河流水系编码规则的研究与应用——以黄河流域为例

姜 晟,李旭文,张 咏,牛志春,黄 桢,金 焰

(江苏省环境监测中心,江苏 南京 210036)

河流水系编码规则的研究与应用
——以黄河流域为例

姜 晟,李旭文,张 咏,牛志春,黄 桢,金 焰

(江苏省环境监测中心,江苏 南京 210036)

以黄河流域为主要研究区,利用 ArcGIS、SQL Server等专业软件,针对 1∶250 000基础地理信息数据开展环境系统河流水系编码研究。通过对编码定义、规则及编码流程的具体阐述,提出了一种科学可行的河流水系编码方法。验证结果表明,该方法具有良好的应用性和推广价值,对于加强环境管理信息化以及更加科学高效地完成流域水环境监控与预警工作同样具有十分积极的意义。

水系编码;环境系统;黄河流域

1 概述

长期以来流域水环境一直是环保部门关注的重要领域,伴随着环境管理信息化进程的推进,为了更好地适应国家水污染监控现代化的需要,就必须对流域内以河流为主体的对象水体制定规则、统一编码[1],从而更加科学高效地实现流域水环境质量的监控与预警。

目前,国内涉及水体的已公开颁布的代码标准共有 3项,分别为《中国河流名称代码》(SL 249-1999)、《中国湖泊名称代码》(SL 261-98)和《中国水库名称代码》(SL 259-2000),均为水利部发布和实施的国家行业标准,并具有 3大特点:(1)河流、湖泊、水库分别编码,相互独立;(2)河流名称代码以拓扑结构为主要编码依据,湖泊、水库名称代码则以流域、面积等因素作为重要参考属性;(3)码长固定。

国外的河流水系代码与编码方法则较为多样,各国通常根据不同的用途制定不同的编码规则[2],现阶段应用较为普遍的共有 3大类:(1)用于流域水文水利管理方面的编码;(2)用于某些专门用途的编码;(3)用于流域水环境保护方面的编码。第一类方法以芬兰的河流编码为代表,与中国水利部颁布的《中国河流名称代码》相类似,也是以河流拓扑结构、流域面积等要素作为划分编码对象的依据,代码长度为 18位,挪威等国也采用了此类编码方法。爱尔兰用于河流测站的相关编码可以看作是一种专门用途的河流编码,该编码的用途只是作为河网测站的识别码,不含有任何河流拓扑信息而完全由 GIS系统提供,因此该代码需要与GIS系统共同使用。而美国、德国、西班牙、葡萄牙等国则普遍使用了有利于水环境管理的编码体系,这类编码体系最为突出的特点是其完全基于水系特征,对于流域中的特定位置可以自动识别其上下游河段,美国的流域编码系统 (Pfafstetter数字编码体系[3])是此类编码的典范。

鉴于目前国内环境系统中尚无一套真正意义上统一规范的标准水系代码,因而,认真学习国外成功经验尤其是流域水环境保护方面的代码编制经验,研究并制定出一套科学先进的全国环境系统河流水系代码,以满足国家水污染监控现代化、水环境管理信息化建设的需要,已经成为一项紧迫而富有意义的工作。环保部信息中心于 2007年底起组织辽宁、江苏、海南三省及中科院沈阳自动化研究所共同开展《全国环境系统河流代码》规范研究,由辽宁省环境信息中心牵头,并负责环境系统河流水系编码规则的制定,江苏省环境信息中心具体负责长江、黄河流域水系代码的编制工作。笔者以黄河流域为例,较为系统地论述这套编码方法和技术流程在该流域实施应用的情况。

2 编码定义与规则

针对整个黄河流域进行代码编制,必须首先明确河流水系代码的定义与结构,然后依据具体编码规则确定流域、水系、干支流河段的划分,最终确定各对象的名称与代码。

本研究所涉及的编码对象是由国家测绘局提供的 2003年版 1:250 000基础地理信息数据,主要包括河流、湖泊、水库、运河、引水工程、主要渠道等地表水体。根据编码需要,将黄河流域划分为流域、水系、河段 3级,其中流域是指地表水及地下水的分水线所包围的集水区域或汇水区域,水系是由相互连通的自然和人工河流、湖泊、水库、渠道等水体组成的地表水系统,河段为贯通任意两条支流之间或支流与河流始 (终)端、入海口、湖泊、水库之间的河流部分。

代码由拉丁字母 (不包括字母 I、O、Z)与阿拉伯数字共同构成,码位长度不固定,从左至右分别为流域、水系、干流 (或支流)河段 (湖泊、水库、干渠)第 1、2、3、…、n层代码,终端识别码、连接码。当连接码连接的是同一水系中的河段时,连接码之后仅为河段代码;当连接码连接的是不同流域、不同水系之间的河段时,连接码之后的代码由流域、水系及河段的代码组成。代码中不存在终端识别码时,后续代码依次前移;代码中不存在连接码时,代码在连接码前结束。具体代码结构如图 1所示。

