基于 ArcGIS与 DEM的青海湖流域水系模拟

蒋 刚,曹广超*,曹生奎,张广帅

1.青海师范大学生命与地理科学学院,青海西宁,810008;2.青海师范大学青藏高原环境与资源教育部重点实验室,青海西宁,810008

基于 ArcGIS与 DEM的青海湖流域水系模拟

蒋 刚1,2,曹广超1,2*,曹生奎1,2,张广帅1,2

1.青海师范大学生命与地理科学学院,青海西宁,810008;2.青海师范大学青藏高原环境与资源教育部重点实验室,青海西宁,810008

以青海湖流域为研究对象,简要介绍了基于 ArcGIS10.0和 DEM的流域水系提取原理与方法,探讨了不同阈值对生成数字河网的影响。通过对生成的河网与青海湖流域的遥感影像进行对比,得出某阈值生成的河网与现实水系最为接近,最后得到流域水系的栅格网络图,生成了需要的水系。

ArcGIS;数字高程模型;阈值;青海湖流域

DEM(Digital Elevation Model)即数字高程模型,是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型,是数字地形模型(Digital Terrain Model,简称 DTM)的一个分支。不同分辨率的 DEM蕴涵着丰富的地貌、水文讯息,能较好地反映各种分辨率的地形特征[1]。随着 3S技术的发展和应用,GIS等空间分析技术也越来越多地用于流域水文模拟研究中。 ArcGIS 10.0中利用数字高程模型进行水文分析,主要是通过 ArcToolbox中的水文分析模块和ArcHydro水文数据模型来进行河网提取和流域分割。在这方面,国外已做了大量工作,国内这方面的应用还处于起步阶段[2]。本文利用 ArcGIS 10.0的水文分析模块(Hydrology Model),在数字高程模型的基础上,通过提取水流方向、洼地计算与填充、河网自动生成等过程,对青海湖流域的水文信息进行提取,并生成青海湖流域的数字流域模拟模型。

1 研究区域概况

青海湖流域亦称青海湖盆地,地处青藏高原东北部,是连接青海省东部、西部和青南地区的枢纽地带,也是通往甘肃省河西走廊、西藏自治区和新疆维吾尔自治区的主要通道。流域整体轮廓呈椭圆形,地理坐标介于 97°50′～ 101°20′E、36°15′～ 38°20′N 之间,高程为 3 194～ 5 200 m,呈 NWW-SEE走向,是一个封闭的内陆盆地,其水体形状很像一只“雄鹰”。青海湖位于流域东南方最低处,东西长约 109 km,南北宽约 65 km,周长约 360 km,流域面积约31 200 km2;行政区划上分别隶属于海北州的刚察县和海晏县、海西州的天峻县、海南州的共和县。流域北部为大通山,东部的日月山是青海省农业区与牧业区的分水岭,西部高原丘陵带与柴达木盆地相接,最高处为西北部的岗格尔肖合力山,海拔 5 291 m。入湖较大的支流有布哈河、哈尔盖河、沙柳河、乌哈阿兰河、黑马河(图 1)。流域内干旱少雨,太阳辐射强,气温日温差大,年均气温在-1℃至 1℃[4],降水少而不均,属典型的高原半干旱气候。

图1 青海湖流域的区域位置

2 DEM流域特征提取

在 ArcGIS 10.0中,主要用 ArcToolbox中的水文分析模块和 ArcHydro水文数据模型,根据 DEM网格特征原理建立地表水系模型。ArcGIS中的水文分析工具可以完成从 DEM数据中提取河流长度、汇流累积量、河流网络等最基本的水文分析功能(图2)。ArcHydro是 GIS和水文地理相结合的水文地理数据模型,由 Esri和德克萨斯大学水资源研究中心联合开发[5]。它可以对流域做进一步的分析,如网络分析、时间序列分析等。

图2 ArcGIS中水文分析流程

2.1 水流方向提取

对于栅格图像上的每一个网格,水流方向即为水流离开时的指向。ArcGIS 10.0中,流向工具用到的算法是“D8”。在 3×3的 DEM格网基础上,把中心栅格的 8个领域逐一编码,中心方向的水流方向可由其中的某一值来确定。如图 3,外围 8个栅格中的数值表示每个栅格的流向,值在 1至 255之间。其中,1表示东,2表示东南,4表示南,8表示西南,16表示西,32表示西北,64表示北,128表示东北。如果领域栅格对中心栅格的方向值分别为 2、8、32、128,那么栅格之间的距离为栅格值的倍,否则距离为 1。被处理栅格单元 K同相邻 8个栅格单元之间坡降的算法为:

