基于DEM的三岔河流域河网提取分析

曹 敏,李 飞

(杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100)

1 研究意义

河网是河流从源头到河口,沿途汇集众多的支流,沟成复杂的网络系统[1],是重要的地形要素之一,是描绘地形地貌和水文特征的重要参考,对水资源规划、利用、优化配置及防洪抗旱、旅游、灌溉等方面具有重要意义[2]。从全国范围来看,我国的河流东多西少,河网密度不均匀。贵州省的河流处于长江和珠江两大水系上游的交错地区,是重要的生态保护区[3]。三岔河则是长江上游南岸最大支流乌江的一级支流,提取三岔河流域的河网信息,可以反映流域的水资源和降雨径流的分布,并且可以为流域的水文模型研究提供基础河网数据。

2 研究区域与研究方法

2.1 研究区概况

本文的研究区域是三岔河流域。三岔河位于贵州省西北部,属于乌江流域支流,发源于乌蒙山东麓咸宁县盐仓镇,河流全长325.6 km,地理坐标为:东经104°05′～106°06′,北纬 26°02′～27°01′。

2.2 数据基础

研究区的矢量边界图为中国1∶400万矢量图,根据研究区概况中三岔河流域所包含的县市范围,运用ArcGIS裁剪工具,裁剪出研究区的边界图。DEM数据下载网址为http://www.gscloud.cn。空间分辨率为30 m×30 m,研究区的条带号包括:106-25,103-26,104-26,105-26,106-26,103-27,104-27,105-27,106-27。运用ArcGIS软件的“镶嵌至新栅格”工具,将所有条带号的影像进行拼接,再以研究区的边界为掩膜提取研究区的DEM影像。研究区高程值最大为3034 m,最小为618 m。

2.3 研究方法

2.3.1 河网的提取方法

河网的提取主要步骤为:填充DEM数据的洼底;计算汇集累积量;均值变点法确定阈值;提取河网。

2.3.2 均值变点分析法的原理

阈值的确定采取均值变点分析法。均值变点法是对一组非线性的数据进行处理和计算的数学方法,对于样本数为N的有序数列{xi}(i=1,2,…,N),首先计算样本区间整体方差S,其计算公式如下:

式中:xi为第i个样本的值;¯x为整个样本的算术平均值。其中{xi}数列由阈值数据T取对数lnT求得。以xi点为界限将样本分为两段,分别计算每段样本的算数平均值和,并计算第i个分段样本的Si,其计算公式如下:

Si与S差值最大值对应的点就是变点,即选取的阈值数值。

2.3.3 地形起伏度的计算

地形起伏度是地形分区的重要参数,指一个范围内海拔最高点和最低点的差值[4]。

3 河网提取的流程

3.1 提取流程

ArcGIS的水文分析工具可用来建立水的流动模型,分析地表水流的产生位置及流动方向。地表水流动的方向通常是坡度最陡的方向,所以确定了水流方向,便能计算出给定的网络有多少水流汇入[5]。具体流程为:通过DEM数据生成水流方向数据,计算洼地生成无洼DEM,计算无洼DEM水流方向,计算汇流累积量数据提取河网。为了得到更精确的河网,确定阈值采用均值变点法[6]。

3.2 基于DEM提取河网的步骤

在提取河网的流向前,要先对DEM数据进行预操作生成无洼地的DEM数据。

3.2.1 水流方向确定

水的流动方向是DEM数据提取河网极其重要的一个因素,通过计算中心栅格与邻近栅格的最大距离权落差来确定[7]。ArcGIS软件中计算水的流动方向就是通过单流向法的 D8算法来进行的。D8算法的基本原理是:假设水的流动方向唯一,则每一个网格中水的流动方向可以通过其相邻的8个网格编号来获得,8个网格对应8个方向(东、东南、南、西南、西、西北、北和东北,分别用1,2,4,8,16,32,64 和 128特征值表示),坡度最大的就是水流方向。

3.2.2 汇流累积量计算

汇流累积量反映了上游水流经过该单元格的栅格数量及水流累积量,积累到一定程度,即可形成地表径流[8],即越有可能是河流区域。计算方法是:用规则栅格代表DEM中每一单元格的积水量,通过各单元格中水的流动方向计算该区域的汇流累计量。

3.2.3 确定阈值提取河网

完成水流方向和汇流累积量计算之后,需要根据研究区的气候、地形等条件,计算提取河网用的最佳集水面积阈值[9]。贵州三岔河流域用均值变点分析法确定最佳集水面积阈值,并提取河网信息,计算阈值为 300,500,700,900,1100,……,4300时的研究区河网密度,结果如图1所示。

