基于DEM的河流流域自动提取及其应用

胡晓婷

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127)

1 从DEM提取流域水文特征简介

数字高程模型(DEM)是目前用于流域分析的主要数据，由于DEM数据能够反映一定分辨率的局部地形特征，因此通过DEM可提取大量的地表形态信息，这些信息包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元格之间的关系等。同时根据一定的算法可以确定地表水流路径、河流网络和流域的边界。因此从DEM提取流域特征，一个良好的流域结构模式是设计算法的前提和关键。Horton、Strahler和Shreve等都对流域的结构提出了自己的见解，1967年Shreve描述的“具有一个根的树状结构流域”结构模式较为普遍(如图1所示)。

图1 Shreve流域结构模式图

基于DEM流域河网水系的提取方法很多，概括起来，主要有两种基本的方法从DEM提取水系。第一种方法是用1个矩形窗口扫描DEM矩阵来确定洼地，位于洼地内的栅格单元标记为水系的组成部分。这种方法最严重的缺陷在于生成的水系不连续，特别对于地形起伏较小或地形复杂处，上述缺陷更为突出。另一种方法是o’CallaghanMark(1984)提出的坡面流模拟方法，模拟地表径流在地表的流动来产生水系。该算法依据水总是沿斜坡最陡方向流动的原理，确定DEM中每一个栅格单元的水流方向;然后根据栅格单元的水流方向计算每一个栅格单元的上游给水区，再选择合适的水道给养面积阂值来确定河网。该方法提出从DEM数据提取流域信息可分为以下3个基本流程。

(1)填洼和计算流向矩阵(洼地指一个栅格的高程比周围的8个栅格的高程都低)。

(2)计算汇流矩阵。

(3)确定极限面积(临界面积)，汇流矩阵中超出此面积的栅格相连就得到流网。

该方法简单易行，可直接生成相互连接的河网。由于它依据水文学汇流概念判别水流路径，因此，被认为是一种较好的方法。

2 ArcGIS平台下基于DEM的流域水文特征提取方法

从DEM中提取流域特征，关键是分水线网络的确定。基于径流漫流模型，通过模拟地表径流的流动来产生水系，进而确定分水线，划分出流域，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，因此被认为是较好的方法。本文主要基于这种方法阐述具体的步骤。图2简要说明从DEM中提取水文信息的步骤。

图2 ArcGISk中水文分析流程图

2.1 DEM 预处理

2.1.1 填洼与削峰

从DEM提取流域界线，首先要对地形中的洼地(Sink)和尖峰(Pink)进行处理。洼地和尖峰的存在使得在计算水流方向时会出现水流逆流的情况，给水流线的跟踪和流域界线的确定带来困难。处理时采用ARC模块下的FILL命令来填洼和削峰。该过程由计算机扫描DEM矩阵来确定洼地和尖峰单元格。洼地单元格指相邻8个单元格高程都不低于本单元格高程的单元格;尖峰单元格指相邻8个单元格高程都不高于本单元格高程的单元格，当遇到洼地和尖峰单元格时就用最临近单元格的值来替代，如图3所示。

图3 填洼和削峰过程示意图

2.1.2 平坦格网单元的处理

基于DEM自动提取流域的特征，一个必须处理的问题就是对平坦区域的处理，DEM中平坦区域包括DEM本身存在的平坦区域和洼地填平后形成的平坦区域。利用DS算法，在平坦区域内部无法产生，而是通过连接平地两端边缘的水流汇流栅格点生成与实际不符的平直河道。由于平坦区域河流流动的随机性大，自然水系一般是弯弯曲曲的呈不规则形状，这就意味着有些栅格点的水流流向是多流向的，而ArcHydroTools使用的DS算法是单流向的算法，对于平坦区域就无法处理。对于这种情况，较常见的一种处理方法是采用高程增量迭加算法来设定流向，即通过平坦栅格单元数字高程的微调(增高)产生整个研究区域内合理的汇流水系，这种处理方法避免了任意设置排水路径的弊端。

2.2 水系的提取

水系提取的基本过程分为以下4步:①计算DEM中每1个栅格单元的水流方向;②计算每1个栅格单元上游集水面积;③河流栅格网络的生成;④水系的生成。

2.2.1 计算栅格单元的水流方向

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。采用ARCGRID模块中的FLOWDIRECnON函数来确定水流方向。栅格单元格的水流方向是指水流流出该单元格的方向。对于空间内某一栅格单元格，与其相邻的共有8个单元格(水平、垂直和对角线)。FLOwDIREC皿ON赋予每个单元格1位1一255的整数值来表示水流方向。从中心单元格开始，周围相邻8个单元格的水流方向如下图所示。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。除上述数值之外的其他值代表流向不确定。这主要由DEM中“洼地”和“平地”现象造成的，平地”指8个单元格具有相同的高程，与测量精度、DEM单元格的尺寸和研究区的地形有关。如果某一单元格的值低于其周围8个单元格的值，FLOWDIRECTION函数则用8个单元格中的最小值来代替。流向分析过程图4所示。

