基于DEM的古坊河流域信息提取及对比分析

金　晶，彭志荣，汪红洲

(1.江西水利职业学院，江西 南昌 330013；2.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029)

基于DEM的古坊河流域信息提取及对比分析

金晶1，彭志荣1，汪红洲2

(1.江西水利职业学院，江西 南昌 330013；2.江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029)

摘要：以会昌县古坊河流域为研究对象，基于数字高程模型DEM，通过对DEM的预处理、水流方向的提取、汇流累积量的提取、河网水系的提取等确定流域信息。将提取得到的结果与在CAD中人工判读的结果进行比对分析。结果表明：流域面积与比降基本吻合，河长存在较大误差，在今后的工作中可以直接利用GIS提取山洪沟流域面积和比降以减少实际的工作强度。

关键词：DEM；流域信息；河网水系；GIS

古坊河系贡水二级支流、湘水一级支流，发源于江西省赣州市会昌县安下村，自东北向西南流经谢屋村、邹屋村、禾塘村、小坝村，于狗胫村汇入湘水。古坊河流域范围内有两座并联水库，分别是东乡水库和冬瓜坑水库。东乡水库与冬瓜坑水库之间平时补充灌溉用水，汛期两水库下泄洪量分别沿支流汇入古坊河。会昌县古坊河由于受洪水的影响，流域内溪沟山洪灾害频繁发生，直接威胁沿河两岸的村庄、道路等安全，给集镇人民生活带来许多困难、工农业生产带来巨大损失，严重制约着区内国民经济的发展和人民生活水平的进一步提高。因此，需要及时对其进行治理，建立起山洪灾害防治体系。本文探讨了对于山洪沟流域直接用DEM图提取流域信息与人工判读得出的结果的误差，为山洪沟流域信息提取提供依据。

1流域地形处理与流域信息提取

1.1DEM的预处理

首先，根据古坊河的坐标和调查得出的古坊河流域内的居民地以及古坊河水系的情况，经过分析，在GIS中创建SHP图形用于裁剪，然后在ERDAS中裁出能包括古坊河流域的边界光滑的DEM图。接着，对DEM图进行填洼和平坦地区处理。之所以在DEM图中出现洼地是因为真实的地形或DEM生成过程中的误差导致的。从目前的研究情况来看，它形成的原因一般认为是因为误差而导致的伪地形。水流流向的判读会因为洼地的存在而带来影响，可能会阻碍后续水流线的生成，使我们得到一些错误的信息。因此在ArcGIS中计算水流方向之前，需要对数字高程模型进行填洼处理。常用的填洼方法是0’callaghan和Mark提出的，直接在原始DEM中修正洼地内的单元格的高程值[1]。填洼的原理是：如果遇到洼地，比较该栅格相邻8个栅格的高程，用最小的值赋予这个栅格，对峰顶的处理也是类似的方法[2]。

运用ERDAS软件中的Subset，裁剪出原始DEM图见图1。再利用ArcGIS水文分析中的填洼对包含古坊河流域的原始DEM图进行填洼处理见图2。

图1　分辨率30 m的裁剪后的原始DEM图

图2　填洼处理后的DEM图

1.2水流方向的提取

基于DEM水文分析的基础是水流方向的提取。在目前的研究中，最广泛采用的是单流向法——D8法[3]。它是基于3×3的网格窗口，假定每一个网格中的水只能流向与之相邻的8个网格中的一个，从而对水流形态进行判别，如图3所示。该方法是建立在最陡坡度的基础上，认为网格以点源的形式产流，将千万种可能的流向归纳成八种并用一维线来描述河道，从而确定网格流向[4]。这种方法简单并且具有实用性从而被广泛接受和使用。

图3　D8法网格水流方向定义

将填洼处理后的DEM图导入ArcGIS中，利用流向工具计算得出水流方向，结果见图4。

图4　流向工具处理后的水流方向图

1.3汇流累计量的提取

汇流累积分析是指通过提取水流流向栅格，从而生成汇流累积栅格的过程。汇流是一个不断累积的过程，每一个汇流累积栅格的值，它表示上游汇流区域内所有汇入该栅格的栅格单元总数[5]。简而言之，就是假定最初每个栅格都代表一个单位水量，根据提取的水流流向，该点所通过的水量就是汇入该栅格的总个数。这是基于水流流向数据计算所得。其值越大，就表示该地区越容易产生地表径流。

