)的发展,高精度 DEM数据的方便获取,人们已经将目光转移到从DEM数据直接提取水系上面。迄今为止,国内外许多专家学者提出了利用 DEM提取水系的多种算法。O'Callaghan和 mark[1]利用规则格网 DEM模拟坡面流,并用河道汇水面积阈值的方法提取水系特征;Jensen[2]和Garbrecht[3]针对低洼和绝对平地的处理缺陷进行了改进,这种算法通常被称为D 8算法;这种方法主要是根据 DEM栅格单元和八个相邻单元格之间的最大坡度来确定水流方向,计算每个单元格的上游汇水面积。然后确定一个汇水面积阈值,不低于该阈值的单元格标记为水系的组成部分。后又有许多学者提出了多种确定水流流向的算法[4],如 Rho8、FRho8、TAPES-C算法等。其中,D 8是比较传统的算法,得到了较为广泛的应用。该方法简单,直接产生连续的流线段。由于它模拟地表径流,有一定的模型基础,因而被认为是较好的方法。本文以这种算法为基础,研究在 ArcGIS环境下,利用空间分析建模技术,建立水系自动提取的图解模型。

1 水系提取基本原理和过程

1.1 DEM数据预处理

DEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟,但是由于内插的原因以及一些真实地形(如喀斯特地貌)的存在,使得DEM表面存在着一些凹陷的区域[5]。基于DEM提取水系的前提条件为:DEM中不能存在小平原、洼地等凹陷的区域,且所有的复杂地形都必须由斜坡构成,否则,所提取的水系通道是断断续续的。然而数字化得到的 DEM中,往往存在小平原和洼地。为了使提取的水系在流经小平原和洼地时,有一个明确的水系通道,因此在提取自然水系之前,需要对DEM中的小平原和洼地部位的高程数据进行改造,以使小平原和洼地成为斜坡的延伸部分,经过这样的处理之后,DEM数据中的所有地形都由斜坡构成。这样才能保证从 DEM数据中提取的自然水系是连续的[6]。在实际操作中,一般采用填充的方法,使凹陷区域的高程等于周围点的最低高程。

1.2 水系的提取

水系的提取的基本过程分为以下 4步:(1)计算 DEM中每一个栅格单元的水流方向;(2)计算每一个栅格单元的汇流累积量;(3)栅格河网的生成;(4)矢量水系的生成[7]。

1.2.1 水流方向的计算

水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。在A rcGIS中通过将中心栅格的 8个邻域栅格编码,水流方向便可以其中的某一值来确定,栅格方向编码如图 1所示,其中 1代表东;2代表东南;4代表南;8代表西南;16代表西;32代表西北;64代表北;128代表东北[8]。中心栅格的水流方向计算方法为:依次计算中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离,得到各邻域的距离权落差。栅格间的距离与方向有关,如果邻域栅格对中心栅格的方向为正南、正北、正东、正西,即方向值为 2、8、32、128,则栅格间的距离为 2的开平方根,否则距离为 1。最大距离权落差所在的那个方向便是中心栅格的水流方向。如果中心栅格的水流方向流向西边,则中心栅格被赋值为 16;如果中心栅格的水流方向流向东边,则中心栅格被赋值为 1。例如图 2中的水流方向计算结果。

图1 流向编码

图2 由填洼后 DEM计算水流方向

1.2.2 汇流累积量的计算

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。对每一个栅格来说,其汇流累积量的大小代表着其上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格,汇流累积的数值越大,该区域越易形成地表径流。由水流方向数据到汇流累积量计算的过程,如图 3所示。

图3 由水流方向计算汇流累积量

1.2.3 栅格河网的生成

汇流累积量代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格。假设每一个栅格处携带一份水流,那么栅格的汇流累积量则代表着该栅格的水流量。因而,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。由汇流累积量数据计算栅格河网的过程如图 4所示。

图4 由汇流累积量计算栅格河网(阈值为 6)

2 基于 ArcGIS图解建模方法的水系自动提取

2.1 ArcGIS图解建模的基本概念

图解建模是指用直观的图形语言将一个具体的过程模型表达出来。在这个模型中,分别定义不同的图形代表输入数据、输出数据、空间处理工具,它们以流程图的形式进行组合并且可以执行空间分析操作功能。当空间处理涉及到许多步骤时,建立模型可以让用户创建和管理自己的工作流,明晰其空间处理任务,为复杂的 GIS任务建立一个固定有序的处理过程。在 ArcGIS9中,图解建模的基本工具是模型生成器(Model Builder)。模型生成器是 ArcGIS9所提供的构造地理处理工作流和脚本的图形化建模工具,加速复杂地理处理模型的设计和实施。模型生成器集成了 3D、空间分析、地统计等多种空间处理工具。

