基于SRTM DEM的汾河流域特征提取研究*

郭力宇，吴锦忠

(西安科技大学测绘科学与技术学院,陕西西安　710054)



·技术方法·

基于SRTM DEM的汾河流域特征提取研究*

郭力宇※，吴锦忠

(西安科技大学测绘科学与技术学院,陕西西安710054)

河流特征提取是流域生态恢复与农业生产活动的基础数据资料，是领域综合利用和开发必要自然地理要素获取的主要途径。文章以基于SRTM DEM数据对汾河流域特征提取为主要研究内容，主要涉及汾河流域范围提取、汾河流域水系特征提取、划分汾河流域子流域要素提取3个核心层次。利用ArcGIS水文模块分析工具，通过对汾河流域的SRTM DEM数据进行处理、填洼，水流定向的方法，提取出汾河流域地理要素特征； 再通过计算汇流累积量，确定集流阈值，提取河网等路径，进而提取出汾河流域水系特征、流域子流域划分，以及进行其他流域水文分析处理； 最后对提取精度进行检验和分析。研究表明90m分辨率的SRTM DEM数据提取汾河流域特征精度可靠，构建出基于SRTM DEM数据的流域特征提取的优化路径和方案，具有省时高效的优势，对于水资源的勘察、评价、管理，流域生态环境保护和区域农业资源调查等方面都具有重要价值，对数字流域建设具有极强的借鉴作用。

SRTM DEMArcGIS水文模型填洼汾河流域

0　引言

地理信息系统(GIS)技术具有对区域地理数据采集及空间分析的优势，可为集约农业、连片规模农业提供基础地理数据，并已广泛应用于农业生产、农业资源调查等领域[1]。其中基于DEM模型和大流域水文模型构建的流域特征提取对农业产业布局、农业资源保护、农业灾害预防、流域生态系统修复等领域有着重要的支撑作用和指导意义[2]。

DEM在一定程度上替代了传统的等高线在地形图中的作用，它包含着丰富的地形、地貌、水文信息，能够反映各种分辨率的地形特征，提取出地表形态信息，在农业、测绘、地质、规划等诸多领域有广泛的应用[3]。流域特征是重要的基础地理要素之一，对于水资源管理，流域整体规划，水利水电开发利用，防洪抗旱，灌溉等都有十分重要的意义[4]。利用DEM进行流域地形地貌分析起步较早，而随着数字流域的建设，特别是分布式水文模型的建立，使流域特征提取研究成为重点[5]。传统的流域水系获取方法是野外测量或者通过测量和分析地形图，这两种方法需要花费大量的人力、物力、财力，不仅过程复杂，而且保存和更新都比较困难，GIS与RS技术的发展极大地促进了数字水文的发展，使快速提取流域水文特征成为可能[6]。

文章以山西汾河流域为研究对象，通过使用ArcGIS水文分析模块(Hydrology)处理SRTM DEM数据，提取出汾河流域，再提取出汾河流域水系特征，最后划分子流域； 通过提取精度分析，判断利用SRTM DEM数据提取较大流域特征方面的可用性、精确性，以及存在的问题，探讨基于SRTM DEM数据的较大流域水文要素特征提取的优化路径方案。

1　研究区概况与方法

1.1研究区概况与数据来源

1.1.1研究区概况

(1)从旅游业发展实力来看，安徽省16个地级市中，旅游业发展综合实力高于全省平均水平的有5个，依次是合肥市、芜湖市、安庆市、滁州市和黄山市，其他城市旅游业发展实力均低于全省平均水平．

汾河是山西的母亲河，可是近十几年来汾河水质恶化，水量锐减，水资源不合理开发和利用问题日益突出[9]。通过对汾河流域水文特征提取研究，为汾河流域分布式水文模型建立提供参考数据，此外，对于汾河流域水资源管理，沿河流域生态环境研究，地区经济发展研究，以及汾河流域历史地理研究都有重要的参考价值。

该文的研究对象是汾河流域，是山西省境内的汾河从发源地到汇入黄河流经的区域，是中华民族的发祥地之一[7]。汾河是黄河的第二大支流，也是纵贯山西中北部，中部和南部的第一大河。汾河全长695km，流经6个地市， 34个县市。汾河流域位于黄土高原，地势北高南低，特殊的地形地貌把汾河干流分成上游、中游、下游三部分：河源至太原市尖草坪区兰村区间为上游段，长217km； 太原兰村至洪洞县石滩为中游，长266.9km； 洪洞县石滩至入黄口为下游，长210.5km。汾河主要支流有岚河、潇河、文峪河、昌源河、洪安涧河、浍河等。汾河流域面积3.947 1万km2，约占山西省面积的1/4，养育了山西省41%的人民，工业产值占山西省的46%，农业产值占山西省的64%，年取水量占山西省水资源利用量的46%[8]。

