基于DEM的青龙河流域数字河网提取

时慧洁

摘 要：简单叙述了流域河网提取的两种办法，并以ArcGIS为操作平台，介绍了基于坡面径流漫流模型的数字河网提取原理和方法，其流程可简单分为：DEM的预处理、水流流向的确定、汇流累积的计算以及河网生成。该文基于SRTM DEM数据以青龙河水域为研究对象进行流域特征信息提取，提取结果与国家河网数据基本吻合，并就不同阈值划分下的河网进行比较。

关键词：河网 SRTM DEM ArcGIS 青龙河流域

中图分类号：P33 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0024-02

Abastract：The paper briefly describes two methods of extracting river basins.With the Hydrology Analysis tools of ArcGIS， the principle and method of ground water overflow modelare well introduced，the process of which includes the flow direction， flow accumulation， drainage network andthedrainagenetworkextraction. Based on the Qinglong River watershed SRTM DEM data， the fact that the river networksturn out with different threshold values is discussed. And the extraction results were verified and in accordance with the basic national river network data.

Key Words：drainagenetwork； SRTM DEM； ArcGIS； Qinglong River

流域河网水系是描述一个地区地理地貌和水文特征基本的重要条件，对流域整体规划、水资源优化配置、水利水电开发利用以及防洪抗旱、航运、养殖、灌溉和旅游等都具有十分重大的意义[1]。目前，利用DEM数据提取流域数字河网主要有谷点提取模型和基于流向提取模型两种[2]。谷点提取模型最初是由Greysukh，Pekuker， Douglas[3]等人提出，其原理是通过对比所研究网格的高程与相邻网格的高程找出DEM中的谷点单元，再将谷点单元连接后形成河网[4]。该方法的问题是利用谷点单元形成的河网往往不连续，且在地形起伏较小的平原地区难以识别谷点单元[5]。而目前广泛应用的算法是基于OCallaghan和 Mark提出的坡面径流模拟算法，其原理是先确定流域各栅格间的流向，再根据每个栅格点上游的计算得到汇流累积量，最后按不同阈值提取出河网。其中确定流向的方法多采用D8的算法，曹玲玲[6]、吴冰[7]、周国园[8]、沈中原[9]、热紫燕[10]等人都在不同流域基于坡面径流模拟算法进行了河网提取。该文主要介绍利用DEM数据基于坡面径流漫流模型的数字河网提取方法，并在ArcGIS环境下通过青龙河流域的实例进行分析。

1 研究区背景概况

1.1 流域概况

青龙河是秦皇岛市的重要水源地，青龙河流域是秦皇岛市限制纳污控制考核的重要水功能区。青龙河流经滦河流域东侧，地处东经118°37′～119°37′，北纬39°51′ ～41°07′之间，流域面积6340 km2，占滦河流域面积的14%，是滦河水系年平均来水量最大的支流。该文拟以桃林口水坝址以上流域为例，进行流域数字河网的提取研究。

1.2 数据来源

DEM的数据来源是SRTM DEM（Shuttle Radar Topography Mission）数据，是2000年2月11日美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载的SRTM系统采集的地表面数据。SRTM DEM数据采用WGS1984投影参数，通过中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站可下载空间分辨率为 3″（约90m）的中国区域数据[11]。由于下载的图像数据不一定刚好在一个图幅范围内，需对下载的数据进行剪裁及修正，从而得到青龙河流域部分。

2 河网提取方法

2.1 DEM预处理

在利用SRTM数据提取流域的数字河网之前，首先需要对SRTM数据进行预处理，以消除SRTM中存在的无效数据区域。此外，由于原始的DEM图像中数据缺陷或是一些真实地形的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域，使水流无法按照其本身流向流出。所以为避免水流出现逆流或中断的现象，首先要对DEM进行无洼地的填充。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地区域，并计算其洼地深度，再依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。

2.2 流向确定

栅格单元的流向是指水流出该栅格单元的方向。每个栅格中的流向是通过计算该栅格周围最大的落差坡度来确定的，这种计算方法称为D8法。D8法将栅格中的水流方向分为8个方向，即与该栅格相邻的8个栅格分别代表一个方向。在此基础上计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差，取距离权落差最大的网格与中心网格的连线作为水流流出方向。水流方向的确定过程就是在栅格周围寻找坡度变化最快的方向。

