基于GIS的小流域特征信息提取

王 奎，林孝松

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

随着国家社会经济的发展，地理信息产业获得了重要的发展机遇。目前，在国家空间信息基础设施建设方面，1∶50 000和1∶10 000比例尺地形图在全国范围内已经普遍建设完成［1］。利用1∶10 000大比例尺地形图生成高精度DEM，进而进行小流域的自动提取研究，可以直观地观察与分析小流域不同部位的地形特征、水系特征和坡面、沟谷演化规律，定量地对地形特征进行量测，以此节省大量人力、物力和财力。本文采用ESRI的ArcGIS的水文分析模块(hydrology model)结合DEM进行流域分析，选取重庆市巴南区安澜镇作为研究区进行流域特征信息的提取，为小流域生态环境保护与山洪灾害防治工作提供数据支撑。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

研究区是重庆市巴南区西南部的安澜镇(见图1)，面积为122.42 km2，东、南、西、北方向分别毗邻跳石镇、綦江县、江津市和一品镇。安澜镇辖区地处丘陵，山峦起伏，地势东南西偏高，北部略低，安澜河贯穿全境，交通方便。

图1 研究区示意图

1.2 数据

1.2.1 数据来源

目前常利用等高线地形图获取高程数据。根据研究需要，首先将收集的1∶10 000地形图利用ArcGIS获取等高线，利用MapGIS进行高程自动赋值，最后将MapGIS格式转化为shp格式，得到研究区等高线。对等高线数据进行内插生成TIN模型，对TIN数据进行重采样，生成研究区所需的DEM栅格数据(见图2)。笔者采用的栅格大小为10 m×10 m，共得到2 571 574个栅格。

图2 研究区流域DEM图

1.2.2 数据处理软件

软件平台采用ArcGIS 10.2，使用ArcGIS的水文分析模块Hydrology对研究区水文特征信息提取并进行一般研究。

采用Microsoft的Excel获取数据的统计信息。

2 水系信息提取

流域河网水系是重要的基础地理因素之一，也是描述地理地貌和水文特征的基本水文参数。通过提取河网水系深入了解水资源的空间分异格局以及时空演变规律，挖掘水资源的潜力，充分利用和合理调配水资源。

随着空间和地理信息技术的广泛应用，数字高程模型作为存储和操作十分方便的地形信息表达方式，常被应用于提取流域河网、划分流域等。利用DEM生成的水系河网和集水流域是大多数地表水文分析模型的主要输入数据。

2.1 洼地填充

洼地是指一个或多个栅格单元被周围较高海拔的栅格单元所围绕，因而代表一个内排水区域。在实际地形中，洼地是真实存在的，但DEM数据因精度不足或数据异常也会产生洼地，即假洼地。假洼地可能导致生成河网时的不合理中断，降低河网生成的准确性，所以应先作填洼和平地抬升处理。简而言之，就是从高程里除去这些不合理的数据［2］。但在洼地填充之前，首先要计算洼地深度，由此来判断洼地是由数据误差造成的还是地表的真实反映，从而在洼地填充时设置合理的阈值。

洼地填充的原理是:扫描每个网格时，比较该网格与相邻的8个网格的高程，如果中心网格的高程比相邻的8个网格的高程都低，则将相邻8个网格中高程最低的那个网格的值赋予中心网格［3］。在 ArcGIS10.2 中选取Hydrology模块中的Fill工具得到无洼地的DEM。

2.2 水流方向提取

对于每个网格，水流方向是指水流离开此网格时的指向。计算流向的算法主要有单流向算法和多流向算法两种。单流向算法里D8［4］应用最为方便，其原理是假定一个网格中的水流只从一个方向流出，然后根据网格高程判断水流方向。在D8算法中，只有8种流向，即正东、东南、正南、西南、正西、西北、正北、东北8个方向，并分别用l，2，4，8，16，32，64，128 依次表示。水流方向的确定采用最陡坡降法，即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为中心网格的流出网格，该方向为中心网格的流向，也就是计算出每个栅格单元与相邻单元之间的坡度，选取最陡的坡度作为流向［5－6］。需要指出的是，如果邻域对中心网格的方向值为1，4，16，64(即平行于坐标轴的4个方向)，则规定两网格的距离为1，其他方向的距离为。在 ArcGIS10.2中选取Hydrology模块的Flow Direction工具得到流向图(见图3)。

