基于DEM提取流域水文信息的探讨与实践

张力，朱思蓉，曹曦，甘拯

(长江空间信息技术工程有限公司，湖北武汉 430013)

1 前言

近几年，GIS技术和空间信息技术在数据处理、空间分析及可视化方面的应用为水文分析、水资源管理方面提供了有效的解决方法和科学的手段。目前，水资源模型的研究重点已从单纯的函数模拟统计的数学模型转到与成熟的GIS软件相结合的具备空间分析能力的水文地理数据模型，其中基于DEM提取流域水文信息技术是这种研究的关键基础之一。

城市区域规划、农业及森林、交通道路、流域规划管理及工程设计等许多领域，需要了解所涉区域内的真实地形，进行水文分析研究地表水体在区域的空间分布及不同时间流经的状态，以便于规划设计工作中各种工程的合理布置、管理工作中高效便捷规则的制定运作。在基础地形图缺乏的情况下，GIS可以利用表示地形地表的数字高程模型(DEM)来提取水系和划分水系子流域，作为支持水文模拟分析的重要工具。

2 水文地理数据模型Arc Hydro

目前，与GIS结合的水文地理数据模型研究有很多，如美国地质调查局和环境保护局(USGS and EPA)开发的美国水文地理数据模型，美国陆军工程师兵团(U．S．Army Corps of Engineers)水文工程中心开展的水文水力学GIS工具的建模方法研究，丹麦水利研究院(DHI)的水与环境部开发的地理空间水文模拟模型MIKE BASIN，美国环境系统研究所(Esri)和美国得克萨斯州奥斯汀大学水资源研究中心(CRWR)研发的应用于水资源流域的数据模型 Arc Hydro等。其中，MIKE BASIN与Arc Hydro两种模型都有基于ArcGIS软件的扩展模块工具为水文分析提供支持。

Arc Hydro是ArcGIS中用于水资源地理空间和时态数据描述的模型，拥有一套由Esri和CRWR共同搭建的工具集，该工具将要素属性存储于Geodatabase数据框架中，关联到不同的空间数据图层中的要素，通过和独立的水文水力学模型间进行数据转换实现对水文模拟模型的支持。

该模型关注描述自然地表水水文和水文地理方面的内容，主要应用地理基础资料辅助分析地表水流从哪里产生以及要流向何处，再现水流的流动过程，以获取更多的水文信息，从而达到辅助水系统和水资源管理的水文分析工作，但是Arc Hydro并没有为水的管道系统和地下水系统提供具体的数据结构。

Arc Hydro工具集主要包括地形预处理(Terrain Preprocessing)，地形形态初步分析(Terrain Morphology)，流域处理(Watershed Processing)，属性读写(Attributes Tools)和网络分析(Network Tools)等工具，可以在对DEM进行平滑和填洼处理后，实现水流的地表模拟过程中的水流方向确定、汇流累积量及河流长度的计算、河网生成以及流域自动划分等功能，通过这些工具提取和分析水文因子，在DEM表面再现水流的流动过程。

本文结合尼加拉瓜某工程项目实例，采用Arc Hydro从DEM中提取河网、并计算河流某点所控制的流域面积作为水文分析的数据基础，同时介绍实际使用的一些经验。

3 项目实例

尼加拉瓜是中美洲的一个濒临太平洋与大西洋的国家，地跨中美地峡。尼加拉瓜某工程项目实施前期需要掌握工程范围内基本的水文地理情况，为进一步深入的水资源状况分析及设计工作做准备。由于缺乏当地的基础地形资料，采用Arc Hydro作为提取河网和计算河网上某点控制的流域面积的工具。

3.1 基础数据准备

在测绘基础数据及地理信息数据资料不全的前提下，DEM数据源可以采用SRTM DEM数据。SRTM(shuttle radar topography mission)由美国航空航天局(NASA)、美国国家图像测绘局(NIMA)以及德国与意大利航天机构共同合作完成，2000年2月，通过装载于“奋进号”航天飞机的干涉成像雷达数天的全球作业，得到全球表面近80%面积的三维雷达数据，然后对雷达数据进行相应的处理，生成精度较高的数字高程模型。在SRTM的官方网站上可以免费下载到90 m分辨率的高程数据。

本例基础数据源DEM采用由NASA提供的SRTM数据，空间分辨率为 90 m，平面坐标系统采用NAD_1927_UTM_Zone_16N，水准面为 D_North_American_1927，研究区域范围跨越北纬 09°45'～ 13°45'，西经83°15'～88°00'。

3.2 填充洼地

DEM是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插以及一些真实地形(如喀斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在一些凹陷的区域。这些区域由于低高程栅格的存在，使得计算水流方向时得到错误的方向。假洼地导致在河网生成过程中可能会造成不合理的中断，降低了生成河网的准确性。所以应该在河网提取前对DEM数据进行填洼和平地抬升处理以生成无洼DEM。

Arc Hydro的地形预处理工具中有专门针对DEM错误评估的功能，包括洼地预筛选(Sink Prescreening)、洼地/塌陷评价(Sink Evaluation，Depression Evaluation)和洼地选择(Sink Selection)，通过上述系列操作选择出可能的洼地，然后利用填洼(Fill Sinks)来得到无洼的DEM。

筛选和填充洼地的算法思想是通过水流方向来判断哪些地方是洼地，如果某一栅格单元的高程低于周围栅格单元的高程，则增加该栅格单元的高程，直到水流可以流到相邻单元。

3.3 计算水流方向

Arc Hydro的地形预处理工具中的计算水流方向(Flow Direction)可以通过计算每个栅格单元水流的方向，最终得到整个关注的范围中水流方向的栅格文件。

