姜 晟,李旭文,張 詠,牛志春,黃 楨,金 焰

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

河流水系編碼規(guī)則的研究與應用
——以黃河流域為例

姜 晟,李旭文,張 詠,牛志春,黃 楨,金 焰

(江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

以黃河流域為主要研究區(qū),利用 ArcGIS、SQL Server等專業(yè)軟件,針對 1∶250 000基礎地理信息數據開展環(huán)境系統(tǒng)河流水系編碼研究。通過對編碼定義、規(guī)則及編碼流程的具體闡述,提出了一種科學可行的河流水系編碼方法。驗證結果表明,該方法具有良好的應用性和推廣價值,對于加強環(huán)境管理信息化以及更加科學高效地完成流域水環(huán)境監(jiān)控與預警工作同樣具有十分積極的意義。

水系編碼;環(huán)境系統(tǒng);黃河流域

1 概述

長期以來流域水環(huán)境一直是環(huán)保部門關注的重要領域,伴隨著環(huán)境管理信息化進程的推進,為了更好地適應國家水污染監(jiān)控現代化的需要,就必須對流域內以河流為主體的對象水體制定規(guī)則、統(tǒng)一編碼[1],從而更加科學高效地實現流域水環(huán)境質量的監(jiān)控與預警。

目前,國內涉及水體的已公開頒布的代碼標準共有 3項,分別為《中國河流名稱代碼》(SL 249-1999)、《中國湖泊名稱代碼》(SL 261-98)和《中國水庫名稱代碼》(SL 259-2000),均為水利部發(fā)布和實施的國家行業(yè)標準,并具有 3大特點:(1)河流、湖泊、水庫分別編碼,相互獨立;(2)河流名稱代碼以拓撲結構為主要編碼依據,湖泊、水庫名稱代碼則以流域、面積等因素作為重要參考屬性;(3)碼長固定。

國外的河流水系代碼與編碼方法則較為多樣,各國通常根據不同的用途制定不同的編碼規(guī)則[2],現階段應用較為普遍的共有 3大類:(1)用于流域水文水利管理方面的編碼;(2)用于某些專門用途的編碼;(3)用于流域水環(huán)境保護方面的編碼。第一類方法以芬蘭的河流編碼為代表,與中國水利部頒布的《中國河流名稱代碼》相類似,也是以河流拓撲結構、流域面積等要素作為劃分編碼對象的依據,代碼長度為 18位,挪威等國也采用了此類編碼方法。愛爾蘭用于河流測站的相關編碼可以看作是一種專門用途的河流編碼,該編碼的用途只是作為河網測站的識別碼,不含有任何河流拓撲信息而完全由 GIS系統(tǒng)提供,因此該代碼需要與GIS系統(tǒng)共同使用。而美國、德國、西班牙、葡萄牙等國則普遍使用了有利于水環(huán)境管理的編碼體系,這類編碼體系最為突出的特點是其完全基于水系特征,對于流域中的特定位置可以自動識別其上下游河段,美國的流域編碼系統(tǒng) (Pfafstetter數字編碼體系[3])是此類編碼的典范。

鑒于目前國內環(huán)境系統(tǒng)中尚無一套真正意義上統(tǒng)一規(guī)范的標準水系代碼,因而,認真學習國外成功經驗尤其是流域水環(huán)境保護方面的代碼編制經驗,研究并制定出一套科學先進的全國環(huán)境系統(tǒng)河流水系代碼,以滿足國家水污染監(jiān)控現代化、水環(huán)境管理信息化建設的需要,已經成為一項緊迫而富有意義的工作。環(huán)保部信息中心于 2007年底起組織遼寧、江蘇、海南三省及中科院沈陽自動化研究所共同開展《全國環(huán)境系統(tǒng)河流代碼》規(guī)范研究,由遼寧省環(huán)境信息中心牽頭,并負責環(huán)境系統(tǒng)河流水系編碼規(guī)則的制定,江蘇省環(huán)境信息中心具體負責長江、黃河流域水系代碼的編制工作。筆者以黃河流域為例,較為系統(tǒng)地論述這套編碼方法和技術流程在該流域實施應用的情況。