本研究利用水文分析工具集中的流量工具提取汇流累积量栅格，结果如图5所示。

图5　汇流累计量图

1.4河网水系的提取

基于DEM开展水文分析，最主要的目的就是提取出流域的河流网络。目前，在所有提取河网水系的方法中，最普遍的方法是地表径流模型。先前我们已经得到了流域的汇流累积量，也就是在水流方向上每一个栅格所流过的水量值。在汇流量超过一个临界值时，地表径流就会产生，该值被称为积水面积阈值[6]。流域内所有栅格与临界值进行比较，超过临界值的栅格所形成的路径就是水流的路径，即河网。然后，河网矢量化成河网形文件(即shape文件)输出就可以将河网提取出来了。提取河网后，可以利用GIS的几何计算的功能计算出河流的长度。

本研究利用ArcGIS的栅格计算功能，提取汇流量大于800的栅格单元，得到的栅格河网，再利用水文分析中的栅格河网矢量化功能得到河网水系图，如图6所示。

图6　流域河网水系图

1.5古坊河流域的确定

用于研究的DEM图是根据分析古坊河河源河口的经纬度坐标裁剪出来的。可以根据调查得出的古坊河流域内的居民地以及古坊河水系的情况来确定古坊河的流域。

流域盆地是指被分水岭分割而形成的汇水区域。它是基于水流方向数据，经过分析确定出互相连接的同一流域盆地上的栅格。流域盆地的出水口在流域的边界上，所以流域盆地可以通过分析流域边界上的出水口位置来确定。确定之后，我们可以通过计算汇入该出水口的上游的栅格位置，最终确定流域盆地的集水区域。

以栅格为基础，利用水文分析工具中的盆域分析，得出流域的栅格数据。再运用转换工具栅格转面，将流域栅格图层转换成矢量图层。然后利用GIS的计算几何功能计算出每个流域的流域面积，提取出来的古坊河流域。

1.6子流域的提取

操作ArcGIS时，应用河网连接工具对提取的栅格河网进行分析，将分析的结果作为小流域的出水口数据。这是因为通过河网连接分析得到的数据内含有每一段河网弧段的连接信息。这些信息中，包含弧段的起点、终点等数据。一般情况下，小流域的出水口位置就在弧段的终点处。

子流域集水区域的生成原理与大流域的是一样的。小流域的出水口位置被确定后，就等于确定了该集水区域的最低点，与水流方向结合在一起分析，该出水口上游所有流入该点的栅格位置就能被确定。这些栅格就组成了分割后的子流域区域。在ArcGIS中，应用水文分析工具中的河流连接，先利用计算得到的河网文件和流向栅格文件建立河流连接[7]，再结合现有的流向栅格，利用分水岭工具提取出子流域。这之后，将子流域栅格文件转换成矢量文件，并对其进行计算就可以得出子流域的面积，古坊河子流域图见图7。

图7　古坊河子流域范围图

1.7河道平均比降的确定

河道平均比降J是指自分水岭起根据沿流程的比降变化转折点的高程。在量取河长的同时确定过河等高线，量取各等高线间距和相应高程，按下列计算公式计算平均比降[8]。

(1)

式中：hn为各转折点至下游控制断面的高程差，m；ln为各转折点之间的距离，km；L为河长，km；J有效数字取三位，‰。

通过古坊河流域DEM图，根据空间分析模块中的等值线分析，提取出流域的等高线，见图8。根据等高线，读取若干比降变化特征点的高程和间距，并按照公式(1)计算出古坊河流域的平均比降。

