高精度DEM在南四湖滨湖洼地排涝分区中的应用

尚书河耿 勇陈立峰李玥璿

高精度DEM在南四湖滨湖洼地排涝分区中的应用

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一、引言

目前对南四湖滨湖洼地进行排涝分区，通常基于1∶10000或1∶50000比例尺地形图，参照市县水利工程统计手册，由相关技术人员在地形图上进行划定，工作周期长，现场调查任务繁重，最终成果矢量化后还存在一定误差。而通过1∶5000比例尺DOM生成的高精度DEM，进行高精度等高线的自动提取，可以定量地对微地貌特征进行量测，协助划定排涝分区，提高了工作效率与成果质量，从而指导骨干泵站及干沟治理，也能为区域资源开发和灾害防治提供基础数据。

二、研究区概况

南四湖流域属淮河流域沂沭泗水系，流域面积3.17万km2，其中湖东0.85万km2，湖西2.19万km2，湖面0.13万km2。包括山东省菏泽市、济宁市、枣庄市，泰安市、临沂市的部分面积，以及河南、江苏、安徽三省的部分面积。汇集入湖的大小河流共有53条，其中湖东28条，湖西25条，来水经南四湖调蓄后，在微山湖分别经韩庄运河和不牢河下泄入中运河，再南下排入骆马湖。

湖东在津浦铁路以东基本为山丘，与蒙山支脉和沂河毗临，铁路以西是丘陵平原，地面比降一般为1/1000～1/10000。湖西黄泛平原位于黄河与废黄河之间，地面比降在1/5000～1/20000。该区地面高程自西向东，由南、北向中间凹下，总趋势又呈簸箕状向东渐次缓降，由于受历代黄河改道、决口和冲积影响，地形呈波状起伏，岗、洼相间。

沿湖37m等高线（废黄河高程，下同）以下地区常年承受湖、河侧渗影响，汛期受湖、河水位顶托，严重影响区内涝水自排，严重时在地上积水0.1～0.2m，形成滨湖洼地，面积2303km2，属于鲁南泰沂低山丘陵与鲁西南黄泛平原交接地带，地势低洼，地形开阔，二级坝以北地区地面高程一般为33.8～35.0m，以南地区地面高程一般为32.6～33.5m，仅在青山、郗山附近为低山丘陵微地貌分布。

三、排涝分区提取

以山东省国土测绘院2008年航空摄影影像资料生成的济宁1∶5000DEM的基础上，将滨湖洼地范围面状图层利用在Arctoolbox中的工具中转化成raster图层，裁剪DEM后得到洼地范围内的DEM。依据DEM中每一个高程数据点和相邻高程点的数据差来确定水流方向，然后根据水流方向数据来计算每一个高程数据点的上游集水区，再根据集水区内部和集水区之间的高程数据，用阀值法确定所属水系的高程数据点，根据水流方向数据将排涝分区追索出来，流程如下：栅格DEM→填洼预处理→栅格水流方向计算→排涝分区生成。

在提取数字河网处理过程中，涉及一个关键参数是最小水道长度，即按照给定的最小水道给养面积阀值，根据水流汇集格网数据模型可以生成流域河网。由于河道长短与其集水面积息息相关，因此，最小长度阀值通常以栅格数来设定，经验设定的阀值为研究区栅格数的1%。本文分别以栅格数的1%、1.5%、2%三种阀值方案进行了对比，生成的河网主干非常一致，只是河网的详细程度上存在差别。阀值越小，提取的流域自然水系越详细，河道的起点越向上游延伸。通过与研究区地形图的水系特征比较得出，当阀值取栅格数的1.5%时，提取的流域自然水网最理想。

在通过栅格水流方向计算后，相应的流域内部集水边界也会自动生成。通过比较发现，由于研究区的一些特定的自然和人为限制，例如公路、堤防等，排涝分区的提取由于算法无法识别边界假闭合等缺陷，同样存在一定误差，需参考研究区地形图和规划图，并结合DEM特征和部分实地GPS对现状河道的定位数据进行相关矫正。

四、结果分析与讨论

通过以上数字方法提取出滨湖洼地一级排涝分区75个，后期人工编辑整理后，成果符合现状水系。DEM数据生成过程本身会造成高程值部分失真，填洼等技术处理也同样会影响数字河网提取的精度。排涝分区提取对地理高程数据较为敏感，采用DEM所确定流域河网的拓扑结构和空间位置首先取决于DEM数据精度。研究表明，只有当DEM数据的尺寸小于所模拟的水文现象档的特征尺度，才能提供必要的信息。在地势十分平坦的区域，如果数据精度无法提供真实存在的细微高程差别，就无法生成合理的数字河网。为此，选取较高精度的1∶5000DEM作为数据源，基本可满足数据精度要求。

在排涝分区提取过程中，对最小水道长度阀值没有明显设定的标准，因为在现实中最小水道的集水面积取决于很多因素，比如研究区内地貌、下垫面差异等。尽管最小水道阀值的选择对确定主要河道的空间位置并没有什么影响，但当其取一个常数值时，会使得从DEM中提取的流域河网水系和实际情况有些差别。本文所取的最小水道长度阀值略大于经验值，是由研究区的特点所决定的，由于地势平坦，产流后的地表径流方式以漫淹为主，水流扩散十分缓慢，因此，研究区的排涝分区生成必须具备较大的集水面积阀值。

五、结语

在南四湖滨湖洼地1∶5000比例尺DEM的基础上，运用ArcGIS10.CS对研究区进行排涝分区研究。在保持高精度DEM前提下，数字地表水系和排涝分区可以通过基于DEM自动提取出来，但存在河道局部偏移及河网失真等问题，需要进行局部修正。在DEM数字高程预处理过程中保持高程信息的特征不丢失，以及发展专业处理平坦区域和涝洼地的有效算法，将进一步提高平原洼地区域数字水系及排涝分区提取的效率和精度■

（作者单位：1.山东省淮河流域水利管理局规划设计院 250100 2.济宁市洙赵新河管理处 272000）