2 編碼定義與規(guī)則

針對整個黃河流域進行代碼編制,必須首先明確河流水系代碼的定義與結構,然后依據具體編碼規(guī)則確定流域、水系、干支流河段的劃分,最終確定各對象的名稱與代碼。

本研究所涉及的編碼對象是由國家測繪局提供的 2003年版 1:250 000基礎地理信息數據,主要包括河流、湖泊、水庫、運河、引水工程、主要渠道等地表水體。根據編碼需要,將黃河流域劃分為流域、水系、河段 3級,其中流域是指地表水及地下水的分水線所包圍的集水區(qū)域或匯水區(qū)域,水系是由相互連通的自然和人工河流、湖泊、水庫、渠道等水體組成的地表水系統(tǒng),河段為貫通任意兩條支流之間或支流與河流始 (終)端、入?？?、湖泊、水庫之間的河流部分。

代碼由拉丁字母 (不包括字母 I、O、Z)與阿拉伯數字共同構成,碼位長度不固定,從左至右分別為流域、水系、干流 (或支流)河段 (湖泊、水庫、干渠)第 1、2、3、…、n層代碼,終端識別碼、連接碼。當連接碼連接的是同一水系中的河段時,連接碼之后僅為河段代碼;當連接碼連接的是不同流域、不同水系之間的河段時,連接碼之后的代碼由流域、水系及河段的代碼組成。代碼中不存在終端識別碼時,后續(xù)代碼依次前移;代碼中不存在連接碼時,代碼在連接碼前結束。具體代碼結構如圖 1所示。

圖1 河流水系代碼結構

流域的劃分、名稱與代碼直接引用《中國河流名稱代碼》(SL 249-1999)規(guī)定的一級流域名稱和代碼。水系是具備水力拓撲結構的最小編碼單位。無論入海河、內流河、獨流河、水庫、湖泊、渠道,均按照“相互連通的地表水體組成水系”原則進行水系劃分。流域內水系凡與《中國河流名稱代碼》(SL 249-1999)相同的均直接引用,部分不同水系則重新劃分、賦名?！蔼毩骱印币曌饕粋€獨立水系進行編碼。水系的編碼,首先將與《中國河流名稱代碼》(SL 249-1999)規(guī)定名稱相同的水系進行排序,其次名稱不同的水系依據模擬流量的大小進行排序。按照二次排序的順序,依次將各水系編碼為 AA、AB、AC、…、AY,BA、BB、BC、…、BY,…,YA、YB、YC、…、YY(不包括字母 I、O、Z)。

河段劃分是本編碼的基礎性規(guī)則,其原則是:

(1)首先從入海口 (內流河流從最下游)開始,最多選取水系干流上涵蓋源頭和入?？?(內流河流為“終端”)、流域面積大、徑流量大、處于人口稠密區(qū)、環(huán)境質量要求高的 49個支流,從下游向上游采用偶數字依次編碼為 02、04、06、…、98,對49個支流之間形成的各干流河段從下游向上游采用奇數字依次編碼為 01、03、05、…、99,形成干流第 1層河段代碼。

(2)選取第 1(2、3、4、…)層編碼干流之間未編碼支流中的最多 4個支流 (原則同前),從下游向上游采用偶數字 2、4、6、8依次編碼,并在編好的代碼前加上該支流上層代碼,組成支流第 2(3、4、…)層代碼。例如:第 1層代碼為 03,則第2層為:032、034、…、038。

(3)對 4個 2層編碼支流之間形成的各干流河段,從下游向上游采用奇數字 1、3、5、7、9依次編碼,并在編好的代碼前加上該河段上層代碼,組成該河段第 2(3、4、…)層代碼,例如:第 1層代碼為 03,則第 2層為:031、033、…、039。

(4)以此類推,形成第 2、3、4、…層河段代碼,直至干流上的全部支流和河段編碼完畢。

(5)對各支流重復這一過程,直至全部支流編碼完畢。

水系編碼拓樸示意見圖 2。

圖2 水系編碼拓撲示意

3 編碼流程

根據上述編碼規(guī)則,在地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS和數據庫軟件 SQL Sever的支持下開展河流水系編碼。編碼流程主要分為 4個部分,分別為河網預處理、流量獲取、數據檢查及編碼,基本流程如圖 3所示。