图3 水流流向编码

式中:MD为两个栅格之间的坡降;(Xk,Yk,Zk)为DEM中计算栅格单元的属性值;(Xi,Yi,Zi)为与计算栅格单元相邻的栅格属性值[6]。

图4 流向分析原理

因为河谷高程小于栅格所覆盖区的平均高程,较低的河谷拉低了该单元格的高程,所以,DEM中的“洼地”与“平地”造成了除上述值外,其他值代表流向不确定的现象。“洼地”和“平地”这两种现象在数字高程模型中非常普遍,故在流向分析前,一般要对 DEM的“洼地”进行填充,再经过一套复杂的迭算方法(如流向分析等)确定平底流向。对无洼 DEM数据进行径流方向计算是实现其他流域特征分析的关键步骤。流向分析的目的是确定每个单元的流向,地表径流总是从地势高处流向地势低处,最后经流域出口排出流域。对于空间内某一栅格单元格,赋予一个位 1～255之间的整数值来表示水流方向,其中1、2、4、8、 16、32、64、 128分别为东、东南、南、西南、西、西北、北、东北等 8个可能流向。除上述数值之外的其他值代表流向不确定。用上述数字取代原始DEM里的单元高程,形成一张新的栅格模型,称之为流向栅格[7]。这一过程可以用 ArcGIS 10.0中水文分析模块中的流向分析菜单来实现。青海湖流域的数字高程模型(DEM)在 Arcgis 10.0中经过流向分析后得到如图 5所示的结果。

图5 青海湖流域 DEM的流向分析

2.2 洼地计算与填充

在流向栅格中,“洼地”指相邻 8个单元格高程都高于本单元格高程的单元格,一般是由数据高程模型的数据误差造成的。需要注意的是,并不是所有“洼地”都是由于数据误差造成的,有很多“洼地”也是地表真实形态的反映,因此,在进行填洼之前必须计算洼地深度。

洼地填充是一个反反复复的循环过程,一个“洼地”被填平后,对附近区域再进行洼地计算有可能还会生成新的洼地。不断重复,直到新的洼地不再产生,才能生成无洼的 DEM。此过程可以通过 ArcGIS 10.0【Spatial Analyst工具】中的“填洼”菜单来实现,青海湖流域的 DEM经过洼地计算以及填洼后得到如图 6所示的效果。

图6 洼地深度与填洼后的 DEM

2.3 汇流积累量

汇流积累量即汇流分析,主要是确定水流的路径。在地表水系模拟的过程中,回流累积量是通过水流方向数据计算得出的[8],其基本思路为:用规则的网络表示 DEM每点处有一个单位水量,依照自然界水流是从高处流向低处的原则,根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值,就可以得到青海湖流域的汇流积累量(图 7)。

2.4 河网分析

河网就是通常所说的河流网络。目前,河网提取方法主要是采用地表径流漫流模型来计算。

2.4.1 河网的生成

首先,在无洼 DEM上利用最大坡度法来得到每个栅格的水流方向,然后,依据现实水流从高往低流的自然规律,利用水流方向栅格数据来计算每个栅格的回流累积量。当汇流量达到一定值时,就会产生地表水流,所有汇流量大于阈值的栅格就是潜在的水流路径,由这些水流路径组成的网络经过矢量化就是生成的河网。

图7 汇流分析

2.4.1.1 阈值的确定

河网的生成关键在于阈值的设定,阈值的设定要遵循科学合理的原则。首先应考虑研究对象,不同级别的河流对应着不同的阈值;其次要考虑研究区域的状况,不同研究区域相同级别的河流也需要设定不同的阈值。在设置阈值时,应充分对研究区域和研究对象进行充分分析和论证,通过不断实验来确定能满足研究需要并符合研究区域特定条件的合适阈值。青海湖流域的 DEM通过 Arcgis 10.0中的【Spatial Analyst工具】→【地图代数】→【栅格计时器】进行分析,选择不同的阈值所得到的河网密度也不一样(图 8)。其中,有些是虚拟的假河道,这就要用不同的方法与现实的河流进行对比分析,选出适当的阈值删除假河道,得到与现实最接近的河网水系。

图8 青海湖流域河网随阈值变化

在 ArcGIS 10.0中,选择地图表达式中的 con语句 ,选择 2 000、4 000、 6 000、8 000等 4个数字作为阈值,可得到不同阈值下的青海湖流域河网密度。con语句的语法为[9]:

其中 {〈false exp ression〉}为可选项。可选项为空时,如〈condition〉语句返回的值为假,则单元格将被默认赋值为 NULL。此示例语句的意义是汇流栅格个数超过某一阈值的就认为是河道。

