基于DEM数据的黑河流域信息提取

先涛

摘 要 流域信息是构建现代分布式水文模型及相关研究的前提。数字高程模型反映区域地面高程的分布情况，是提取流域信息的重要途径。本文利用ArcGIS10.1的水文分析模型（ Hydrology model）及SRTM—DEM数据，提取黑河流域水流方向、汇流累积量和河网等信息，简要分析黑河流域水系现状。

关键词 黑河流域 数字高程模型 ArcGIS 河网

中图分类号：TV212.5+1 文献标识码：A

0引言

数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是表示区域地形上的三维向量系列，DEM有地形信息显示精度高，易实现自动化、实时化等优点。应用DEM能方便实现地表水文分析。国外应用DEM进行流域分析始于20世纪60年代，在80年代、90年代达到高峰，我国在90年代重点开始对国外相关软件研究，近几年偏向分布式子流域特征的提取。

1 基本原理

1.1研究区概况

黑河流域是我国西北地区第二大内陆流域，位于河西走廊中部，大致介于 98€？101€？0′E，38€？42€癗之间。对黑河流域水文特征的研究，有利于流域及河西走廊地区的水文现状及地区发展进行把握。

1.2研究方法

ArcGIS10.1是美国环境系统研究所（ESRI）推出的地理信息系统软件平台，它的水文分析模型的主要功能是从数字高程模型中提取地表水文要素的特征信息，并进行分析及可视化显示。本文根据DEM数据和其他数据，以ArcGIS为工具，提取黑河流域水流方向、洼地填充和汇流累积量计算，最终提取黑河流域河网水系。

2数据预处理

采用黑河流域SRTM-DEM数据四景，先镶嵌处理，再用黑河流域边界裁剪得到黑河流域范围DEM数据。DEM是比较光滑的地形表面的模拟，且由于自身误差，使得DEM表面存在一些凹陷的区域，在进行水流方向计算时，会得到不合理的甚至错误的水流方向，因此须先对DEM数据进行洼地填充。经洼地提取，洼地深度计算后，就可以进行洼地填充，得到无洼地DEM。

3提取黑河流域及其水系

3.1水流方向提取

对于每一个格网，水流方向是指水流离开此格网时的指向。在ArcGIS中，通过将中心上个的8个领域栅格编码，中心栅格的水流方向便可由其中的某一值确定。水流方向采用D8算法，即通过计算中心栅格与邻近栅格的最大距离权落差来确定。 打开水流计算工具，进行一系列设置，最后得到水流方向数据。

3.2汇流累积量计算

汇流累积量表示区域内经过每个栅格的流水累积量。利用水流方向数据来计算汇流累积量，其方法为：假设数字高程模型每个栅格点处有一个单位的水量，根据上一步流向分析结果计算流过每个栅格的水量大小，从而得到汇流累积量。

3.3河网提取

目前河网提取的方法主要采用地表径流模型：得到汇流累积量之后，假设每一个栅格携带一份水量，那么栅格的汇流累积量就代表该栅格的水流量，当汇流量达到一定值得时候，就会产生地表径流，所有汇流量大于临界值的栅格就是潜在的水流路径，由这些路径构成的网络，就是河网。进行水流网络的提取，关键是根据水流累积量设置阈值，通常情况下积水面积阈值设定的越小，提取的河网分叉越多，河流长度越长。河网的生成，选择“栅格河网矢量化”，分析得到栅格河网。设定阀值时，对整个区域分析并生成一个新的栅格图层，其中汇流量大于阀值的栅格设1，否则设置为无数据。阈值设置为“flowcc”>=5000，得到栅格河网DEM，再经过栅格河网矢量化，得到合理的矢量河网（图1）。

4结论分析

对由DEM数据经空间分析得到的黑河流域信息进行检验，将提取到的黑河流域水系图与参考黑河流域水系图（图2）进行对比：

两图中主要水系的走向、轮廓大致一致，说明GIS环境下基于DEM数据提取河网的方法具有可行性。误差分析，两图北部水系存在较大误差，仔细分析不难发现参考图西北部虽只有较少水系，但有干涸的水流的痕迹或地貌轮廓。经查阅相关资料，判断原因如下：黑河流域由于属于较为缺水的地区，多年以来中上游修筑水渠截水用于农业生产现象明显，导致下游地区水流量骤减、西北部地区干旱状况加剧，一些支流水量逐年降低甚至干涸，而与本文基于DEM数据研究流域水系的理论分布情况存在差距。这种人为因素导致理论与现实存在误差，西北部干涸的河网既是佐证；此外，数据本身存在的误差、数据生产年代较早和实测误差等，导致在参考水系图上反映的水系并不和理论水系完全吻合。从总的效果看，本文所述方法具有较高精度，而且从下游干涸的支流进一步证实了黑河中上游过量截取水流导致下游河网干涸的严重后果。

参考文献

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