图3 研究区流域水流方向

2.3 汇流累积量计算

在地表径流模拟过程中，汇流累积量是根据水流方向计算得出［10］。对每一个网格来说，其汇流累积量的大小代表着上游有多少个网格的水流方向最终汇流经过该网格，汇流累积的数值越大，代表该区域越易形成地表径流。一个流域的汇流累积量的计算是提取该流域河流网络的基础。流域内一个网格的汇流量反映了其聚集水流能力的强弱。一个网格的汇流累积量越大，其汇流能力越强，该网格所代表的地形特征就有可能是河谷;反之，汇流累积量为零的地方则可能代表流域的分水岭［3］。在 ArcGIS10.2中选取Hydrology模块的Flow Accumulation工具提取汇流累积量栅格。

2.4 汇流阈值设置

对于每一个网格，汇流累积量代表着流入该网格的所有单位水量的数量。当网格的汇流累积量大于某一设定的阈值时，认为该网格位于水道上，定义为河道。汇流阈值是河网提取的关键［7］，对于同一个流量累积栅格，阈值越大，河网密度越小，内部流域越少。该值的设定具有主观性，通常可以先设定几个值进行试验，以确定能提取出合适河网的阈值。笔者采用3种汇流阈值来进行河网的提取，分别为10 000(集水面积 1 km2)，15 000(集水面积 1.5 km2)，20 000(集水面积2 km2)。

2.5 水系提取

以设定的汇流阈值为标准，从汇流累积图中提取水系河网［8］。在ArcGis10.2中，使用Map Algebra进行地图代数运算，利用表达式con(Flow Accumulation＞x，1)(x为设定阈值)提取河网栅格，将得到的栅格数据转换为矢量数据，并进行平滑处理得到矢量河网。集水面积阈值的设定和河网的提取结果有直接的关系。阈值越大，提取的河网密度越小;反之亦然。在集水栅格分别为10 000，15 000和20 000时，将提取的河网与实际河网对比发现，当集水栅格取150 000(集水面积阈值1.5 km2)时与实际河网最接近。3种集水面积阈值提取的河网对比如图4所示。

3 流域分析

3.1 河网分级

河网分级是一种根据支流数对河流类型进行识别和分类的方法。仅需知道河流的级别即可推断出河流的某些特征。

ArcGIS中有两种划分河网等级的工具，分别是 Strahler和 Shreve［9］(见图5)。

图4 不同集水栅格生成的河网对比

图5 ArcGIS中的两种河网分级

Strahler河流分级法中，所有没有支流的连接线都被分为1级，它们称为第1级别。当级别相同的河流交汇时，河网分级将会升高。级别不同的两条连接线相交不会使级别升高，但会保留最高级连接线的级别。

Shreve河流法考虑网络中的所有连接线。与Strahler法相同，所有外连接线都被分为1级。但对于Shreve法中的内连接线，级别是两条支流等级之和，所以划分的河流等级也较多。

在 ArcGIS10.2 中，点击 Stream Order命令，以集水面积阈值为1.5 km2河网数据为输入，分别用两种方法得到河网分级(见图6)。

图6 研究区河网分级对比

通过图6可以看到:Strahler分级法将研究区河网分成了3个等级，最高等级为3级，即只有当相同河流交汇时河网等级才会提升。Shreve方法将河网分为20级，最高等级为20级。这种方法的干流等级是支流之和，所以随着河网数量的增多河网等级也会不断提升。在实际应用中，根据需要可以选用合适的河流分级方法。

3.2 小集水区域的生成

流域是指河流和水系的集水区域，也就是分水线包围的区域，河流从该区域补给水量。任何一个天然的河网都由大小不等的水道联合组成，而每一个水道都有各自的特征和集水区域，河流依靠此区域汇水补给，此即该条河流的流域面积，而大流域往往是由若干较小的流域组成的［10］。