图1 河流水系代码结构

流域的划分、名称与代码直接引用《中国河流名称代码》(SL 249-1999)规定的一级流域名称和代码。水系是具备水力拓扑结构的最小编码单位。无论入海河、内流河、独流河、水库、湖泊、渠道,均按照“相互连通的地表水体组成水系”原则进行水系划分。流域内水系凡与《中国河流名称代码》(SL 249-1999)相同的均直接引用,部分不同水系则重新划分、赋名。“独流河”视作一个独立水系进行编码。水系的编码,首先将与《中国河流名称代码》(SL 249-1999)规定名称相同的水系进行排序,其次名称不同的水系依据模拟流量的大小进行排序。按照二次排序的顺序,依次将各水系编码为 AA、AB、AC、…、AY,BA、BB、BC、…、BY,…,YA、YB、YC、…、YY(不包括字母 I、O、Z)。

河段划分是本编码的基础性规则,其原则是:

(1)首先从入海口 (内流河流从最下游)开始,最多选取水系干流上涵盖源头和入海口 (内流河流为“终端”)、流域面积大、径流量大、处于人口稠密区、环境质量要求高的 49个支流,从下游向上游采用偶数字依次编码为 02、04、06、…、98,对49个支流之间形成的各干流河段从下游向上游采用奇数字依次编码为 01、03、05、…、99,形成干流第 1层河段代码。

(2)选取第 1(2、3、4、…)层编码干流之间未编码支流中的最多 4个支流 (原则同前),从下游向上游采用偶数字 2、4、6、8依次编码,并在编好的代码前加上该支流上层代码,组成支流第 2(3、4、…)层代码。例如:第 1层代码为 03,则第2层为:032、034、…、038。

(3)对 4个 2层编码支流之间形成的各干流河段,从下游向上游采用奇数字 1、3、5、7、9依次编码,并在编好的代码前加上该河段上层代码,组成该河段第 2(3、4、…)层代码,例如:第 1层代码为 03,则第 2层为:031、033、…、039。

(4)以此类推,形成第 2、3、4、…层河段代码,直至干流上的全部支流和河段编码完毕。

(5)对各支流重复这一过程,直至全部支流编码完毕。

水系编码拓朴示意见图 2。

图2 水系编码拓扑示意

3 编码流程

根据上述编码规则,在地理信息系统软件ArcGIS和数据库软件 SQL Sever的支持下开展河流水系编码。编码流程主要分为 4个部分,分别为河网预处理、流量获取、数据检查及编码,基本流程如图 3所示。

图3 编码基本流程

3.1 河网预处理

研究所使用的河网矢量数据是从国家 1∶250 000基础地理信息数据 (由国家测绘局提供,2003年版)库中“hydnt.e00”文件中的“HYDNT_arc”图层转化得来。直接转化生成的 shape文件中存在大量的无名河、双线河以及重叠或部分重叠的矢量线段。因研究主要针对有名称的河网进行编码,所以首先删除无名河段;其次对存在双线河的河段部分进行双线河处理,将其转化为单线河;此外,对于矢量线段重叠的情况则采用“Shape To Line”及删除重复线段方式加以处理。以上各步骤进行处理前,都经过重新生成节点以确保操作对象的准确性。预处理后的黄河流域矢量图见图 4。

图4 黄河流域矢量图

3.2 流量获取

编码算法本身以及水系名称确定都涉及到河网的流量,因此在河网编码之前需要确定每条河流的流量。在河网真实流量难以获取的情况下,可以简化处理,认为真实流量与河网的流域面积成正比,从而利用流域面积来代表各河网相对流量的大小。这一步骤主要在 ArcGIS中由 ArcHydro工具来完成流量计算,然后将流量加载到河网数据中。流量获取主要分为以下 6个步骤:

(1)DEM数据裁剪。将 1∶250 000数字地图中的DEM数据合并、裁剪成与待编码河网大小范围完全一致的数据,如图 5所示。

图5 黄河流域 DEM图

(2)“Burn-in”主干河网。通过 ArcMap打开已经整合好的 DEM数据与河网数据,利用“Terrain Preprocessing→DEM Manipulation→DEM Reconditioning”工具将矢量河网融合到 DEM数据中,从而使河网数据与高程数据相匹配[4]。

(3)洼地填平。利用“Terrain Preprocessing→DE M Manipulation → Fill Sinks”工具将“Burn-in”得到的高程数据进行填洼处理,以避免 DE M在离散化过程中形成的洼地影响流向提取的准确性[5]。

(4)生成水流方向。流向指的是水流离开网格时的指向,流向判断是流域特征提取的关键内容,决定了地表径流路径及网格单元间流量的分配。本研究依照单流向 D8算法[6],利用“Terrain Preprocessing→ Flow Direction”工具计算流向,生成的水流方向如图 6所示。