1.1.2数据来源

(1)SRTM DEM数据来源

该文采用DEM数据是SRTM DEM V4 90m分辨率数据。该数据是由美国国家航空航天局(NASA)和国家空间信息情报局(NGA)制作，该数据2003年开始发布，经过多次修订，目前的版本是V4。该版本是由国际热带农业中心(CIAT)利用新的插值算法得到的DEM数据，此方法更好地填补了数据空洞[10]。SRTM DEM有两种分辨率的数据，一种为30m分辨率，仅限美国本土使用； 另一种是90m分辨率，它对全球开放，该数据发布在CGIAR-CSI的网站(http：//srtm.csi.cgiar.org/)，可以很方便地下载使用。该数据的平面基准是WGS84，高程基准是EGM96，标称平面精度是±20m，标称高程精度是±16m。CGIAR-CSI均以5°×5°为一图幅组织数据，各图幅之间数据都是无缝拼接[6]。

对“李约瑟问题”的探讨，其实还有一个被忽视了的意义，那就是：它启发我们，不仅要对中国科学技术在其社会文化背景下发生与发展的历史加以反思，而且更重要的是，将有可能在深入探讨的过程中，为未来中国科技文化与西方科技文化的交流与互动，提供一条可供参考的方向与途径。因此，有必要在此讨论一下“西学东渐”与“东学西渐”的关系及其发展态势问题。

图1　基于SRTM DEM的流域特征提取流程

(2)其他数据来源

选取比例尺为1： 175万的汾河流域水系图*资料来源：山西省水利厅，汾河志。太原：山西人民出版社，2006。为对比对象，对流域特征提取的准确度进行判别。

提到经典的形象必然会让人们想到他们典型的特征。经典形象是后现代小说中常用的戏拟对象，后现代派小说家们对经典作品中的人物改头换面，将他们置身于现实社会中，让他们过着普通人的生活，使这些经典的形象打上了后现代小说的烙印。以索尔·贝娄的《赫索格》为例，贝娄以耶和华的仆人摩西为原型塑造了赫索格这一形象来揭示社会现实，摩西为了让以色列人过上幸福、不被压迫的生活，经过四十年的漂泊，最终，他率领他们来到迦南边境，在完成他的使命后死在了摩耶地。而赫索格的不懈努力不但没有得到肯定，反而招来了无数的讥讽与嘲笑。

从CGIAR-CSI网站上下载的覆盖山西省的3幅SRTM DEM数据，下载格式是geotiff，用ArcGIS中Mosaic to New Raster工具把DEM数据拼接成一幅数据。拼接后的DEM进行投影变换，选择正轴等面积割圆锥投影(Albers)，自定义双标准纬线定义为25°N和47°N，中央子午线定义为111°E，基准面选择GCS_Krasovsky_1940。单元格的实际分辨率是84m，用Resample工具重采样，使单元格的分辨率为90m。现有汾河流域水系图定义成与变换DEM完全相同的投影和坐标系，再对该图进行配准操作。使DEM数据和和现有的水系图有相同的地理基础，并且可以精确匹配。用配准的山西省地图裁切拼接好的SRTM DEM数据，就得到山西省范围的DEM数据。

汇流累积量栅格数据表示区域地表每点的流水累积量。汇流累积量的基本思想是：以规则格网DEM中每个格网处有一单位的水量，按照自然水流从高到低的自然规律，结合水流方向栅格数据，计算出每个栅格流过的水量数值，就可以得到该区域的汇流累积量。这个计算过程是通过流向栅格图搜索水流路径，采用递归式运算，从流域出口开始递归搜索，计算出每1个栅格单元的上游汇水面积，即得到汇流栅格图，由于假定每个栅格落下1个单位的水量，所以汇水面积值是用栅格数目表示的。基于水流方向的汇流累积量计算过程见图5[11]。

2　基于SRTM DEM的汾河流域特征提取

2.1数据预处理

利用ArcGIS水文分析工具(Hydrology)提取汾河流域特征，需要对DEM数据进行填洼处理，得到无洼地的DEM； 基于无洼地的DEM，计算出每个栅格的水流方向，得到流向栅格矩阵； 基于流向栅格矩阵，一方面，提取出流域栅格图，进而从中分离出汾河流域； 另一方面，计算各个栅格的汇流累积量，并通过设定不同的集流阈值，提取出栅格河网并转化成矢量河网； 利用已有的水系图与提取出的矢量河网作对比，通过反复试验确定一个合理阈值，提取出一个最符合实际的河网水系； 最后划分子流域(图1)。