在河网提取的基础上，通过对流域出水口的分析得到河网的连接图及结构信息。运用分水岭划分工具Watershed实现对小流域的划分。

在ArcGis10.2中，通过执行 Stream Link命令，得到河流连接数据。以河流连接数据作为输入数据，结合集水面积阈值为1.5 km2的河网，将研究区的流域划分为41个小流域(见图7)。

图7 研究区小流域划分结果

3.3 流域特征分析

从图7可以看出，研究区流域被划分为41个小流域并进行了编码。这些新划分的小流域之间的特征信息存在差异。分别从小流域平均海拔、小流域面积、小流域起伏度、小流域坡度及小流域最大汇流累积量5个方面进行流域的综合研究。各小流域特征属性如表1所示。

表1 小流域特征属性

续表

3.3.1 小流域面积

在所划分的41个小流域中，面积最大为13 km2，最小为0.13 km2。87.80% 的小流域面积都集中在5 km2以下，有19.51%的小流域面积在1 km2以下。可以看出，小流域的面积主要分布在1 ～5 km2，达到了68.29%。

3.3.2 海拔

海拔是指地面某个地点或者地理事物高出或者低于海平面的垂直距离，这是一种绝对高程。海拔不仅对自然环境有着重要的影响，对人自身也影响颇多。整个研究区的海拔为230～1 010 m，在划分出的小流域中，平均海拔在257.07～749.95 m。有43.90%的海拔在500 m以上，对比图2可以看出，研究区东、西、南部地势偏高，北部略低。

3.3.3 小流域坡度

坡度指过地表面任一点切平面与水平地面的夹角，表示地表倾斜程度［11］，是地表位置上高度变化率的量度，可表达为百分数或者度数。

求解坡度运用拟合曲线面法，采用二次曲面求解每点坡度的公式［4］如下:

其中:S为坡度;sx为x方向上的坡度;sy为y方向上的坡度。

地面坡度不仅能间接表现地形的起伏状况，也是衡量水土流失程度、地面物质能量转移状况的重要指标，是土壤侵蚀、水文分析等的重要基础数据。

小流域的平均坡度主要集中在14.52°～26.64°，95.12%的坡度在 25°以下。坡度为25°是国家水土保持法规定的临界坡度［12］，在这个坡度以下有利于水土保持。可以发现，研究区的小流域有较强的水土保持能力。

3.3.4 小流域起伏度

地形起伏度能定量描述地貌形态，是指在一个特定的区域内最高点海拔高度与最低点海拔高度的差值［13］。由数据可知，研究区的起伏度在80～307.54 m，起伏度最小的是2号小流域，起伏度最大的是21号小流域。依据中国1∶100万地貌图制图规范中的地貌基本形态划分体系将地形起伏度划分为7个等级，即平原(0～30 m)、台地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)、中起伏山地(500～1 000 m)、大起伏山地(1 000～2 500 m)、极大起伏山地(＞2 500 m)［14－15］。研究区有 73.17% 的小流域起伏度在70～200 m，因此可知研究区大部分地区地处丘陵地带，山峦起伏。

3.3.5 汇流累积量

汇流累积量表示区域地形每点的流水累积量［16］。研究区的最大汇流量主要集中在16 568～1 109 434，有70.73%的小流域最大汇流量在50 000以上，说明这些小流域的汇流能力很强，容易形成地表径流。

4 结论

1)以重庆市巴南区安澜镇为研究区域，利用ArcGIS10.2水文分析模块对研究区进行了小流域的划分和特征信息的提取。结果表明:当集水栅格阈值为15 000(集水面积阈值为1.5 km2)时提取的河网与实际河网最接近，并将研究区划为了41个小流域。

2)从5个方面对41个小流域进行了特征分析。研究发现:小流域的面积主要分布在1～5 km2;平均海拔在 257.07 ～749.95 m，东西南部地势偏高，北部略低;坡度有95.12%在25°以下，有利于水土保持;起伏度主要集中在70～200 m，研究区地处丘陵地带;有70.73%的最大汇流量在50 000以上，说明该小流域的汇流能力较强。

3)利用ArcGIS水文分析模块对研究区进行小流域划分和特征信息提取研究，为流域生态环境保护与山洪灾害防治工作提供数据支撑。

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