图6 黄河流域水流流向

(5)生成汇流面积。利用“Terrain Preprocessing→Flow Accumulation”工具获得流量面积数据。

(6)流量获取。利用编码软件中的流量获取工具,为每个折线 (河段)获得流量面积数据,并将具体流量数据存储在文件新增列“Flow”中。

3.3 数据检查及修正

河网预处理之后,由于原始数据中存在错误或者不适合编码的数据,必须经过数据检查与修正之后才能进行编码,这一过程包括 4个部分:

(1)数据错误识别。河网数据的错误识别可以利用辅助工具提取出河网中存在的双线河、湖泊水库、海岸线等多个图层。通过人工观察这些图层并与原图层进行对比,很容易发现双线河处理是否正确、湖泊水库岸线是否唯一、特定河段的 GB值是否正确等常见问题。

(2)数据检查。利用数据检查工具中的错误提示来发现问题数据的 F ID值或节点 ID值,然后利用“find”工具查找到对应数据。

(3)已编码/未编码图层对比。完成一次试编码后利用“Analysis Tools→ Extract→ Select”工具选出已编码河段 (对应的 SQL语句为“RiverCode”<>‘’),形成一个由已编码折线段组成的新图层。将已编码图层和原图层选择用不同颜色显示,通过对比明确显示出已编码区域和未编码区域,在两者相邻处通常存在数据错误。

(4)数据修正。数据修正实质上是数据的编辑,包括折流向反转、属性修改、线段删除等。

3.4 编码

经过数据检查与错误修正后,即可进行水系编码。编码是一个包含多次试编码的循环过程,每次试编码完毕均可生成对应的已编码河网图层,将其与原图层对比就能够查看到当前编码区域是否已经覆盖流域内的全部水系,若未覆盖则对数据再次进行检查修正并重新编码直至全部对象编码完成。部分区域编码结果见图 7。

图7 部分区域编码结果示意

3.5 生成最终代码表

使用ArcCatalog将黄河流域完成编码后的各水系 shape文件转换为 Access数据库支持的 mdb文件格式,然后利用 SQL Server 2008编辑最终生成完整的黄河流域水系代码表。

4 结果与讨论

通过 ArcGIS、SQL Server等专业软件,利用黄河流域 1∶250 000基础地理信息数据开展研究和实验,完整地论述了一种环境系统内切实可行的河流水系编码方法,该方法与传统的水利部门编码相比具有 4大优点:

(1)以水环境保护为主要用途,在计算机中易于根据代码识别上下游关系,能够为水污染防治、应急指挥系统建设,流域水环境生态补偿、排污权交易等工作提供有效支持。

(2)用一套代码涵盖了河流、湖泊、水库、干渠等各类地表水体,遵循水系的自然水文关系和拓扑结构。

(3)代码码长不固定,码位利用率高。

(4)代码具有良好的可扩展性,能够满足基层自行编码、扩展编码的需要。

从目前对黄河流域 25个水系 2万余个河段已完成的编码结果来看,该方法具有明显的环境针对性、实用性和应用价值,对于促进环境管理信息化、更加科学高效地完成流域水环境质量监控与预警工作同样具有十分积极的意义。

[1]罗宇翔,贾仰文,王建华,等.基于 DEM与实测河网的流域编码方法[J].水科学进展,2006,17(2):259-264.

[2]BR ITTON P.River coding systems for river basin management and reporting[R].USA:EU GISWorking Group Guidance Document,2002.

[3]VERD IN KL,VERD IN J P.A topological system for delineation and codification of the Earth's river basins[J].Journal of Hydrology,1999,218(1-2):1-12.

[4]于淼,陈雪莲.基于 DEM的河网河段编码方法[J].人民长江,2009,40(24):36-38.

[5]孙艳玲,刘洪斌,谢德体,等.基于 DEM流域河网水系的提取研究[J].资源调查与环境,2004,25(1):18-22.

[6]O'CALLAGHAN J F,MARK D M.The extraction of drainage networks from digital elevation data[J].ComputerVision Graphics and Image Processing,1984,28(3):323-344.

The Research and Application of River Coding Rules for Environment System with the Study of the Yellow River Basin

J IANG Sheng,L IXu-wen,ZHANG Yong,N IU Zhi-chun,HUANG Zhen,J IN Yan
(Jiangsu Provincial EnvironmentalMonitoring Center,Nanjing,Jiangsu 210036,China)

An application reaserch of River Coding Rules for Environment System was carried outwith the geographic information data by usingArcGIS,SQL Server,and other professional softwares.Though taken the Yellow River as the study area,a scientific and feasible River Coding rules had been proposed,and the test results had shown that themethodwas quite valuable in the application and promotion.Furthermore,it also had a positive meaning for the environmentalmonitoring and forewarning.

river coding rules;environment system;Yellow River basin

X32

B

1674-6732(2011)-01-0025-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.008

2010-08-09

“国控污染源项目”信息类技术规范项目。

姜晟 (1983—),男,助理工程师,硕士,从事环境监测与信息工作。