赵远洋,黄 平,战一波(上海海事大学海洋科学与工程学院,上海 201306)
基于提高Arc Hydro的水文分析精度的研究进展
赵远洋,黄 平,战一波
(上海海事大学海洋科学与工程学院,上海 201306)
提取合理的河网是建立流域水文模型的前提条件,是进行水动力学计算的关键。由于ArcGIS软件自带的水文分析存在不足,后内嵌于GIS的Arc Hydro Tools工具对提取河网进行了改进。随着对流域水文模型的建模逐步深入,基于DEM提取到的河网已不能满足建模的需要,本文介绍了基于GIS水文分析的几种改进手段:①以主干河道作为约束条件;②国际公认的“Stream Burning”技术。这两种手段,对于流域水文分析河网的提取,在一定程度上都得到了满意的结果,为今后在该软件下提取河网提供借鉴。
ArcGIS;Arc Hydro Tools;主干河道 ;“Stream Burning”技术
目前,流域河网提取及流域划分的方法和工具较多,如ArcGIS[1]水文模块、ArcSWAT、TOPZA分布试水温模型等。其中,ArcGIS水文模块是基于DEM进行水文分析技术最广泛的模块应用。由于对流域水文模型的要求越来越精确,使得GIS水文分析提取到的河网也在逐渐完善。尽管主干河道[2]作为约束条件以及“Stream Burning”[3]技术对DEM数据不完善方面都做到了完好的弥补,得到了一定的效果。
但是,随着水文模型的建立,对水动力学计算要求更为准确,在水文分析中由于因经验欠缺的疏忽往往会造成“伪信息”的掺入,因此,基于DEM数据来进行水文分析提取到合理的河网还需要作进一步研究。
ArcGIS提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型,同时通过水文分析工具的应用,也可以有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本的概念和关键的过程,以及怎样通过ArcGIS水文分析工具从DEM数据上获取更多的水文信息。GIS中水文分析是DEM数字地形分析的一个重要方面。基于DEM的地表水文分析的主要内容是利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络(包括河流网络的分级等)以及对研究区的流域进行分割等。通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析,可以在DEM表面之上再现水流的流动过程,最终完成水文分析过程。
Arc Hydro Tools[4]是由美国环境系统研究所(ESRI)公司和美国德克萨斯州奥斯汀大学水资源研究中心(CRWR),基于Geo Database数据格式开发的水文数据模型,其内嵌于ArcGIS软件中,并内置了丰富的流域辅助提取方法。本文中ArcGIS水文分析提取河网的改进方法均以此工具来进行河网提取及流域划分。
2.1以主干河道作约束条件的应用
传统的无地形修复方法无法正确计算河网流向,生成的河网与实际河网存在较大差异,提取到满意的河网是流域水文模型的前提。康敏捷[5]等以辽宁省河流为例,采用较高分辨率的ASTER GDEM数据为基础,以1:400万地形图的矢量和网数据作为辅助信息,对原始DEM数据进行修正,结果表明,基于Arc Hydro Tools地形修复的流域提取方法可以得到理想的流域提取结果。另外,曾宏伟等[6]也以洮儿河流域为例分别对无主干河道和有主干河道作辅助条件两种情况进行水文分析提取河网,并进行了对比,有主干河道作辅助提取到的河网与真实河网相似度很高。
2.2“Stream Burning”技术的应用
由于现有的数字高程模型(即DEM)在自动提取虚拟河网过程中易受洼地、平原地区的影响,产生不连续的或平行的错无河网的问题。黄玲等[7]在研究中以渤海地区为例,把Agree算法和”Stream Burning”方法进行结合,并在Arc Hydro Tools工具下进行河网的提取,分析了该方法下有无河网辅助信息情况下,对于提高虚拟河网的精度及准确性是否有帮助。通过比较,改进后的方法与实际河网分布较为吻合。
虽然两种改进方法,都在一定程度上能够提取到满意的结果。但是,在DEM数据中,往往由于产生伪峰或伪谷[8]的现象,导致由于经验不足而提取不到满意的效果。另外,在该种现象中,提供约束条件或者是Stream Burning做法都改变了河网高程的真实情况,尽管对河网生成及流域划分等精度提升会有一定帮助,但是因为改变了河道的真实坡度,对水动力计算是不能适用的。因此,运用Arc Hydro进行水文分析还需要做进一步的研究。
[1]Formetta G,Antonello A,Franceschi S,al.Hydrological modeling with components:A GIS-based open-source framework[J].Environmental Modeling&Sofeware,2014.
[2]刘远,周买春等.基于不同DEM数据源的数字河网提取对比分析[J].地理科学,2012.
[3]Callow J N,Van Neil K P,Boggs G S.How does modifying a DEM to reflect known
Hydrology affect subsequent terrain analysis[J].Journal of Hydrology,2007.
[4]葛莹,毛鹏宇等.利用ASTER GDEM提取瓯江流域水系及精度评价[J].测绘地理信息,2015.
[5]康敏捷,栾维新,王辉.Arc Hydro Tools流域提取方法应用[J].中国科技论文,2012.
[6]曾宏伟,李丽娟,柳玉梅.Arc Hydro Tools及多源DEM提取河网与精度分析[J].地理信息科学学报,2011.
[7]黄玲,黄金良.基于地表矫正和河道烧录方法的河网提取[J].地球信息科学学报,2012.
[8]余钟波.流域分布式水文学原理及应用[M].北京:科学出版社,2008.
10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.191
赵远洋(1991-),男,河南固始人,硕士研究生,研究方向:航运与海洋污染控制。