基于不同数据源的颖川河流域数字河网提取与对比分析

罗玉恒，王晓春，周　健

(甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020)



基于不同数据源的颖川河流域数字河网提取与对比分析

罗玉恒，王晓春，周健

(甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020)

[摘要]为了研究基于地形图、DEM和遥感影像三种不同数据源提取的数字河网之间的差异，选取天水市麦积区颖川河流域为研究对象，通过地形图数字矢量化、Hc-DEM水文分析和遥感影像解译三种不同方法分别提取数字化河网，并对不同数据源提取出的数字河网进行了对比分析，结果表明：在比例尺相近的情况下，基于Hc-DEM的地形参数提取到的数字河网精细程度最高，但在地势平坦处会出现较大偏差；通过地形图矢量化获得的数字河网脉络较为清晰，但地形图数据时效性较差，不能够全面准确地反映真实数据情况；通过遥感影像解译采集出来的数字河网时效性好、更准确，但人为因素影响较大。因此，基于三种数据源提取数字河网时，应以DEM数据提取的为准，结合其他两种数据源，修正由于数据源误差所生成的错误河道，从而提高数字河网的精度。

目前数字化河网研究主要包括生成DEM的数据基础与方法[1-2]、数字河网提取技术[3-5]、DEM分辨率[6]。这些研究大多数仅针对数据进行研究，而鲜有针对不同的数据源提取出的数字河网进行对比分析的研究[7]。为此，本研究以颍川河流域(包括东柯河流域)为样本，基于1∶ 5万地形图、ASTER GDEM和遥感影像等三类数据源，通过数字矢量化、DEM数据分析和影像判读等不同方法分别提取数字化河网，以期对不同数据源提取出的数字河网进行分析研究。

1流域概况

天水市麦积区的颖川河属渭河一级支流，流域地处北纬34°20′～34°30′、东经105°23′～106°40′，流域总面积356 km2，涉及麦积区马跑泉、甘泉、麦积、伯阳4镇57村7.7万人，总耕地面积1.58万hm2，多年平均降水量580 mm，气候垂直地带性和区域性差异显著。颖川河发源于南部麦积山风景名胜区所处的西秦岭，源头处山高谷深、峰锐坡陡，平均坡度30°左右；区内地形复杂，相对高差大，境内西南最高山峰海拔2 234 m，东北最低处海拔1 048 m；北部属黄土丘陵沟壑地貌，土层深厚，侵蚀强烈，天然植被稀少，水土流失比较严重。

2数据源分析

2.1地形图数据分析

本研究的地形图由12幅1∶ 5万的天水地区地形分幅图组成，采用高斯-克吕格地图投影技术，等高距为20 m，数据格式为TIFF栅格数据。首先对分幅的地形图数据进行配准、矢量化，再进行接边处理，得到研究区的数字河网矢量数据；然后对数字河网矢量数据进行属性及拓扑检查，确保数据的准确性和完整性。通过对研究区的图幅进行数据接边、数据融合等处理，结合天水市麦积区行政区划地图，提取出基于地形图这一数据源的颖川河流域数字河网矢量数据，见图1(a)。

图1　通过不同数据源提取的颍川河流域数字河网

2.2DEM数据分析

本研究使用的DEM数据由ASTER GDEM第二版本(V2)的数据处理获取，ASTER GDEM是全球空间分辨率为30 m的数字高程数据产品。利用矩形框截取颖川河流域所在区域的DEM数据。利用TIN-DEM的构建不能准确表达地形与地表径流汇集过程的关系，因而不能完全满足水文分析的需要。Hutchinson提出了水文地貌关系正确的Hc-DEM的概念[8]，基于Hc-DEM的地形参数提取的数字河网不仅能够正确地表达地形的连续和突变特征，而且能正确地反映水文要素，如水流方向、水流路径、水系网络等，保证提取河流网络的互相连通，因而其准确性和精度更高。本研究DEM数据源的提取采用基于Hc-DEM的研究方法，生成了30 m分辨率的DEM数据，见图1(b)。

