基于ArcGIS的DEM数据修正及水系自动提取

尤静静，王玉琴，蔡世鑫

(61618部队，北京 100080)

基于全球数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)数据，利用ArcGIS软件中的空间分析工具，能够快速提取河流，由于很难获取非常精确的DEM数据，因此在目标图更新作业中，基于该DEM数据自动提取的小河流、小水域无法与现有的矢量河流数据进行叠加使用。将DEM应用于公路勘察设计中，可以提高设计周期，保证设计质量，而通过ArcHydro工具对DEM数据进行修正，改进地形数据，使修正后的DEM提取的水文要素更加贴近真实水系情况，生成更加准确的水系。因此该问题的研究可以在保证DEM水系数据精准的条件下，研究公路建设对地表水流产生影响提供数据支撑。

1 DEM数据的水系自动提取

基于DEM的地表水系生成主要利用ArcGIS中的水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络以及对研究区的流域进行分割等[1]。通过提取分析这些水文因子，实现对实际地形的水文分析及应用。

具体流程如图1所示，主要包括水流地表模拟过程中水流方向确定、洼地填平、水流累计汇水量生成、沟谷生成及流域分割等。

图1 水系提取流程图

1.1 无洼地DEM的生成

由于一些真实地形原因，现实的DEM表面并不是光滑的地表模拟，存在凹陷不平，因此在进行地表水流模拟时，进行水流流向计算的过程中，受低高程栅格的影响，会使该区域出现不正确的水流流向，因此，需要先对DEM数据进行填洼方计算，获得无洼地DEM数据。

(1)水流方向提取

水流方向是指经过每一个栅格时水流的指向，对Arcgis中的栅格编码，即为水流方向的确定数值，其水流的流向根据计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定，距离权落差根据中心栅格的高程差除以两栅格间的距离获得[2]，同时栅格间的距离与方向有关，方向的数值则是利用D8算法进行计算获取。

(2)洼地计算

洼地表示水流流向存在不合理的区域，为了区分洼地区域是数据本身误差造成还是地表的真实形态，在对洼地填充之前需要通过洼地深度的计算，来进行判断区分，同时在洼地计算中，首先根据流向判断出洼地存在的位置，接着对洼地区域设置合理的阈值进行填充处理，使生成的无洼地DEM能够更加准确的反应真实的地表情况。

(3)洼地填充

经过上一步骤的洼地计算，获取原始DEM数据是否存在洼地，同时对洼地深度的计算提供了洼地填充时的阈值设置。Arcgis软件中，在洼地填充时，对洼地深度大于阈值的区域，直接当作真实地表形态保留。对洼地的填充是一个循环往复的操作，对于被填充的洼地，会将其与周围区域继续进行洼地计算，在计算过程中，若形成新的洼地，则会继续填充，直至所有洼地被填充完毕，不再有新的洼地产生[3]。

1.2 汇流累积量

模拟地表径流的模型中，通过流向的数据计算出汇流累积量。分析地表径流可知，每一个栅格中，其汇流累积量的数值代表着上游水流方向汇聚后流向该栅格的数量，汇流累积的数值越大，则该位置越容易形成地表径流[4]。因此，通过水流方向来计算汇流累积量的过程如图2所示。

图2 汇流累积量计算

利用Arcgis软件根据水流方向数据来计算累积汇流量，由于降水、土壤、植被等因素会对径流产生一定的影响，因此在计算中需要输入配权数据来更精准的模拟该区域地表径流情况，系统默认所有栅格的权值均为1，则计算出的汇流累积量就是该区域汇入的栅格数量。

1.3 河网的提取

河网基于累积汇流矩阵生成，因此对河网的提取，首先需要计算出实验区域的累积汇流矩阵。以DEM数据为基础，经过相应的计算、处理得到地表的流域信息。由于内插原因及真实地形的存在，DEM表面存在一些凹陷地区，因此为了获取合理的水流方向，在进行流向计算之前，要对原始DEM数据进行填挖方计算。依据的河网提取方式是利用地表径流漫流模型计算：首先在无洼地DEM上根据最大坡降的方法获取每一个栅格的水流方向[5]；接着采用水流方向栅格数据计算出每一个栅格在水流方向累积的栅格数，即汇流累积量，所获得的汇流累积量则代表一个栅格上有多少个栅格的水流方向经过该栅格；当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，所有汇流量大于该临界值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，即为河网[6]。

2 DEM数据修正

2.1 采集区域河网数据的对比分析

依据上述理论以及Arcgis操作软件，根据河网的获取流程，将DEM数据进行河网数据的自动提取操作，获取作业区域的河网数据，现将基于原始DEM数据自动提取的河网与根据影像采集河网数据叠加，结果如图3所示，红色河网表示根据原始DEM自动提取的河流数据，绿色河网表示根据影像采集的河网数据。

图3 两种河网数据叠加

DEM自动提取的河流虽然能显示出原目标图中没有的河流信息，但它生成的河流较为平直，不够曲缓，支流部分表现不够准确。将依据影像采集的水系图层与基于DEM数据自动生成的河流叠加对比，如图3所示：拐点位置存在一定的偏差，通过DEM自动提取的水系要素，只能反映出一定的河流关系，而不能显示实际河流的准确位置，因此不能直接应用于目标图更新中水系的采集，对于该问题，需要对不够精准的DEM数据进行纠正。

2.2 DEM数据修正

基于DEM自动提取的河流流向是准确的，目标图更新时，可以将其与目标图中原有河流数据叠加参考，针对自动提取的河网数据基本不能使用的问题，利用ArcHydroTools工具进行地形数据修正。

将根据影像采集的河流数据作为参考，嵌入DEM中，在地形数据中生成一条汇水的渠道，以此实现地形的改善。

将采集的河流要素强加到DEM中修正地形数据的过程，本质上是根据设置河流的缓冲值、河流要素在垂直方向下降或者升高的值、河流要素在垂直方向下降或者升高的额外值[7]。该任务中，依据的是30 m的DEM数据，所以缓冲参数默认为5个象元，因此其改善距离为150 m，所以间距小于300 m的两个河段会合并。

修正后的DEM数据如图4所示，渲染显示部分基本是采集的河流形状。

图4 修正后的DEM数据

2.3 修正后DEM数据的河网自动提取

基于修正后的DEM数据，进行河网自动提取，获取的水系非常贴合依据影像数据采集的河流，为目标图水系矢量信息的更新提供极大的作业效率，作业成果如图5所示，其中，蓝色为修正后衍生的DEM提取的河网数据，红色为基于影像采集的河流数据。

图5 修正后DEM生成河网与影像采集河网叠加

原数据加入了采集的河流进行修正，因此在减小阈值，获取更细小的河流时，这些细小河流会依据地形接入到采集的河流中，并且河流的形状也更贴切依据影像采集的河流状态。

3 小 结

本文利用ArcHydroTools中的DEM Reconditioning工具，使用采集的河流数据对DEM数据修正，使衍生出的水文要素更加贴近实际地形数据，生成更准确的结果。在依据DEM数据自动提取水系信息的生产中，不但提高了作业效率，同时确保河网信息提取的准确性。