基于流域提取模型的河网结构信息研究

张振鹏，米鸿燕



基于流域提取模型的河网结构信息研究

张振鹏，米鸿燕

（昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

河网结构信息的提取需要相应的流域提取工具和方法，因此构建完备的流域提取模型提高流域信息的提取速度，并将提取出的河网结构信息应用于流域形态和发育演化方面的研究，具有重要的理论意义。本研究中，首先利用ArcGIS软件平台构建流域提取模型，整合流域提取步骤和增加流域信息的提取效率；其次，结合流域结构的描述指标平均分支比和分维数对流域结构进行定量化表达；最终分析不同流域的空间分布状态，流域平均分支和分维数之间呈现反比例变化规律，随着流域的分维数越大，流域结构形态越稳定。

流域；河网结构；提取模型；分支比；分维数

0 引言

流域是自然界中最常见的地理实体，在地壳运动、气候变化等影响下其自身结构会发生相应的空间形态差异。因此，关于流域结构、演化等特征的研究一直是地学领域研究的热点和难点。其中，早期的流域结构研究从流域的形成机理和地理空间分布入手，确定了流域级别划分原则[1]，并运用地貌形态数量分析方法对大量自然流域进行研究，发现了流域网络结构中水道数量、长度、级别之间存在的几何级数关系[2]；其中，分支比和分维数作为流域结构和形态的定量指标应用于区域地貌的演化、气候改变、人为因素对流域结构的影响等方面[3-5]。近些年来，随着地理信息系统和基于数字高程模型地形分析技术的快速发展与广泛应用，在流域结构信息的研究中，关于流域结构的信息提取方法和相关的地学分析方法一直是流域地貌学和水文学研究的热点和重点。例如：对流域多源信息进行栅格化的基础上，提取了目标区域的结构信息[6]；通过构建SWAT模型，提取了流域结构信息[7]。

综合分析现有流域的研究成果，流域结构信息的提取和分析仍需要进一步深入研究，以实现基于DEM等现有空间数据对流域信息的获取和流域结构的形态学规律的发现。在本研究中，首先利用ArcGIS软件中的ModelBuilder模块构建流域提取模型，研究基于DEM影像的黄土高原典型地貌区中流域的提取方法，在此基础上，结合流域结构的形态指标，分析不同流域的空间分布特征，进而实现利用流域模型提取的结构信息并判断流域的发育状态和结构形态。

1 材料与方法

1.1 研究区及实验数据

研究区域位于中国陕西省佳县、延川县、甘泉县，鉴于流域地貌学领域中黄土地貌类型流域具有典型性和多样性，因此采用该地貌类型下发育形态较为显著的三个区域，进行流域结构的提取和分析。本研究采用的数据为30 m空间分辨率的规则格网型ASTER GDEM数据，该数据是由美国航天局与日本经济产业省在2009年共同发布。流域结构信息的提取是在三个实验区内选择一个流域形态完整的小流域进行实验分析（图1）。小流域的地理特征如表1所示。

1.2 构建流域提取模型

流域结构信息的提取在构建流域提取模型的基础上进行，设计提取模型时，先从整体上把握流域结构信息获取的主要步骤，再对提取步骤中的部分细节进行局部模型建立，最后整体搭建获取流域结构信息的框架。如图2所示，从整体上讲，流域结构信息的模型化获取需经历两个步骤：1.填洼处理；2.获取目标流域的结构信息，然后对整体的地理处理步骤进行精细化模型表述。

图1 研究区内选取结构完整的小流域

表1 小流域研究区的地理特征

Tab.1 Geographical characteristics of the small watershed study area

本次实验采用的软件平台是Arcgis10.0，而获取流域结构信息的模型搭建是在该软件平台下的ModelBuilder模块中完成。ModelBuilder模块是一种可视化的编程语言，用于构建地理处理工作。可创建并修改模型构建器中的地理处理模型，其中地理处理模型为ArcToolbox中的处理工具通过一系列流程和相应的逻辑关系而构成提取空间地理实体的模型。由图2提供的模型路线设计框架，在ModelBuilder模块中进行处理工具的选取和逻辑关系的匹配，搭建结果如图3所示：

图2 构建流域提取模型的技术方案

图3 流域提取模型示意图

1.2.1 DEM数据的填洼处理

1.2.2 获取目标流域信息

（1）产生地表径流：对无凹陷点的DEM数据进行填洼，无洼地的DEM数据在工具【Flow Direction】和【Flow Accumulation】下得到该数据区域的汇流累积量文件，然后通过栅格计算器设置累积量阈值，产生地表径流，并提取大于该阈值的流域栅格。（2）流域提取：选择流域形态完整的区域作为目标流域，找到该区域的最大出水口。结合第一步得到的汇流累积文件，在【Watershed】工具下提取目标区域的流域，最后通过栅格计算器将目标流域的汇流区域与最大汇流累积量的文件相减，得到目标区域的河网栅格数据。（3）获取流域信息：目标区的河网栅格数据在工具【Stream Link】中利用流向判断出不同的河流，按照流向把河网的栅格点形成河流链接，接着工具【Stream Order】将河流链接按照不同的流域分级方法进行流域定级，本研究中采用比较完善的Strahler分级法，最后采用工具【Stream to Feature】，对河网分级后的栅格数据进行矢量化，提取矢量化后的流域结构信息并分析流域结构形态。