2.3 汇流累积量计算

区域汇流累积量的计算需要建立在水流方向的基础上，实际是曲面上水流过程的模拟。水流方向确定后便可计算每个栅格单元的上游集水区范围，并生成与之对应的水流方向矩阵，计算该矩阵中某个栅格的累积流量，正是根据该栅格周围的流向数值编码计算而来的。

2.4 河网生成

通过汇流累积量的计算，完成栅格之间流量传递的过程，汇流累积量代表着栅格在流量传递过程中累计的栅格数。每一个栅格都携带着一份流量，当栅格携带的流量在同一位置累计到一定值时，便会产生水流，这些水流形成的路径就是河网，累计到形成水流的值称为河网阈值。其原理是把所有大于或等于给定阈值的汇流栅格单元标记为1，其余栅格则没有数据，遂将赋值为1的单元格提取出来。

3 实验与结论

利用ArcGIS的水文分析模块，运用坡面径流模拟方法，提取桃林口书库坝址上游流域的河网。对区域设置不同的阈值，所绘制出的河网疏密程度不同（图2）。当阈值较大时，形成水流所需的累计栅格数较多，不易形成河网；当设置阈值较小时，形成水流所需要的栅格数较少，容易形成河网。设定汇流累积阈值时，要充分考虑水系的实际情况，并通过观察和与地形图相比较等方法适当的选定阈值，保证径流模拟准确性和实际性。如当面积阈值从25.8164 km2（栅格数为3000）调整为129.0822 km2（栅格数为15000）时，河流分支数量相应从197个河道减少到37个河道。在确定上游集水面积阈值为15000个栅格单元时的提取结果与1：25万的国家五级河网叠加分析可知（图2（a）），图中河流水系与实际河网基本吻合能够满足水文模拟与生产需要。

该文介绍了基于ArcGIS平台支持下河网特征的提取原理，以青龙河流域为案例对其进行DEM的预处理、水流流向的确定、汇流累积的计算，并基于流域不同集水面积阈值提取不同疏密程度的水系特征。选用空间分辨率为90m的SRTM DEM数据作为数据来源避免了传统地面测绘容易出现的数据插值误差从而导致平坦地区河网提取效果不佳，基于SRTM DEM数据进行河网提取可以最大程度地保证提取的河网的准确性。该文成功提取青龙河水域数字河网，这对青龙河流域的水资源规划及配置提供技术条件并对实现水资源现代化管理有着重要意义。

参考文献

[1] 梁科.基于SRTM数据的流域水系提取与三维可视化[D].长沙：中南大学，2008.

[2] 邹鸣.基于DEM的数字河网提取及其应用[J].水资源研究，2013（2）：14-15.

[3] Puecker TK， Doughlas DH.Detection of surface-specific points by local parallel processing of discrete terrain elevation data[J].Computer Graphics and Image Processing，1975（4）：375-387.

[4] Lawrence WM， Jurgen Garbrecht.Automated recognition of valley lines and drainage networks from grid digital elevation models：a review and a newmethod[J].Journal of hydrology，1995（167）：393-396.

[5] 叶爱中，夏军，王纲胜，等.基于数字高程模型的河网提取及子流域生成[J].水利学报，2005（5）：531-537.

[6] 曹玲玲，张秋文.基于SRTM的数字河网提取及其应用[J].人民长江，2007（8）：150-152.

[7] 吴冰，李昌文.基于SRTM DEM的盘龙河流域河网提取研究[J].水资源与水工程学报，2013（6）：157-162.

[8] 周国园，侯志华.基于DEM的汾河流域水系提取试验研究[J].科技创新与生产力，2014（11）：60-63.

[9] 沈中原，李占斌，李鹏，等.基于DEM的流域数字河网提取算法研究[J].水资源与水工程学报，2009（1）：20-23，28.

[10] 热紫燕，阿不都沙拉木，穆艾塔尔·赛地，等.乌鲁木齐河流域数字河网提取分析[J].新疆水利，2012（6）：11-15.

[11] Koch A，Heipke C.Quality assessment of digital surfacz models derived from the Shuttle Radar Topography Mission（SRTM）[C].Sydney：Proc.of the IEEE 2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium，2001.