图4 水流方向及流向分析示意图

2.2.2 流向累积

根据无坑洼DEM水流方向栅格图层，应用水文分析库(Hydrofogy)下的流向累积(凡 owAccumula－tion)命令进行流向累积栅格的计算。此功能的原理是假想在集水区的每一网格上降下一单位的水量，而后按网格的流向来向下移动，其移动经过的网格则使其累积流量值提升1个单位。因此，每一网格皆可计算出其所累积的上游流量值，由于投人每一网格的水量皆为一单位，故流量累积值亦代表各网格的上游集流网格数量，将之乘上网格面积便可得到每一网点的上游集水面积。

2.2.3 河网的提取

对流向累积栅格设置阂值并进行水流网络的提取。应用水文分析库(Hydrofogy)下的定义河系(StreamDefi耐on)命令对流向累积栅格设置集流阑值。集流阑值(threshold。fflowaeeumulation)为河系网络提取的关键因子，利用所订定的累积流量值(或称为集水面积)作为河道认定的门槛标准。初始进行分析时，可选择自小至大的几个集流阑值，以便观察最适河系提取集流阑值的坐落范围。

2.2.4 河系提取

以设定的集流阑值为标准，利用流径处理(DrainagehneProeessing)命令自流量累积值网格图层中提取河系网格图层，凡是累积流量大于等于集流阑值的网格即被定义为河道。

2.2.5 子流域的提取

利用集水区栅格描绘(CatehmentsGridDelin－eation)、集水区矢量化(CatehmentsPoly邵nvroeess－ing)命令进行子流域划分。ArcGIs是根据水流网络上每条流径的分叉和水流方向决定子流域边界。每一条子流域上只有一条流径，同时该子流域内的所有栅格都应指向流径。

3 基于GIS的中国流域研究

3.1 中国一级流域及子流域的生成

为了从数字高程数据中自动提取全国流域，以提高基于GIS的全国水资源信息获取的效率，首先利用上述方法生成河网，即对DEM数据进行填洼和削峰，然后确定每个栅格单元的水流方向，再根据各栅格单元的水流方向，计算出每个栅格单元的汇流能力，根据汇流能力采用阈值法确定河流网络，最后通过河流网络和流域出水口，快速识别出所有子流域。在提取子流域时，利用1:25万DEM数据，首先将全国流域划分为14大流域片，并在每一流域片内分别提取流域。过程如图5:

图5 基于DEM的中国流域提取操作流程

3.2 GIS在中国流域研究中的应用

3.2.1 流域地质环境与工程研究

流域地质环境研究中，主要有GIS对流域地质环境评价、下垫面类型划分、矿床时间谱系及矿产资源潜力的确定、地貌演化定量、地貌形态分形及盒维数测定，以及对冰川地貌和现代冰川湖泊变化的监测等。GIS在流域工程领域主要应用在岩土工程、水电梯级开发工程、水利工程、水电站工程建设、林业保护工程、山区道路工程、防洪抗灾工程，以及对流域坝系规划、防洪堤规划系统的支撑。

3.2.2 流域水资源及土壤资源研究

水资源开发及利用方面，GIS可以确定资源开发潜力影响因素，评价水资源可持续利用，构建水资源及水循环信息系统、安全预警系统、分布式水资源模拟等，以及构建水资源动态平衡模型、空间分布模型、流域水质模型。同时，河流、水系及水文方面，GIS可用于提取水系信息、水系分维及分形、水面监控、水源保护区划等，并且可以进行水文特征及变化分析、水文生态景观和分布式水文模型构建(包括月水量平衡模型、非线性水文模型、水文过程模拟等)、水文信息系统的构建(如水文水环境信息系统、水情会商系统和水文情报预报系统)，还有对湖面变化信息提取、水文气象要素时空变异性、雨量等值线自动绘制技术等。另外，还可以进行流域地下水及其环境分析和地下水资源信息系统构建。土壤资源方面，GIS用于土壤肥力评价方法体系构建及综合评价，土壤肥力的流失分析、迁移过程模拟及预测;土壤水分补给量、时空变化模拟，神经网络土壤水分模型等;土壤侵蚀量及侵蚀强度估算、土壤侵蚀评价、空间分析及模拟、土壤侵蚀变化定量遥感监测、分布式斜坡稳定性定量评估模型等。