1.3 流域结构指标的计算

沟谷分维数可以反映出沟谷的发育阶段和发育形态，具体的计算方法表示为：

2 结果与分析

2.1 流域结构指标的提取结果

表2 流域结构信息汇总

Tab.2 Summary of watershed structure information

基于上述实验结果可知延川地区的分维数最小，为进一步分析分维数产生差异的原因，将流域的详细信息列出，可见表3。

表3 流域结构信息提取的结果

Tab.3 Watershed structure information extraction result

结合表1、表2的实验结果可得：1、甘泉和佳县地区的分维数近似，主要原因是：两个地区的平均长度比和平均分支比相近；2、延川地区的分维数与甘泉和佳县地区的分维数相差0.47和0.51，相比较甘泉和佳县地区分维数的差值，延川地区的分维数差异较大。其原因是延川地区的平均长度比与另外两个实验区的差异较大，导致平均长度比对分维数的计算产生影响。3、通过三个地区的分支比，可知随着同一级别水道的数量增长，河网的长度会逐渐增大，流域的平均分支比逐渐小，从而使得流域的分维数增大。

3 讨论

4 结论和展望

本研究通过Arcgis软件平台构建流域提取模型，并基于黄土地貌三个不同研究区1：50000比例尺的DEM数据，以流域结构信息的平均分支比和分维数作为定量指标，详细分析了三个研究区流域在流域发育程度和流域结构分化能力的差异及其产生差异的原因。

由于实验样区数据丰富程度的影响，本研究所得出的结论还需要在进一步的检验和验证；同时，对于表征流域结构特征的信息指标还需要补充。此外，还需要考虑研究区的地貌类型、地质构造活动、地表覆被状况、人工设施等多因素，从流域结构信息指标出发，深入探讨流域的发育演化规律和特征。

[1] Horton R. E. Erosional development of streams and their drainage basins; Hydrophysical approach to quantitative morphology. Bulletin of the Geological Society of America, 1945, 3(56): 275-370.

[2] Strahler A. N. Dimensional Analysis Applied to Fluvially Eroded Landforms. Geological Society of America Bulletin, 1958, 3(69): 279.

[3] 承继成. 流域地貌数学模型[M]. 科学出版社, 1986.

[4] 马宗伟, 许有鹏, 李嘉峻. 河流形态的分维及与洪水关系的探讨--以长江中下游为例[J]. 水科学进展, 2005, 16(4): 530-534.

[5] 张健枫, 伍永秋, 潘美慧, 等. 东江上游地貌特征与水系结构关系分析[J]. 资源科学, 2013, 35(3): 496-504.

[6] 刘金涛, 张佳宝, 刘建立, 等. 融合多源数字信息的流域水系提取方法研究[J]. 地理与地理信息科学, 2010, 26(2): 27-30.

[7] 王立, 李海强, 马放, 等. 基于SWAT模型的流域河网提取方法[J]. 中国给水排水, 2014(13): 92-95.

[8] 汤国安, 杨昕. ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M]. 科学出版社, 2012.

[9] 洪时中, 洪时明. 地学领域中的分维研究水系、地震及其它[J]. 大自然探索, 1988(2).

[10] AlYami. Analysis and visualisation of digital elevation data for catchment management [D]. Philosophy University of East Anglia, 2014.

Research on River Network Structure Information Based on Watershed Extraction Model

ZHANG Zhen-peng, MI Hong-yan

(School of Land Resources Engineering,Kunming University of Science and Technology;Kunming 650093, China)

The extraction of river network structure information need corresponding watershed extraction tools and methods, and to build the model to improve the extraction speed of watershed extraction of watershed information, and the extracted river network information used in the study watershed development and morphological evolution, has important theoretical significance. In this study, we use ArcGIS software platform to build integrated watershed watershed extraction model, extraction step and increase the extraction efficiency of watershed information; secondly, combined with the description of basin structure and the average branching ratio index and fractal dimension to quantify the basin structure expression; the final analysis distribution in space, showing a regular variation between the average proportion Branch watershed and fractal dimension, the fractal dimension of river basin is bigger, more stable basin structure.

Watershed; River network structure; Extraction model; Branching ratio; Fractal number

TP391.77

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.024

张振鹏(1991-)，男，研究生，研究方向：3S集成及应用研究；米鸿燕(1991-)，男，副教授，研究方向：3S技术。

本文著录格式：张振鹏，米鸿燕. 基于流域提取模型的河网结构信息研究[J]. 软件，2018，39（8）：117-121