图1 河网密度和阈值拟合图

从图1可以发现,河网密度和阈值呈幂函数关系,河网密度随着阈值的增大而快速减小,当阈值达到某一个值时,减小的幅度减弱,趋于平缓,因此曲线上存在一个拐点,该点为曲线由陡到缓的值,这个点所对应的阈值就是最合适的集水面积阈值。通过对图1分析可知,该拐点应在900～1300阈值之间,由均值变点分析法可确定阈值。

从图2可以看出,S与Si的差值在第5个序列号时最大,其所对应的阈值就是提取三岔河流域河网最佳集水面积的阈值1100。

图2 S与Si差值的变化曲线

4 结果与分析

4.1 各县的河网密度分析

在1100阈值下提取的贵州省三岔河流域的河网密度为1.722 km/km2。表1是三岔河流域各市县的河网密度,从表1中可看出,咸宁市的河网长度是三岔河流域所有市县中最长的,但河网密度较小。三岔河流域河网密度最大的市县是安顺市,其次为普定县,最小的是赫章县,但赫章县的河流长度在三岔河流域排第三。

表1 三岔河流域各市县的河网长度和河网密度

4.2 河网分布与地形地貌的关系

运用 ArcGIS 软件中的邻域分析工具生成三岔河流域的地形起伏度结果,三岔河流域的地形起伏度值为10～913 m。根据三岔河流域地形起伏度的大小,对三岔河流域进行地貌分区,具体分布情况见表2。从表2可以看出,三岔河流域以丘陵地居多,小起伏山地较多,平原地区面积次之,中起伏山地的面积最少。

表2 研究区各地貌类型的面积及比例

将河网图与地貌分区图进行叠加,同时对平原、丘陵、小起伏山地和中起伏山地的河网长度和河网密度进行统计,结果如表3所示。丘陵地和小起伏山地的面积较大,对应的河网长度也比较长,平原地和中起伏山地面积小,河网长度较短。平原的河网密度最大,中起伏山地的河网密度最小。由此可见,河网主要分布在丘陵和小起伏山地。

表3 研究区各地貌类型的河流长度和河网密度

4.3 河网分布与坡度的关系

坡度指切平面与水平面所夹的二面角,反映的是地表的倾斜程度,是描绘地表特征和获取其他地形信息的重要数据。三岔河流域的坡度值为0°～82.88°。从研究区坡度的分类图中可以看出,流域内,东南部的安顺市、平坝县的坡度较小,中西部地区的水城县、六枝县、织金县、纳雍县、赫章县和咸宁市的大部分地区坡度较大。将河网图与坡度分类图进行叠加,同时对每个坡度区间内的河网长度和河网密度进行统计,结果如表4所示。

表4 研究区坡度分类的河网长度和密度

从表4的统计数据可以看出,小于等于10°的坡度范围内河网密度最大,大于10°～20°的坡度区域面积最大,河网密度次之;在20°之后,随着坡度的增大,每个坡度区域的河网面积逐渐减少,河网长度也随之逐渐减少,河网密度随着坡度的增大,呈现逐渐递减的趋势。坡度较大的地区一般是河流的起源地,河流的特点是短而多,随着气候、气温、降水等因素不断变化。稳定的河流一般位于坡度相对较小的区域,河流的特征是水流量大、河道长、较稳定。因此,随着坡度的递增,河网密度表现出逐渐递减的趋势。

5 结论

采用DEM数据提取河网信息,在一定程度上避免了传统的纸质地形图变形、目视解译数字化过程中人为因素造成的数据误差,极大地提高了研究区河网密度的提取精度,并且降低了人力难以实施测量的地区(高山、峡谷等)的测量难度。三岔河流域的河网密度和汇流累积量的阈值大小呈现幂函数关系,两者关系密切,河网密度随着阈值的增大而减小。本文通过均值变点分析法,得出汇流累积量的阈值,在此基础上计算出三岔河流域的河网密度。通过分析,发现咸宁市的河网长度最长,河网密度最大的市县是安顺市,河网密度最小的市县是赫章县;河网主要分布在丘陵和小起伏山地。河网密度与坡度的关系为:随着坡度的增大,每个坡度区域的河网面积逐渐减少,河网长度也随之逐渐减少,河网密度随着坡度的增大呈现逐渐递减的趋势。