3.2.3 流域灾害与污染研究

流域灾害研究以洪水灾害研究为主，还包括泥石流、滑坡等，可利用GIS地貌瞬时单位过程线估算河网密度、设计洪水路径，构建流域洪水模拟模型、洪水灾害风险区划及评价等;构建洪水信息系统，包括洪水淹没计算分析系统、遥感洪水监测与预报系统、洪涝灾害评估系统、淹没区确定方法及虚拟现实表达、水利防灾信息系统、洪水风险图系统等，还可进行防洪调度管理，如洪水风险图信息管理系统设计、三维防洪调度管理信息系统等。泥石流灾害主要局限于危险性评价，滑坡灾害则包括滑坡灾害空间区划、危险性分析及区划等。GIS还应用于流域农业非点源污染、地表水面源及径流污染、水污染(包括地下水)防治、管理及污染信息管理系统构建。农业非点源污染包括农业非点源污染信息数据库建立、氮磷负荷估算、模拟、控制区划、风险评估及风险区识别等。地表水面源及径流污染包括水库和地表水面源污染负荷、水质污染监测、径流污染物量化及污染追踪等。另外还用于地下水污染动态及风险评价、水污染防治规划、水污染区划及信息管理系统构建，如构建水污染管理及控制决策支持系统、水质预警预报系统。

3.2.4 流域生态环境与景观研究

运用GIS进行流域生态需水计算、表生生态环境与生态敏感(脆弱)性评价及区划、生态系统健康评价、生态资产评估与生态安全空间分异及可视化等，另有环境生态数据库建立、资源环境空间要素分析、生态环境信息系统设计开发、流域环境管理等。水环境包括水环境功能区划和水环境信息系统开发与设计，如水环境多源监测信息集成系统、综合治理决策支持系统等。植被环境方面包括流域植被退化及恢复分区、水源涵养功能评价和封育植被景观镶嵌结构等。GIS还应用于流域景观空间格局及动态变化、景观生态规划、林型结构与森林涵养水源关系和流域地理景观三维可视化。

3.2.5 流域径流与水土保持研究

GIS主要应用于不同流域径流类型的描述和径流量的测度，其中径流类型包括降水径流要素变化、分布式降雨径流模型的结构、融雪变化分析及径流模型、径流地表蒸散发等。径流量测度包括流域径流量和产沙量测度、径流的化学组成计算机模拟、地表径流模拟和降雨径流预报方法等。在流域水土保持中，GIS主要用于流域侵蚀、水土流失和水土保持。流域侵蚀主要是对侵蚀类型的划分与测度，包括强降雨、融雪、重力、农林复合经营的侵蚀和水蚀;水土流失研究应用于水土流失区遥感动态监测及泥沙输移、水土流失治理经济效益等;水土保持研究主要应用在水土保持规划、水土保持效益和水土保持信息系统方面。

3.2.6 流域土地利用与经济社会研究

近年来，GIS越来越多地应用于流域规划(如流域总体规划、治理规划、流域功能分区等)、流域人口(人口信息提取、人口动态变化、移民搬迁地等)、流域产业和城市化(产业结构转换能力空间分异、节水农业作物布局调整、林业生产力空间格局与分异、渔业资源管理系统和流域城乡空间演变综合研究等);另外，数字流域是GIS在流域中的综合运用，囊括了自然、经济、社会、生态、环境等信息，主要有数字流域GIS平台设计、流域数字划分、数字产汇流技术、河网分形、数字流域飞行模拟和虚拟现实等。

除以上内容外，GIS还应用于流域疟疾、血吸虫病等流行病预测模型构建、作物生产潜力及产量模拟、航运网络信息化和考古信息系统研建中。

4 总结

GIS环境下基于DEM的流域特征自动提取避免了编写程序代码的复杂过程，节省了大量的人力、物力。从提取效率和数据精度两个方面来看都是切实可行的。目前利用DEM提取流域特征的技术正在不断的发展和完善中，未来利用DEM提取流域特征的精度定会有进一步的提高。在应用方面，今后会结合流域特征，实现应用模型的区域化;加强生态研究和社会性研究;遵循流域系统性，其阿强流域综合性研究;另外，注重技术交互，开拓只能GIS在流域中的应用也是未来GIS流域研究的方向。

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