2.2汾河流域提取

汾河流域提取就是要从山西省DEM数据中提取出汾河流域范围，也就是汾河流域的流域盆地。流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域，可以利用水流方向确定出所有相互连接并且处于同一流域盆地的栅格区域[11]。

1.3检测方法 我们根据《中医妇科学》相关的诊断标准来进行诊断,显效:患者的中医证候评分降低超过80%,月经量不超过100ml;有效:患者中医证候评分降低超过60%,月经量减少一半;无效:患者的中医证候评分减少超过60%,经量无改善。有效率=(显效+有效)例数/总例数×100%。

迪庆供电局启动三级响应，调动人力、物力和财力投入抢修复电行动当中。为预防触电的次生灾害，迪庆供电局主动停运2条10kV主干线、4条10kV分支线。按应急响应通知单要求，迪庆开发区供电分局在确定辖区内安置点的的数量及具体位置后，分局所有值班人员分成七个小组，每个小组分别由5人组成，主要负责相应安置点的每顶帐篷的布线通电工作。开发区分局设置三个水位观测点，分别为里仁、新仁及开发区水文观测点，每两个小时报告水位情况。

2.2.1水流方向计算

1.2研究方法

图2　水流方向编码

水流方向计算就是要确定DEM中每一个栅格的水流方向，在ArcGIS中水流方向是采用的D8单流向最陡坡度算法来计算的。D8算法就是比较一个栅格与周围相邻的8个栅格的坡度间的大小，取坡度最大的两个栅格的方向定为中心栅格的水流方向。D8算法将自然状态下的水流的方向概括为8个可能的方向，用1， 2， 4， 8， 16， 32， 64， 128这8个1～255的数值分别表示东，东南，南，西南，西，西北，北，东北八个方向，即每一个栅格的流向都指向相邻栅格的中心[12]。栅格方向编码如图2所示。

通过水流方向计算的目的是判断原始DEM数据是否存在洼地，如果存在洼地，则计算水流方向生成的流向栅格数据的方向值会存在介于1～255之间的其他整数值； 如果没有洼地，则方向值只有图2所示的8个可能值，且DEM无需再进行填洼处理。

2.2.2填洼

DEM数据误差或者在真实地形中存在，使得DEM表面存在着一些凹陷或者尖峰，这会使水流方向提取产生误差，进而影响后续对河网的提取，会导致伪河道的产生[13]。通过水流方向计算结果即可确定有洼地，且认为所有类型洼地均需要填充，不使用阈值来限定填充范围，系统将所有的洼地填平。

2.2.3再次计算水流方向

对于流变的研究不同于一般的区划讨论，其更具变化、生长的动态要素特征。无论是从历史角度来讲还是考虑到不同地域之间的相互交流学习，都是一个不断演进的过程，用固态的模式得出的结论势必无法扎根。为此，探讨乡土建筑可能的传播学路径，有利于丰富对乡土营造的演变理解。

填洼处理后，通过再次做基于填洼后的DEM水流方向计算，得到的新的水流方向数据显示只有D8算法中规定的8个方向，即填洼后的DEM已无洼地。

2.2.4流域提取

以上一步得到的流向栅格数据为基础，利用Basin工具可以得到山西省范围内的流域信息，提取出山西省范围内的流域栅格图。

2.2.5精度分析

把栅格图转化成矢量图，并用Select工具提取出汾河流域部分。得到的汾河流域矢量图如3所示。通过叠加现有的汾河流域图与提取的汾河流域图，观察其边界，形状，基本吻合，如图4所示。汾河流域面积为3.9471万km2，提取出的汾河流域面积为3.930 7万km2，提取出的汾河流域的面积与实际面积相对误差仅有0.415%。显示通过SRTM DEM提取流域面积可行，精度可信。

图3　提取出的汾河流域矢量　　　　　图4　汾河流域提取图与现有图比较

图5　汇流累积量计算示意

2.3汾河流域水系提取

2.3.1计算汇流累积量

1.1.3 节瘟。常在抽穗后发生，初在稻节上产生褐色小点，后渐绕节扩展，使病部变黑，病节干缩凹陷，易折断。潮湿时生灰色霉状物，俗称烂骨节。

因为汇流累积量是河道认定的门槛标准，累积量越大的地方越容易形成地表径流，所以通过计算汇流累积量，可以方便下一步设定阈值和提取河网。利用ArcGIS Hydrology下的Flow Accumulation工具处理填充后的流向栅格图，生成的汇流累计栅格图(局部)(图6)。