水流方向是指水流离开每个栅格单元时的指向。Arc Hydro模型中利用D8算法，即最大距离权落差或最大坡降法，来计算每个栅格与邻接栅格的最大距离权落差来确定最陡方向，计算出来的最陡方向即为水流方向，距离权落差是指中心栅格与领域栅格的高程差除以两栅格间的距离，如图1所示。

图1 D8算法原理

3.4 计算汇流累积量

Arc Hydro的地形预处理工具中的计算汇流累积量(Flow Accumulation)基于水流方向进行，每一格网的汇流数据是按上游水流方向流经此格网的所有格网数之和，汇流累积的数值越大，该区域越易形成河流，如图2所示。

图2 计算汇流累积量原理

3.5 提取河网及河网分段

河道中有一定的水量才能叫河流，汇流累积量的结果包括了有水而称不上是河流的水流。所以，当汇流累积量大于一定的流量(积水面积阈值)即可提取河网。

提取河网(Stream Definition)功能中设置的默认阈值是最大汇流累积量的1%，更小的阈值会提取到更密集的河网、更多的集水区(Catchment)，需要更长的运行时间。

河流分段(Stream Segmentation)结合提取的河网和水流方向按上下游对每个河段进行编号，分为源头和中间河段，得到河段的栅格数据，每个河段中的栅格值代表其所属河段。

如果在实际工程中可以收集到实际湖泊、河流或者已经确定的较大的流域边界，可以利用Arc Hydro的地形预处理工具集中专门针对DEM操作(DEM Manipulation)的一系列功能将真实水系融入DEM信息中。DEM抬升DEM(Level DEM)工具给湖泊面覆盖的DEM栅格单元相应的高程值进行抬高，分配并赋予DEM河流坡度(Assign Stream Slope/Burn Stream Slope)计算输入河段起点与终点的相对高程，并根据河段的坡度值给河段覆盖的DEM栅格单元重新赋值，DEM重建(DEM Reconditioning)则是利用已有河流线和河流面及指定的缓冲区重构河流经过的栅格单元高程值。筑墙(Build Walls)将已有的内外边界信息加高。利用已有的水系及流域信息对DEM进行处理，可以加强DEM中的真实河网信息，以保证河流计算的准确性，这一步有利于生成的河网、划分的集水区(流域及子流域)更加真实准确。

3.6 划分集水区

基于水流方向和河网分段，集水区栅格提取(Catchment Grid Delineation)和集水区多边形处理(Catchment Polygon Processing)功能可以划分水系的集水区，每一个河段对应一个集水区，其属性信息中会自动生成流域周长和面积，集水区的多少与提取河网时的阈值相关。

在缺乏实测地形资料的情况下，以上自动提取功能可以给水文学家提供水文分析可利用的数据。在有基础地形资料的情况下，也可以大大节省水文学家从等高线上手动提取流域信息的时间。但因为汇流模式非常复杂，且DEM只是近似地表地形的模型，自动划分的集水区边界有时可能需要手动编辑和修改，特别是在地形平坦地区，有许多人工渠道而非自然河流时，手动进行修正也是必要可行的手段。

3.7 河网上某点控制流域面积的统计

在实际工程中，有时并不需要所有集水区的划分与分布，而更加关心河网上某点所控制的流域面积的范围及大小，比如已有或规划中的水文站、水库、水电站和河道断面，用于作水文分析计算的条件。

基于水流方向和河网数据，标注河网上关注点的正确位置并设置为出水口，采用Arc Hydro的流域处理工具中的批量提取子流域(Batch Subwatershed Delineation)可获取所标注出水点所控制的上游流域面积。计算思想是结合水流方向的数据，分析搜索出该出水点上游所有流过该点的栅格，即确定了该点所控制流域的边界位置。

因为自动提取的河网并非真实的水系，所以在标注关注点时，需要一些关注点的已知资料来做支撑，比如周边的水系分布、所在干流或支流的名称，根据这些已知资料与提取的河网对比来判断标注出水口的位置。

图3 得出河网的流域边界及面积

4 结语

在流域规划项目和水利枢纽设计工程中，都需要水文分析计算工作提供各种水文情势数据，来合理地确定工程措施的位置及规模，在基础资料不是很全面的情况下，基于DEM提取流域水文信息的方法可以为水文分析工作提供重要的支持，为水利工程和水资源管理工作带来便利的基础信息，提高工作效率，产生经济效益。

Arc Hydro除了基于DEM提取水文信息的功能之外，提供的地理空间数据模型可以轻松地表示和维护水文、水利对象之间的空间关系，可进行河网的追踪分析，可实现数据增量更新，已经被应用于全国水利普查数据建库。在本文中被用于工程设计前期的水文分析工作，随着越来越多的水文学家对于GIS技术和Arc Hydro数据模型的理解，越来越多的GIS专业人员对于水文分析工作的熟悉，Arc Hydro可以满足更多水利行业的需求，也可以开发定制特殊的应用。

［1］顾用红，舒振文，张火青．DEM在流域水文特征分析中的应用［N］．PEARL RIVER人民珠江，2001(4)．

［2］ 杨勇，徐恺等．SRTM DEM数据提取河网方法及影响因素研究［J］．计算机技术与发展，2010(1)．

［3］汤国安，杨昕．ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程(第二版)［M］．北京:科学出版社，2012．

［4］David R．Maidment．水利GIS－水资源地理信息系统(第二版)［J］．北京:中国水利水电出版社，2013．

［5］甘郝新，吕能辉等．ArcHydro水文地理数据模型及其应用［N］．人民珠江，2011(2)．