基于ArcSWAT的漓江流域河网水系自动提取对比研究

何 文，卢 远，余 玲

（1.广西壮族自治区中国科学院 广西植物研究所，广西 桂林 541006；2.北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001；3.西南大学 地理科学学院，重庆 400700）

局地河网特征与山洪灾害的形成有密切联系[1]。中国山多平地少，山区往往河网密集，易旱易涝，尤其对于喀斯特地区而言，山体陡峭、土壤少，地表滞流能力差，更增加了山洪暴发的可能性，因此，快速准确地预报山洪尤为必要。自1984年坡面流模拟方法提出以来，基于数字地形模型的河网快速提取进入了高速发展阶段，至今已经发展出了大量专门的模型，如River Tools、ArcGIS水文分析模块、Arc SWAT、TOPZA、Arc Hydro Tools等[2,3]。一个区域的河网水系是多种自然和人为要素共同作用的结果[4]。DEM数据本身并不包含河流、湖泊等信息，为提高精度往往需要加入一些辅助信息进行人工修正[5]。本研究以漓江流域为例，基于SRTM_V4 DEM和ASTER GDEM两种数据类型，选用ArcSWAT模型，通过添加实际河网水系及流域边界进行胁迫，突破传统仅依赖DEM数据提取河网水系的局限,提高流域水系提取的精度。此外，河网精度评价上，针对传统人工目视方法的局限，采用河网套合差，从定量和全局的角度对河网水系精度进行评价，区分出不同方法提取水系的细微差别。

1 研究方法

1.1 河网水系提取方法

流域河网水系的提取往往要进行数据预处理，主要步骤有无洼地DEM生成、水流方向计算、汇流积累量计算以及汇流阈值确定。通过大量的计算分析，依据DEM数字地形模型提取的河网水系的精度，取决于水流方向计算是否合理。洼地填充是为了更好地确定水流方向，而汇流积累量等步骤都是以水流方向为基础的。水流方向计算方法分为单流向算法和多流向算法[6]，单流向算法简单快捷，但计算精度相对较低，以D8算法应用最为广泛[7,8]；多流向算法计算精度较高，但也相对比较复杂，应用比较多的有基于坡度式多流向算法[9]、流管法[10]以及无穷流向算法[11]等。

1.2 ArcSWAT水系提取方法

ArcSWAT由美国农业部农业研究中心和美国国家自然资源保护委员会联合研发，其Automatic Watershed Delineation模块提供了快速的流域水系提取功能，在此功能下可以同时进行流向、汇流积累量计算以及河网生成等，其Burn-in功能、Pre-defined功能可以实现对原始DEM及流域边界等进行修正。

2 实例验证

2.1 研究区概况

漓江流域位于广西壮族自治区的东北部，流域范围涉及桂林市区和兴安、灵川、临桂、阳朔、平乐、恭城、荔浦等县，流域面积约12 000 km2。流域总的地势为北高南低、东西两侧高而中间低，在一系列开阔的山间盆地及峡谷之间形成了漓江谷地。漓江流域所在地区受亚热带季风气候影响，夏季雨量充沛，易形成洪涝灾害。

2.2 研究数据来源

研究的数据主要为SRTM_V4 DEM 90 m分辨率DEM和ASTER GDEM 30 m分辨率DEM，这2种数据均从地理空间数据云网站下载。另外，漓江流域实际水系从国家1︰25万地形图中矢量化得到。

2.3 实验分析

2.3.1 不同方法下水系提取结果

基于SRTM_V4 DEM及ASTER GDEM数据,用ArcSWAT方法，分别在有辅助河网、流域边界条件以及无辅助条件下对漓江流域水系进行提取。经不断实验调整, 确定ASTER GDEM选取的汇流阈值为2 000，而SRTM_V4 DEM选取的阈值为250，提取结果如图1所示。

图1 不同方式下提取水系与国家1︰25万水系对比图

2.3.2 提取河网精度评价

河网提取的精度一般通过目视判读，但目视判读往往带有较强的人为因素，且当二者差别不大时基本无法区别。本文引入河网套合差法进行评价[12]，套合差如图2所示，各方法提取的河网套合差结果如表1所示。套合差越小，表示河网的吻合程度越高。本次套合差评价均采用提取水系与1︰25万水系进行套合，其计算公式为：

式中，D为河网套合差；Ai是两河网叠加产生的细碎多边形的面积；S为流域的总面积。

图2 河网套合差示意图

表1 不同方式河网提取套合差结果

2.3.3 评价结果分析

从图1和表1可知，在无实际水系引入条件下ASTER数据提取的水系精度比SRTM数据提取的精度要低，出现很多伪河道。但加入实际河网水系及流域边界进行胁迫时，基于ASTER数据提取的河网水系精度要明显高于SRTM数据，套合差结果差不多是3倍的关系，伪河道现象基本得到消除。这与2种数据的生成方式有关，SRTM数据采用的是干涉雷达提取数字高程信息，而ASTER主要是通过立体像对获取[13]，比较而言，通过干涉雷达获取的数据可以避开云、雨、雾霾等天气的影响，在地形的表达上要优于同等分辨率条件下通过立体像对获取的数据。然而，ASTER数据的水平分辨率为30 m，SRTM数据为90 m，通过引入河网等辅助信息修正后，ASTER数据的这一优势得到凸显。

3 结 语

通过运用SRTM_V4 DEM及ASTER GDEM 2种数据类型，运用ArcSWAT流域水系提取方法，分别在有和无实际河网、流域边界等辅助信息2种条件下对漓江流域水系进行提取，提取精度通过河网套合差进行评价。研究表明：

1）在无实际河网等辅助修正条件下，基于SRTM_V4 DEM数据提取的河网水系精度更高，但加入辅助信息改正后，ASTER GDEM更高分辨率的优势得到发挥，提取水系的精度更高。

2）有无辅助修正信息，对河网提取精度影响很大，实际运用中可以考虑融合多源数据对提取的中间结果进行修正。

3）采用河网套合差方法评价河网精度，简单易行，适用于河网提取精度评价。

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