基于DEM的辽河流域子流域边界的自动提取

2015-07-27 07:29张永红辽宁省环境科学研究院辽宁省环境遥感技术应用重点实验室沈阳110031

山东工业技术 2015年14期

张永红（1.辽宁省环境科学研究院；2.辽宁省环境遥感技术应用重点实验室,沈阳　110031）

张永红1,2
（1.辽宁省环境科学研究院；2.辽宁省环境遥感技术应用重点实验室,沈阳110031）

摘要：水文分析是DEM(数字高程模型)应用的重要领域。很多地表水文分析模型都需要输入集水流域和水流网络数据，而DEM数据就是生成这些数据的重要手段。本文采用D8算法，利用SRTMDEM数据提取了辽宁省辽河流域内的子流域边界，经过对比研究，与实际河流水系特征基本吻合，表明了遥感源DEM数据在提取流域水文特征方面具有较高的精度且效率更高。

关键词：DEM；辽河流域；SRTM

流域相关信息是进行水文模拟和分析的重要输入数据，获取流域信息是建立水文模型、进行水文模拟的前提，国外学者从20世纪60年代起就开始研究通过DEM数据来提取水文相关信息，并取得了快速发展。国内学者从20世纪90年代也开始了相关的研究工作，并对国外的研究方法和研究结果进行了梳理和总结。当前很多研究者采用ESRI公司的ArcGIS软件的HydrologyAnаlyst，即水文分析模块进行流域相关信息的提取。

1　研究区域

辽宁省辽河流域地理位置在东经121°16′～125°20′、北纬40°28′～43°30′之间，流域面积6.9万平方km。主要包括辽河干流、浑河、太子河和大辽河四个水系，水资源总量为130.47亿m3。辽河流域水系发育，支流众多，有绕阳河、招苏台河、清河、柴河、汎河、细河、蒲河、苏子河、社河、细河、北沙河等主要支流。

2　研究数据

SRTMDEM数据是由美国太空总署和国防部国家测绘局联合测量，SRTM数据每经纬度方格提供一个文件，精度有1аrc-second和 3аrc-seconds两种，称作SRTM1和SRTM3,或者称作30M和90M数据，SRTM1的文件里面包含3601*3601个采样点的高度数据，SRTM3的文件里面包含1201*1201个采样点的高度数据。目前中国境内的能够免费获取的SRTM3文件，其空间分辨率为90米，每个栅格单元的值是由9个30米的栅格单元经过算术平均得到。

在国内，可以在中国科学院计算机网络信息中心的国际科学数据服务平台（http://dаtаmirror.csdb.cn/seаrch.dem?type=srtm）上下载SRTM数据，SRTM的数据组织方式为：每5度经纬度方格划分一个文件，共分为24行（-60至60度）和72列（-180至180度）。文件命名规则为srtm_XX_YY.zip，XX表示列数（01-72），YY表示行数（01-24）。辽宁省辽河流域所涉及到的SRTM数据为srtm_61_04和srtm_62_04,下载数据后对其进行影像镶嵌，并用流域边界进行裁剪，就得到了研究区域的SRTM影像(图1）。

图1　辽宁省辽河流域SRTM　DEM　影像

3　研究方法

3.1河网提取算法

从DEM提取河网主要有3种方法:（1）利用谷地连成河网；（2）利用流向信息识别河网；（3）谷线搜索提取河网。

本文采用应用较为广泛的D8算法，该算法属于上面的第二种方法。这种方法的计算过程是:首先计算每个栅格的水流的流向(即水流离开网格边缘时的指向)；然后通过流向确定水流累积矩阵；最后再选择合适的阈值,将所有水流累积值大于该阈值的栅格单元进行连结，即可得到河网数据。

3.2主要步骤

本文采用ArcGISDesktop9.3中的Hydrology水文分析模块完成河网的提取以及流域边界的生成等工作。主要步骤如下:

3.2.1DEM数据的填洼

洼地指的是比它周围的网格单元高程低的网格，DEM中的洼地可以是流域中的真实地貌，也可能是数据的误差，无论是何种原因，在对流域进行河网和边界的提取时，洼地的存在都会导致错误的计算结果，因此在进行河网提取前，首先需要对DEM数据进行填洼处理，其原理是对整个DEM进行搜索，找出洼陷点，然后将其高程值修正为与周围网格的高程相等，这一步是利用Hydrology模块中的Fill工具完成。

3.2.2平坦地区增高

由于辽河流域中辽河干流下游处于平原地区，在进行河网提取时，平坦地区的出现会导致提取的河网与实际相差较大，为了提高准确率，需要对平坦地区的DEM数据进行一定的预处理，本文采用现有的辽河流域的水系图对DEM数据进行处理，首先将水系图栅格化，然后将栅格化后的河网与DEM数据叠加，将DEM中的非水系地区增加一个微小值。

3.2.3流向计算

水流的流向是指水流离开每一个栅格单元时的指向，ArcGIS水文模块采用D8算法来进行流向的计算，在该算法中，确定一个栅格的水流方向，就是将被栅格单元同其邻近的8个栅格之间的坡降进行比较，该栅格单元中心同其相邻的8个栅格单元中坡降最大的一个栅格单元中心之间连线的方向被定义为被处理栅格的水流方向，用一个特征码来表示一个栅格的水流方向,如果8个相邻网格单元的坡降是相等的，就增大邻域。有效的水流方向定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并分别用128、1、2、4、8、16、32 和64这8个有效特征码表示（图2）。

流向的计算在ArcGIS中用Hydrology模块中的FlowDirection工具完成。

图2　水流方向编码

3.2.4汇流累积量的计算。

在获得流向后，就可以计算汇流累积量，所谓汇流累积量就是对每一个格网，根据流向数据计算上游共有多少个网格内的水流入该网格，大多数像元的汇流累积量都比较小，汇流累积的数值越大，该区域就越容易形成地表径流。在ArcGIS中用Hydrology模块中的FlowAccumulаtion来计算汇流累积量。

3.2.5河网的提取

河网的提取是基于汇流累积量图层的，将汇流累积量大于某一阈值的所有格网提取出来，就形成了河网栅格图层，设定合适的阈值对河网的提取结果具有重要的影响，在设定阈值时，应根据研究目的对研究区域进行分析，通过反复的试验来获得理想的结果，这是一个反复迭代的过程，阈值设定的越小，所得到的河网就越密集，本文在进行河网提取时，通过反复试验，并将提取结果和现有的矢量水系图层进行比较，确定了比较合理的阈值(30000)。提取的河网和现有的水系图分别如图3。

3.2.6Streаmlink的生成

StreаmLink记录着河网中一些节点之间的连接信息，这也就是河网的结构，生成StreаmLink后，我们就可以再通过计算得到河网中每个弧段的起点和终点，计算StreаmLink是提取子流域边界的必须步骤。

3.2.7子流域边界的提取

在建立水文模型时，为了研究的方便，一般都要将整个流域划分为子流域，然后假定这些子流域的流域特性是均一的，在此基础上进行流域的水温模拟以及其它的相关研究，子流域边界的提取方法如下：首先要确定一个出水点，即该集水区域的最低点，然后叠加水流方向数据，搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格单元，直到确定所有的该集水区的栅格的位置，也就是搜索到流域的边界，分水岭的位置。在ArcGIS中，流域边界的提取是利用Hydrology模块中的Wаtershed工具完成。