圖3 編碼基本流程

3.1 河網預處理

研究所使用的河網矢量數據是從國家 1∶250 000基礎地理信息數據 (由國家測繪局提供,2003年版)庫中“hydnt.e00”文件中的“HYDNT_arc”圖層轉化得來。直接轉化生成的 shape文件中存在大量的無名河、雙線河以及重疊或部分重疊的矢量線段。因研究主要針對有名稱的河網進行編碼,所以首先刪除無名河段;其次對存在雙線河的河段部分進行雙線河處理,將其轉化為單線河;此外,對于矢量線段重疊的情況則采用“Shape To Line”及刪除重復線段方式加以處理。以上各步驟進行處理前,都經過重新生成節(jié)點以確保操作對象的準確性。預處理后的黃河流域矢量圖見圖 4。

圖4 黃河流域矢量圖

3.2 流量獲取

編碼算法本身以及水系名稱確定都涉及到河網的流量,因此在河網編碼之前需要確定每條河流的流量。在河網真實流量難以獲取的情況下,可以簡化處理,認為真實流量與河網的流域面積成正比,從而利用流域面積來代表各河網相對流量的大小。這一步驟主要在 ArcGIS中由 ArcHydro工具來完成流量計算,然后將流量加載到河網數據中。流量獲取主要分為以下 6個步驟:

(1)DEM數據裁剪。將 1∶250 000數字地圖中的DEM數據合并、裁剪成與待編碼河網大小范圍完全一致的數據,如圖 5所示。

圖5 黃河流域 DEM圖

(2)“Burn-in”主干河網。通過 ArcMap打開已經整合好的 DEM數據與河網數據,利用“Terrain Preprocessing→DEM Manipulation→DEM Reconditioning”工具將矢量河網融合到 DEM數據中,從而使河網數據與高程數據相匹配[4]。

(3)洼地填平。利用“Terrain Preprocessing→DE M Manipulation → Fill Sinks”工具將“Burn-in”得到的高程數據進行填洼處理,以避免 DE M在離散化過程中形成的洼地影響流向提取的準確性[5]。

(4)生成水流方向。流向指的是水流離開網格時的指向,流向判斷是流域特征提取的關鍵內容,決定了地表徑流路徑及網格單元間流量的分配。本研究依照單流向 D8算法[6],利用“Terrain Preprocessing→ Flow Direction”工具計算流向,生成的水流方向如圖 6所示。

圖6 黃河流域水流流向

(5)生成匯流面積。利用“Terrain Preprocessing→Flow Accumulation”工具獲得流量面積數據。

(6)流量獲取。利用編碼軟件中的流量獲取工具,為每個折線 (河段)獲得流量面積數據,并將具體流量數據存儲在文件新增列“Flow”中。

3.3 數據檢查及修正

河網預處理之后,由于原始數據中存在錯誤或者不適合編碼的數據,必須經過數據檢查與修正之后才能進行編碼,這一過程包括 4個部分:

(1)數據錯誤識別。河網數據的錯誤識別可以利用輔助工具提取出河網中存在的雙線河、湖泊水庫、海岸線等多個圖層。通過人工觀察這些圖層并與原圖層進行對比,很容易發(fā)現雙線河處理是否正確、湖泊水庫岸線是否唯一、特定河段的 GB值是否正確等常見問題。

(2)數據檢查。利用數據檢查工具中的錯誤提示來發(fā)現問題數據的 F ID值或節(jié)點 ID值,然后利用“find”工具查找到對應數據。

(3)已編碼/未編碼圖層對比。完成一次試編碼后利用“Analysis Tools→ Extract→ Select”工具選出已編碼河段 (對應的 SQL語句為“RiverCode”<>‘’),形成一個由已編碼折線段組成的新圖層。將已編碼圖層和原圖層選擇用不同顏色顯示,通過對比明確顯示出已編碼區(qū)域和未編碼區(qū)域,在兩者相鄰處通常存在數據錯誤。