2.4.1.2 栅格河网矢量化

用上述方法生成的河网为栅格数据类型,在实际研究中,往往需要矢量数据类型,这时就需要将栅格河网矢量化。在 ArcGIS 10.0中,可以通过【Spatial Analyst工具】下的水文分析模块的【栅格河网矢量化】工具来实现。该工具主要用于矢量化河流网络或任何其他表示方向已知的栅格线性网格。该工具使用方向栅格来帮助矢量化相交像元和相邻像元,可将具有相同值的相邻栅格河网矢量化为两条平行线。而转换工具中的【栅格转折线】菜单更倾向于将折线折叠在一起(图 9)。

图9 比较矢量化河网的方法

2.4.2 生成 Stream Link

Stream Link的每条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点,或连接着作为出水点和河网起始点。通过对 Stream Link的提取,可得到每个河网弧段的起点和终点及该汇水区域的出水点。在 ArcGIS 10.0中,生成 Stream Link可以通过【Spatial Analyst工具】下的水文分析模块的【河流链接】工具来实现。

2.4.3 河网分级

河网分级是对一个线性的河流网络用数字标识的形式划分级别。河网分级的方法有很多种,在 ArcGIS 10.0的水文分析模块中,提供了两种常用的河网分级方法:STRAHLER分级与 SHREVE分级(图 10),其基础是 Horton定律。Horton定律解释了水系在流域侵蚀发育中的组成定律,并根据主流与支流的相互关系来确定河流等级体系关系与河流的子树深度[10]。在这两种方法中,始终将 1级分配给上游河段。

图10 两种河网分级方法

3 模拟河网与遥感影像水系的对比分析

3.1 遥感水体信息的提取

从美国地质勘探局(United States Geological Survey)网站上分别下载青海湖流域及其附近的遥感影像,将这些影像进行几何校正、辐射校正、镶嵌、裁剪等预处理后得到整个青海湖流域的遥感影像并对其进行水体提取。本文使用的 TM影像拍摄于1995年8月,分辨率为 30 m。采用归一化差异水体指数(NDW I)对青海湖流域 TM影像进行基于感兴趣区的决策树分类。归一化差异水体指数[11]:

式中:Green为绿色波段,N IR是近红外波段。在自然界中,水体的反射从可见光到中红外波段逐渐减弱,所以用可见光波段和近红外波段的反差构成的NDW I可以方便、快速地提取影像中的水体信息(图 11)。

图11 遥感影像上的青海湖流域水系

3.2 对比分析

从图 8和图 10可以看出,生成的模拟河网密度随阈值的变化而变化:当阈值增大时,流域内的河流数量越少,河网就变得越稀疏。这是因为随着阈值的增大,坡地网链逐渐被移走。当阈值增大到某一临界值时,就可以认为所有坡地网链均从模拟河网中移出,所生成河网密度的变化就趋于平缓。经过不断的取值与比较,并对模拟河网与遥感影像中提取的水系进行比较,可以得出,当阈值取 6 000时,所生成的模拟河网与真实水系最为接近,此时模拟河网与青海湖流域的真实水系误差最小,所以本文选择 6 000作为确定模拟河网的阈值。

4 结 论

本文通过青海湖流域的 DEM数据,在 ArcGIS 10.0软件下对青海湖流域的河网进行了模拟,得出如下结论:

(1)整体效果上,利用 ArcGIS 10.0软件和DEM提取河网、水系、流域等的水文信息,不仅效率高,而且在选择合适的阈值前提下,模拟的结果可代表实际流域水系的分布和结构,所提取数字流域河网水系信息的准确可靠。这对青海湖流域的水文研究及水资源管理与规划都具有十分重要的意义。

(2)微观上,目前的运算方法还不能确保模拟的结果与一些特殊地形区域的实际河网相一致,可能会造成信息的失真甚至丢失。

总之,Arcgis 10.0所提供的水文模拟分析功能,在河网提取模拟、水系模拟等方面,提供了强大的数据处理和分析工具。通过地理信息技术的不断发展与创新,在 ArcGIS软件下,利用 DEM数据提取河网、模拟流域的水文特征,必将更为精确,也必将为生产生活提供更完善的服务。

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P933

A

1673-2006(2013)09-0080-05

10.3969/j.issn.1673-2006.2013.09.022

2013-05-20

蒋刚(1986-),四川三台人 ,硕士研究生,主要研究方向:遥感与地理信息系统应用。

*通讯作者:曹广超(1971-),山东苍山人 ,博士,教授,博士研究生导师,主要研究方向:RS与 GIS应用以及地表环境过程。

(责任编辑:汪材印)