2.2 水系自动提取图解模型的生成

根据上文所述,利用 DEM数据提取水系的基本思想是:对已有的DEM数据,首先要进行洼地填充,生成无洼地DEM。在此基础上计算出水流方向矩阵、水流汇集矩阵,对水流汇集设置不同的阈值,来提取不同级别的河网,最后用转换工具转换成矢量格式,完成水系的自动提取。其流程图如图 5所示。

图5 水系提取图解流程图

建模具体操作是在 ArcToolbox中新建一个new toolbox,在new toolbox中新建一个 model,选择 edit,打开模型生成器。在模型生成器中建立水系自动化提取模型的步骤如下:

1)添加空间处理工具

在 ArcToolbox中按顺序分别将 Spatial Analyst Tools中Hydrology命令下的 Fill、Flow Direction、 Flow Accumu lation和Math命令下的 Greater Than,以及 Convention Tools中 From Raster命令下的 Raster to Polyline。

2)设置连接与参数

按照数据流的先后顺序,连接相应图形要素形成图解模型,如图 6所示。同时在模型属性的 parameters中依次设置Rater Layer、Output polyline feature和 Input raster or constant为参数模型。

图6 Model Builder中利用 DEM提取水系的图解模型

3)运行和验证模型

双击 ArcToolbox中的 Model,运行模型界面如图 2.5所示。在对话框中设置所要提取水系的DEM、结果保存的路径和水系阈值的大小,并通过该阈值的大小变化来实现不同级别水系的提取。在本例中,Raster Layer里输入 50m分辨率的 DEM实验数据。分别设定阈值为 200和1 000,两次运行模型分别得出汇流累积量大于 200m的河网和 1000 m的河网。结果如图 8所示。

图7 利用 DEM进行水系自动提取模型运行界面

图8 水系自动提取模型运行结果

4)保存模型

Model Builder建立的模型有两种保存形式。一种是保存为文件,一种保存为脚本。在菜单条中单击 File下的Save命令,保存模型当前的状态;同时在 ArcToo lbox中保存设置,才可以以便下次打开。保存为文件的方法是:右键 ArcToolbox,选择 Save Settings命令,则该设置被保存.xml格式。建立好的模型也可以转换为脚本使用,脚本的形式有 Python、Jscript和 VBSc rip t。 在 Model中 单击 Export命令,选择 To Script命令 ,保存为 Python、Jscript和 VBScript即可。

3 结语

基于DEM数据自动提取水系的基本思想,采用空间分析建模方法,在 ArcGIS的 Model Builder中一步完成数据预处理、水流方向计算、汇流累积量计算、矢量河网的生成,最终实现一定级别河网的提取。这种方法与手工方法相比,大大提高了工作效率。由于该算法以 DEM格网点流出的水流将沿最大坡度方向流出为假设条件,这与实际水流状况并不完全相符,尤其在地形平坦区域,水流方向的随机性很大,加之流域水系的形成受到自然和人文因素的综合影响,地形因素仅仅是其中的一个重要因子,据此从地形中提取水系,与现实的水系有一定的出入,因此要使提取的水系更符合实际,在深入考虑影响水流方向的诸多因子的同时,还需要集成人工智能和模式识别等多种手段。

[1]O'Callaghan F,Mark D M.The extraction ofd rainage networks from digitalelevation data[J].Computer Vision,Graphicsand Image Processing,1984,28:323-344.

[2]Jensen SK,Domingue JO.Extracting topographic structure from digital elevation data for geographic information system analysis[J].Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1988(11):1593-1600.

[3]Garbrecht J,MartzLW.The assignment of drainage direction over flat su rfaces in raster digital elevationmodels[J].Journal of Hydrology,1997(193):204-213.

[4]TurcotteR,Fortin JP,RousseauA N,eta.l Determ ination of the drainage structure of a watershed using a digital elevation model and a d igital river and lake network[J].Journal ofHydrology,2001(3-4):225-242.

[5]汤国安,杨昕.A rcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].科学出版社,2007(11).

[6]陈永良,刘大有,虞强源.从 DEM中自动提取自然水系[J].中国图像图形学报,2002,7(1):91-96.

[7]孙艳玲,刘洪斌等.基于 DEM流域河网水系的提取研究[J].资源调查与环境,2004,12(25);18-22.

[8]高鑫磊.GIS坏境下基于 DEM的流域有动提取方法[J].北京水务,2009,2;46-48.