图8　古坊河流域等高线示意图

2结果分析

基于DEM图利用GIS的水文分析功能提取出的流域信息与根据现有的地形图在CAD中勾绘得出的流域信息进行对比的结果见表1。

对于ArcGIS与CAD计算结果的相对偏差的绝对值认为在2%以内是合理的。根据表1可知，基于DEM利用GIS计算得出的流域面积与根据地形图在CAD中人工勾绘出的相对偏差为0.82%，计算结果很接近。因此，对于山洪沟所在的中小流域，运用GIS水文分析功能提取出来的流域面积是合理的。在GIS中对应CAD中的主河道的比降相对偏差的绝对值为1.75%，我们也认为是可信的。但是，GIS提取出的水系对应CAD的主河道的长度偏差较大，不适合使用。造成这种结果是由于以下几点原因造成的：第一，它们的数据源不同，这里使用的CAD中的地形图是根据现场测量得出的，而使用的DEM图是航拍得到的。第二，数据的时效性，这里使用的DEM图是比较早期生成的，古坊河流域内后来新建两座水库等一系列的工程措施，这引起了流域的变化。第三，图像的比例尺的不同，CAD中的地形图是1∶1万，而DEM图是1∶25万的，这引起了平面位置精度误差和垂直高度精度误差。

表1　流域信息对比表

3结语

综上所述，本文利用EARDS根据测量的经纬度裁剪DEM后，用GIS对DEM图进行水文模拟分析，将模拟得出的流域信息与CAD中根据地形图人工判读得出的流域信息进行对比分析，结果得出流域面积和比降基本吻合，但河长存在差异。故对于山洪沟流域可以基于DEM图根据GIS进行水文模拟分析得出流域面积以减少工作量。由于数据源不同和数据的时效性，河长存在较大的差异。虽然比降基本吻合，但是运用两种软件计算的方法是一样的，不会明显减少工作量。因此，对于山洪沟流域的研究中，对于无地形资料的山洪沟流域水文计算应用GIS提取出流域信息是不合适的。对于有地形资料的较复杂的山洪沟流域，可以应用GIS进行水文模拟分析计算得出流域面积和比降，再通过CAD人工判读出河长。这样对于今后的山洪沟研究工作，可以在一定程度上减少工作量，提高工作效率。

参考文献：

[1]Callaghan F,Mark D M.The extraction of drainage networks from digital elevation data[J].Computer Vision，Graphics and Images Processing，1984，28(3):323-344.

[2]林金辉.基于GIS的数字化渭河流域地理特性研究[D].西安：西安建筑科技大学，2007.

[3]Garbrecht J,Martz L W.The assignment of drainage direction over flat surfaces in raster digital elevation models[J].Journal of Hydrology，1997,5(193):204-213.

[4]刘杰.基于GIS的水库产汇流模拟研究[D].南京：河海大学，2013.

[5]陈健飞,张筱林.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社，2010.

[6]王玉富,王翰钊.ArcGIS 环境下基于 DEM 的流域特征提取[J].湖北民族学院学报，2010，28(4):439-442.

[7]刘刚,赵荣.基于DEM的澜沧江流域水文信息提取方法的研究[J].地理信息世界，2007(1):56-59.

[8]戴荣,王正发.资料匮乏地区中小流域设计洪水计算方法的研究[J].西北水电，2012(2):1-5.

Gufang River Basin information extraction and analysis based on DEM

JIN Jing1, PENG Zhirong1, WANG Hongzhou2

(1.Jiangxiwaterconservancyvocationalcollege,Nanchang330013,China;2.Jiangxiprovincialwaterconservancyplanningdesignandresearchinstitute,Nanchang330029,China)

Abstract：Take the Gufang River of Huichang county as a research subject, through the pretreatment of DEM, information extraction of water direction and river network to confirm basin information. The results extracted were compared and analyzed against the results of artificial read in CAD. The results showed that: the drainage area basically agrees well with hydraulic slope, but?the length of river exist notable error. We can extract catchment area and slope of mountain gullies directly by using GIS in the future work to reduce the actual work intensity.

Key words：DEM;watershed information; river network; GIS

作者简介：金晶(1991-)，女，助理讲师，主要从事水文水资源方面的研究。

中图分类号：P333.9;TP311.52

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)05-0040-04