2.3.2设定阈值

贝叶斯投票是根据每个基分类器的历史分类表现通过贝叶斯定理赋予不同的权重，根据各基分类器的权重进行投票[38]。由于不能覆盖各基分类器的所有样本空间，且不能正确给出各基分类器的先验概率，贝叶斯投票的效能不及普通投票方式[39]。

通过设定集流阈值可以提取出河道，在集流阈值栅格图中凡是汇流量大于等于集流阈值的栅格属性值被设为1，即这些栅格被定义为河道； 小于阈值的栅格属性设置为无数据(NODATA)，对应的区域为非河道区域。通过不断试验，提取结果与现有的水系图叠加对比，最终取阈值为6000，提取出的栅格水系图与现有的1： 175万汾河流域水系图比较吻合(图7)。

图6　汇流累计栅格(局部)　　　　　　　　　　　　　　　图7　栅格水系(局部)

2.3.3提取河网

目前，我国对北极的研究相对滞后，更多还关注在自然科学方面，我国1999年才启动北极考察，比南极考察晚了整整14年，随着北极发生重大变化，中国对北极的研究短板凸显。

2.3.4河网分级

在ArcGIS水文分析中，提供两种常用的河网分级方法：strahler和shreve分级(图9)[11]，该文采用常用的strahler分级方法。通过水文分析工具集下的Stream Order处理，输出结果即为河网分级图(图10)，该图为栅格图。

图8　提取的汾河流域水系　　　　　　　　　　　　　　　图9　Strahler分级和Shreve分级

2.3.5水系提取精度分析

通过不断试验不同的集流阈值，确定阈值为6000时形成的河网与现有的比例尺为1： 175万的汾河流域水系图吻合的较好。提取出的矢量河网与现有水系图叠置显示，发现汾河干流基本吻合，各主要支流的主河道也重合较好。但是，支流的长度与实际往往有偏差； 此外，产生了长度较短，实际不存在的一级伪河道； 部分提取出的水系是时令河的河道； 提取出的水系中几乎没有长度较长但实际不存在的河道。

图10　提取的汾河流域水系分级

由此可见，通过SRTM DEM数据提取汾河流域河网信息，提取出的河道在主河道有较高的提取精度； 误差在于有部分实际不存在的一级伪河道，部分支流长度与实际有差距。这可以通过与地形图叠加对比分辨出提取出的河道的属性，并进行一定的编辑，可使河网最大限度地与实际情况相符。因此，利用SRTM DEM数据提取汾河流域水系信息有较高的可靠性。

提取河网就是利用上一步确定的阈值，先提取栅格河网图，再转变为矢量河网图的过程(图8)。

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2.4子流域划分

2.4.1重设阈值生成栅格河网

为了方便研究较大的汾河子流域提取的精度，需要重新设一个较大的集流阈值，使提取出的河网较少，经过试验，确定阈值设为4万时提取的汾河流域各主要支流较为简洁。

2.4.2汇水区出水口的确定

水文分析中要对更小的流域单元进行分析，因此需要对流域进行分割。流域的分割首先要确定小级别流域的出水口的位置，通过Spatial Analyst Tools工具箱里，Hydrology工具集中的Snap Pour Point工具寻找。

2.4.3子集水区域的生成

脑膜瘤是一种起源于脑膜与脑膜间隙的衍生物，一般认为蛛网膜细胞分裂速度较慢，而在病毒感染、放射性照射、颅脑外伤及合并双侧听神经瘤等因素的影响下，能够加快细胞的分裂速度，继而导致细胞变性，造成脑膜瘤。目前，脑膜瘤主要采用外科手术治疗，然而术后脑积水、脑水肿等并发症给患者预后带来严重的影响[1-2]。临床上主要采用营养神经、渗透性脱水等方法改善脑膜留术后神经功能与脑水肿，但临床收效仍有所欠缺[3-4]。因此，探寻一种有效的辅助性治疗手段保证脑膜瘤患者的术后康复质量十分必要。2012年1月—2018年3月我院对34例脑膜瘤手术患者应用了高压氧辅助治疗，临床取得了满意的效果，现将研究结果报告如下。

为生成子集水区域，应先确定出水点，即该集水区域的最低点，然后结合水流方向，分析搜索出该点上游所有流过该出水点的栅格，一直搜索到分水岭位置。通过Hydrology工具集中的Watershed工具，处理水流方向数据和出水口数据，输出数据即为子集水区，生成的图为子流域栅格图(图11)，转变成矢量图(图12)。