(4)數據修正。數據修正實質上是數據的編輯,包括折流向反轉、屬性修改、線段刪除等。

3.4 編碼

經過數據檢查與錯誤修正后,即可進行水系編碼。編碼是一個包含多次試編碼的循環(huán)過程,每次試編碼完畢均可生成對應的已編碼河網圖層,將其與原圖層對比就能夠查看到當前編碼區(qū)域是否已經覆蓋流域內的全部水系,若未覆蓋則對數據再次進行檢查修正并重新編碼直至全部對象編碼完成。部分區(qū)域編碼結果見圖 7。

圖7 部分區(qū)域編碼結果示意

3.5 生成最終代碼表

使用ArcCatalog將黃河流域完成編碼后的各水系 shape文件轉換為 Access數據庫支持的 mdb文件格式,然后利用 SQL Server 2008編輯最終生成完整的黃河流域水系代碼表。

4 結果與討論

通過 ArcGIS、SQL Server等專業(yè)軟件,利用黃河流域 1∶250 000基礎地理信息數據開展研究和實驗,完整地論述了一種環(huán)境系統(tǒng)內切實可行的河流水系編碼方法,該方法與傳統(tǒng)的水利部門編碼相比具有 4大優(yōu)點:

(1)以水環(huán)境保護為主要用途,在計算機中易于根據代碼識別上下游關系,能夠為水污染防治、應急指揮系統(tǒng)建設,流域水環(huán)境生態(tài)補償、排污權交易等工作提供有效支持。

(2)用一套代碼涵蓋了河流、湖泊、水庫、干渠等各類地表水體,遵循水系的自然水文關系和拓撲結構。

(3)代碼碼長不固定,碼位利用率高。

(4)代碼具有良好的可擴展性,能夠滿足基層自行編碼、擴展編碼的需要。

從目前對黃河流域 25個水系 2萬余個河段已完成的編碼結果來看,該方法具有明顯的環(huán)境針對性、實用性和應用價值,對于促進環(huán)境管理信息化、更加科學高效地完成流域水環(huán)境質量監(jiān)控與預警工作同樣具有十分積極的意義。

[1]羅宇翔,賈仰文,王建華,等.基于 DEM與實測河網的流域編碼方法[J].水科學進展,2006,17(2):259-264.

[2]BR ITTON P.River coding systems for river basin management and reporting[R].USA:EU GISWorking Group Guidance Document,2002.

[3]VERD IN KL,VERD IN J P.A topological system for delineation and codification of the Earth's river basins[J].Journal of Hydrology,1999,218(1-2):1-12.

[4]于淼,陳雪蓮.基于 DEM的河網河段編碼方法[J].人民長江,2009,40(24):36-38.

[5]孫艷玲,劉洪斌,謝德體,等.基于 DEM流域河網水系的提取研究[J].資源調查與環(huán)境,2004,25(1):18-22.

[6]O'CALLAGHAN J F,MARK D M.The extraction of drainage networks from digital elevation data[J].ComputerVision Graphics and Image Processing,1984,28(3):323-344.

The Research and Application of River Coding Rules for Environment System with the Study of the Yellow River Basin

J IANG Sheng,L IXu-wen,ZHANG Yong,N IU Zhi-chun,HUANG Zhen,J IN Yan
(Jiangsu Provincial EnvironmentalMonitoring Center,Nanjing,Jiangsu 210036,China)

An application reaserch of River Coding Rules for Environment System was carried outwith the geographic information data by usingArcGIS,SQL Server,and other professional softwares.Though taken the Yellow River as the study area,a scientific and feasible River Coding rules had been proposed,and the test results had shown that themethodwas quite valuable in the application and promotion.Furthermore,it also had a positive meaning for the environmentalmonitoring and forewarning.

river coding rules;environment system;Yellow River basin

X32

B

1674-6732(2011)-01-0025-05

10.3969/j.issn.1674-6732.2011.01.008

2010-08-09

“國控污染源項目”信息類技術規(guī)范項目。

姜晟 (1983—),男,助理工程師,碩士,從事環(huán)境監(jiān)測與信息工作。