在ArcGIS软件下利用DEM数据提取流域水系网

孔辉　孙增慧　石磊

摘要：本文以黑河流域及其水系为实例对象，利用 90m分辨率的SRTM3（DEM）原始数据数据，借助ArcGIS软件中的Hydrology水文分析模块，对黑河流域进行水系网提取并进行相关的分析，验证了SRTM3数据在水文分析中的应用。

关键词：SRTM-DEM数据；汇流累积量；Hydrology；河网

中图分类号：P333 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0076-01

利用DEM数据中提取水系网已经成为GIS应用于水文及环境研究的重点。本文就是GIS空间分析功能在水文分析的应用与研究，是流域水文统计模型向水文机理模型的一个转变，并引入GIS技术。SRTM-DEM数据在空间分析的研究领域中是一个很热门的方向，用一种新的SRTM-DEM数据结合ArcGIS中的Hydrology水文分析模块的算法来确定河流流向，汇流累积量以及河网的提取和分级来对所研究的黑河流域进行流域特征的提取，通过与实地测量的黑河流域图对比，相似度较高，提取矢量效果理想。

1 研究区域及数据源介绍

本文研究区域为黑河流域（部分支流），黑河流域是我国西北地区第二大内陆流域，有35条小支流，位于河西走廊中部，大致介于 98°-101°30′E，38°-42°N之间，为甘蒙西部最大的内陆河流域。面积11.6万平方公里。

SRTM（Shuttle Radar Topography Mission），由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。SRTM地形数据按精度可以分为SRTM1和SRTM3，分别对应的分辨率精度为30米和90米数据（本研究采用开放的90mSRTM3数据）。

2 应用原理研究

目前，利用SRTM-DEM数据提取流域数字河网的模型主要由谷点提取模型和基于流向的提取模型，其中基于流向的提取模型因生成的河网连续应用最广泛。本文通过ArcGIS的Hydrology模块构建数字流域。基于经典的D8算法，以最陡坡度原则确定栅格单元的水流流向，以集水面积阈值确定河道起始点及河道來生成数字河网。

2.1 无洼地DEM的生成

对原始的DEM数据进行洼地填充，其核心技术是通过水流方向运算出DEM数据的洼地分布，计算深度，然后依据深度参数设定阈值来填充。

2.1.1 水流方向计算（D8算法）

对于每一格网周围格网进行编码，中心格网的水流方向由此确定。方向值以2的幂值指定是因为存在格网水流方向不能确定的情况，当相邻格网方向值为128、32、8、2，距离为倍大小，其余为1。

2.1.2 计算洼地

（1）洼地提取；（2）洼地深度计算；（3）计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程Z-min；（4）计算每个洼地贡献区域出口的最低高程即洼地出水口高程Z-max；（5）计算洼地深度Dep=Z-max-Z-min。

2.1.3 洼地的填充

无洼地DEM生成的最后一个步是填充洼地。洼地区域被填平之后，该区域与周围再进行洼地计算，可能还会形成新的洼地，因此，洼地填充需要不断重复运算。

2.2 汇流累积量计算

汇流累积量是此范围内每点的流水累计程度以数字矩阵的形式表示，以规则的网格划分整个区域，每个格网处代表一个水量单位，按照水流自然规律，从高至低，根据地形趋势计算格网的值，即水量值。

2.3 河网的提取

（1）河网的生成基于汇流累积量的数据；（2）设定阈值；（3）栅格河网形成；（4）栅格河网矢量化。

3 实例的操作

3.1 数据预处理

对所给四景SRTM3数据进行栅格数据的mosaic处理，成为实例操作的区域和原始数据。无洼地DEM数据的生成，依据D8算法提取出水流方向来计算出洼地的区域，根据所定的阈值确定出提取的洼地的贡献区域，计算贡献区域的最低高程和出水口的最低高程，在栅格计算器中计算其差值得到洼地的高度。便于显示，所以分别用放大后的图像和在Sympology中Invert图像的像素颜色显示，最后计算汇流累积量、水流长度。

3.2 河网的提取

河网提取过程主要是基于汇流累积量数据，设定适当阈值，因为不同级别的沟谷对应不同的阈值，不同区域相同级别的沟谷对应的阈值也是不同的。所以，在此实验中，分别用了500，300，800阈值提取栅格河网，进行效果对比，最后选择500阈值为河网提取的阈值，如图1。

4 结果分析

本研究以黑河流域的SRTM3 90m数据为基础，运用ArcGIS Hydrology Tools功能模块进行数据处理，分析结果表明，该数据为基础提取的数字河网效果较好，且得到的数字水文数据可直接作为水文模型参数，可大大提高水文模型的效率。SRTM-DEM数据精度较高，ArcGIS软件功能强大，两者结合能方便快捷地完成地形特征和水系河网提取等任务。分析表明，基于90 m SRTM-DEM数据提取的泽河流域河网，当阈值取500时，生成的流域河网能够较好地反映该地区水系河网。

参考文献

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