图11　汾河流域子流域栅格图　　　　　　　　　　　　　图12　汾河流域子流域矢量图

表1　汾河流域子流域面积提取精度

2.4.4子流域面积提取及精度分析

通过统计汾河各较大支流的流域面积，并与实际面积值比较，从而进一步分析基于SRTM DEM的流域特征提取的精度。利用提取的河网图，河流分级图，以及有关的流域地形特征，对于不同的子流域进行编号，用Generalization工具集下的Dissolve工具融合编号，通过属性表查看提取的各流域面积。该文取其中有代表性的3条支流比较(表1)。

对方是一个女人，声音虽然也甜，但显得猛，反问她：你是谁？皇甫一兰一愣，心想她打电话给我却问我是谁，打错了吧。皇甫一兰毕竟是淑女，有教养，再加上在服务行业工作训练有素，于是礼貌而客气地说：我是皇甫一兰。对方阴冷的声音似乎从牙缝挤进了她的耳鼓：我说你是婊子、骚狐狸、害人精，声音这么嗲，难道就是为了勾男人魂、喝男人血、吸男人精，让男人包二奶、养小三的？你这个人人可上的公交车，省省吧，叫你男人把你的责任田种好就行了，别再像大集体时大伙都能耕种几镢头。啪！手机挂了。

从表中可以看到这3个子流域的面积与实际面积之间的相对误差较小，可以推断其他各子流域的提取精度与其相差不大，因此也可以进一步确定用SRTM DEM数据提取流域水系特征的可靠性。

3　结论

通过使用ArcGIS水文分析模型(Hydrology)对SRTM DEM 90m分辨率的DEM数据在汾河流域水文特征提取方面的应用，提取的汾河流域范围、形状和面积与实际情况十分吻合，有较高的提取精度； 当设定阈值为6000时提取的汾河流域河网图与现有比例尺为1： 175万的汾河流域水系图能够很好地匹配，提取精度能够达到使用要求； 在部分汾河支流流域提取中，通过计算流域面积提取精度，也可确定提取结果较为可靠。

这太阳还毒着呢，能有个屁雨。我没看出来有雨。不像你说的，我咋乱睡女人了？肚脐眼放屁没影的事，叔是不是把我当瞎包孩子啦？你老人家总是隔着门缝看人，不就是八万块钱吗？我心里有数，我还你。

文章基于SRTM DEM 90m分辨率的DEM数据提取出汾河流域范围、水系特征及子流域，建立基于SRTM DEM数据的较大流域地理要素特征提取优化路径方案，这为较大流域地理要素快速、高效地提取提出新的方法和途径，同时对推动流域生态建设、促进农业资源合理利用等具有重要的作用和价值。

[1]吴立忠， 郭世乾，张保田.基于GIS的黄土高原丘陵沟壑区的耕地地力评价研究——以天水市麦积区耕地地力评价为例.中国农业资源与区划， 2009, 30(6): 35～41

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STUDY OF FEATURE EXTRACTION OF FENHE RIVER BASIN BASED ON SRTM DEM*

Guo Liyu※，Wu Jinzhong

(College of Geomatics，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an 710054，China)

River basin feature extraction provides a basic data for the recovery of ecological and agricultural production activities, and is a key way to get the river′s physical geographical elements for the river basin comprehensive utilization and development. This paper mainly studied the feature extraction of Fenhe river basin, which included the scope, the valleys, and the sub-streambased on SRTM DEM. First, the basin data was extracted by using ArcGIS Hydrology characteristics after dealing with the SRTM DEM data, filling pools and directing flow. Second, the watershed system and substream were extracted by calculating concentration accumulation, determining the threshold of flow, and extracting river network of Fenhe. Lastly, the accuracy of extraction was tested. The results showed that the accuracy of Fenhe basin extracted by the 90 meters resolution image of SRTM DEM data was practicable. The optimization plan and path for the basin feature extraction was effective. The results can provide a reference for the construction of the digital watershed, investigation, evaluation and management of water resources, as well as the protection of the river basin ecological environment.

SRTM DEM; ArcGIS; hydrology model; filling pools; Fenhe Basin

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160601

2015-06-10

郭力宇(1963—)，男，陕西临潼人，副教授。研究方向：自然地理学。Email： 332781731@qq.com

国家自然科学基金“流域土地利用/覆被变化对干旱的影响评价及综合调控研究”(51409204)

P208; P333.9; TV212.5

A

1005-9121[2016]06-0001-07

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