2.3遥感影像数据分析

遥感影像数据采用颖川河流域2014年航空摄影测量影像资料，分辨率在5 m左右。颖川河流域数字河网的提取采用人工影像解译判读的方法进行数据采集。河网实际宽度大于20 m的采用地形线转图斑的形式提取，2～20 m宽度的河网采用线状地物提取，线状河网宽度通过属性赋值进行区分。地物解译由内业人员对影像进行预判解译，可采用直接目视判读解译，也可利用已有土地利用类型数据库与影像底图(DOM)套合，参考调查数据进行解译，并在计算机中依据影像将预判解译的界线、图斑、地类等标绘在调查底图上。通过内业解译，将能够确认的地物和界线、不能够确认的地类或界线，分别用不同的线划、颜色、符号、注记等形式标绘在调查底图上，对影像不够清晰或内业无法判读解译的地物或界线，以及线状河流宽度，由野外补充调查确定，最终绘制出由航片影像数据解译的研究区数字河网矢量数据，见图1(c)。

3数字河网对比分析

基于以上三种不同数据源分别提取颖川河流域的数字河网，结果对比见表1。提取结果分析如下:①由1∶ 5万比例尺的地形图提取出的颖川河流域河网较为稀疏，但河网脉络清晰,主干层次分明。地形图矢量化提取数字河网的精度与地形图的比例尺有很大关系，本研究采用的1∶ 5万地形图精度为5 m，地物精度较粗，因此缺失很多小支流。②由30 m分辨率的DEM数据基于Hc-DEM的地形参数提取的颖川河流域数字河网最为稠密。由DEM数据提取数字河网的精度与当地的地面坡度有关，地势越陡提取精度越高，地势越平坦提取精度越低，同时也与DEM数据源的分辨率有关。③由人工判读遥感影像解译采集出来的颖川河流域的数字河网最为真实，但由于5 m左右分辨率的影像地图一般判读地物的宽度为2 m以上的线状地物，因此还是会缺失部分河网数据。

表1　基于三种数据源的颖川河流域数字河网特征

4结论

在比例尺相近的情况下，基于Hc-DEM的地形参数提取到的数字河网精细程度最高，但在地势平坦处会出现较大偏差；通过地形图矢量化获得的数字河网脉络较为清晰，但地形图数据时效性较差，不能够全面准确地反映真实数据情况；通过遥感影像解译采集出来的数字河网时效性好、更准确，但人为因素影响较大。因此，基于三种数据源提取数字河网时，应以DEM数据提取的河网为准，结合其他两种数据源，修正由于数据源误差所生成的错误河道，从而提高数字河网的精度。

[参考文献]

[1] 周买春,黎子浩,Jayawardena A W.数值地形图的生成及其水文地貌特征评价[J].水利学报,2002(2):71-74.

[2] 王库,于东升,史学正.建立省级数字高程模型(DEM)的关键技术——以江苏省为例[J].地理科学,2004,24(2):188-192.

[3] 俞雷,刘洪斌,武伟.基于DEM的重庆三峡库区水系提取试验研究[J].地理科学,2006,26(5):616-621.

[4] 周德民,程进强,熊立华.基于DEM的洪泛平原湿地数字水系提取研究[J].地理科学,2008,28(6):776-781.

[5] 程海洲,熊立华.基于局部地表形态的可变过水宽度多流向算法[J].地理科学,2011,31(2):218-225.

[6] 吴险峰,刘昌明,王中根.栅格DEM的水平分辨率对流域特征的影响分析[J].自然资源学报,2003,18(2):148-154.

[7] 刘远,周买春,陈芷菁,等.基于不同DEM数据源的数字河网提取对比分析——以韩江流域为例[J].地理科学,2001,32(9):1112-1118.

[8] 杨勤科,贾大韦,李锐,等.基于DEM的坡度研究——现状与展望[J].水土保持通报,2007,27(1):146-150.

(责任编辑徐素霞)

[基金项目]甘肃省科技支撑计划项目(144FKCE084)

[中图分类号]P333

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)06-0059-02

[作者简介]罗玉恒(1982—)，男，江西九江市人，讲师，硕士，主要从事“3S”技术教学与应用研究；通信作者王晓春(1966—)，男，甘肃天水市人，教授，学士，主要从事林学研究。

[收稿日期]2015-09-30

[关键词]数据源；DEM；数字化河网；颖川河流域