胡曉婷

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127)

1 從DEM提取流域水文特征簡介

數(shù)字高程模型(DEM)是目前用于流域分析的主要數(shù)據(jù)，由于DEM數(shù)據(jù)能夠反映一定分辨率的局部地形特征，因此通過DEM可提取大量的地表形態(tài)信息，這些信息包含流域網(wǎng)格單元的坡度、坡向以及單元格之間的關(guān)系等。同時根據(jù)一定的算法可以確定地表水流路徑、河流網(wǎng)絡(luò)和流域的邊界。因此從DEM提取流域特征，一個良好的流域結(jié)構(gòu)模式是設(shè)計算法的前提和關(guān)鍵。Horton、Strahler和Shreve等都對流域的結(jié)構(gòu)提出了自己的見解，1967年Shreve描述的“具有一個根的樹狀結(jié)構(gòu)流域”結(jié)構(gòu)模式較為普遍(如圖1所示)。

圖1 Shreve流域結(jié)構(gòu)模式圖

基于DEM流域河網(wǎng)水系的提取方法很多，概括起來，主要有兩種基本的方法從DEM提取水系。第一種方法是用1個矩形窗口掃描DEM矩陣來確定洼地，位于洼地內(nèi)的柵格單元標記為水系的組成部分。這種方法最嚴重的缺陷在于生成的水系不連續(xù)，特別對于地形起伏較小或地形復(fù)雜處，上述缺陷更為突出。另一種方法是o’CallaghanMark(1984)提出的坡面流模擬方法，模擬地表徑流在地表的流動來產(chǎn)生水系。該算法依據(jù)水總是沿斜坡最陡方向流動的原理，確定DEM中每一個柵格單元的水流方向;然后根據(jù)柵格單元的水流方向計算每一個柵格單元的上游給水區(qū)，再選擇合適的水道給養(yǎng)面積閡值來確定河網(wǎng)。該方法提出從DEM數(shù)據(jù)提取流域信息可分為以下3個基本流程。

(1)填洼和計算流向矩陣(洼地指一個柵格的高程比周圍的8個柵格的高程都低)。

(2)計算匯流矩陣。

(3)確定極限面積(臨界面積)，匯流矩陣中超出此面積的柵格相連就得到流網(wǎng)。

該方法簡單易行，可直接生成相互連接的河網(wǎng)。由于它依據(jù)水文學匯流概念判別水流路徑，因此，被認為是一種較好的方法。

2 ArcGIS平臺下基于DEM的流域水文特征提取方法

從DEM中提取流域特征，關(guān)鍵是分水線網(wǎng)絡(luò)的確定。基于徑流漫流模型，通過模擬地表徑流的流動來產(chǎn)生水系，進而確定分水線，劃分出流域，該方法簡單，直接產(chǎn)生連續(xù)的流線段。由于它模擬地表徑流有一定的模型基礎(chǔ)，因此被認為是較好的方法。本文主要基于這種方法闡述具體的步驟。圖2簡要說明從DEM中提取水文信息的步驟。

圖2 ArcGISk中水文分析流程圖

2.1 DEM 預(yù)處理

2.1.1 填洼與削峰

從DEM提取流域界線，首先要對地形中的洼地(Sink)和尖峰(Pink)進行處理。洼地和尖峰的存在使得在計算水流方向時會出現(xiàn)水流逆流的情況，給水流線的跟蹤和流域界線的確定帶來困難。處理時采用ARC模塊下的FILL命令來填洼和削峰。該過程由計算機掃描DEM矩陣來確定洼地和尖峰單元格。洼地單元格指相鄰8個單元格高程都不低于本單元格高程的單元格;尖峰單元格指相鄰8個單元格高程都不高于本單元格高程的單元格，當遇到洼地和尖峰單元格時就用最臨近單元格的值來替代，如圖3所示。

圖3 填洼和削峰過程示意圖

2.1.2 平坦格網(wǎng)單元的處理

基于DEM自動提取流域的特征，一個必須處理的問題就是對平坦區(qū)域的處理，DEM中平坦區(qū)域包括DEM本身存在的平坦區(qū)域和洼地填平后形成的平坦區(qū)域。利用DS算法，在平坦區(qū)域內(nèi)部無法產(chǎn)生，而是通過連接平地兩端邊緣的水流匯流柵格點生成與實際不符的平直河道。由于平坦區(qū)域河流流動的隨機性大，自然水系一般是彎彎曲曲的呈不規(guī)則形狀，這就意味著有些柵格點的水流流向是多流向的，而ArcHydroTools使用的DS算法是單流向的算法，對于平坦區(qū)域就無法處理。對于這種情況，較常見的一種處理方法是采用高程增量迭加算法來設(shè)定流向，即通過平坦柵格單元數(shù)字高程的微調(diào)(增高)產(chǎn)生整個研究區(qū)域內(nèi)合理的匯流水系，這種處理方法避免了任意設(shè)置排水路徑的弊端。

2.2 水系的提取

水系提取的基本過程分為以下4步:①計算DEM中每1個柵格單元的水流方向;②計算每1個柵格單元上游集水面積;③河流柵格網(wǎng)絡(luò)的生成;④水系的生成。

2.2.1 計算柵格單元的水流方向

地表徑流在流域空間內(nèi)總是從地勢高處向地勢低處流動，最后經(jīng)流域出口排出流域。為了準確地劃定流域界線，首先要確定水流在每個柵格單元格內(nèi)的流動方向。采用ARCGRID模塊中的FLOWDIRECnON函數(shù)來確定水流方向。柵格單元格的水流方向是指水流流出該單元格的方向。對于空間內(nèi)某一柵格單元格，與其相鄰的共有8個單元格(水平、垂直和對角線)。FLOwDIREC皿ON賦予每個單元格1位1一255的整數(shù)值來表示水流方向。從中心單元格開始，周圍相鄰8個單元格的水流方向如下圖所示。其中1代表東;2代表東南;4代表南;8代表西南;16代表西;32代表西北;64代表北;128代表東北。除上述數(shù)值之外的其他值代表流向不確定。這主要由DEM中“洼地”和“平地”現(xiàn)象造成的，平地”指8個單元格具有相同的高程，與測量精度、DEM單元格的尺寸和研究區(qū)的地形有關(guān)。如果某一單元格的值低于其周圍8個單元格的值，F(xiàn)LOWDIRECTION函數(shù)則用8個單元格中的最小值來代替。流向分析過程圖4所示。

圖4 水流方向及流向分析示意圖

2.2.2 流向累積

根據(jù)無坑洼DEM水流方向柵格圖層，應(yīng)用水文分析庫(Hydrofogy)下的流向累積(凡 owAccumula－tion)命令進行流向累積柵格的計算。此功能的原理是假想在集水區(qū)的每一網(wǎng)格上降下一單位的水量，而后按網(wǎng)格的流向來向下移動，其移動經(jīng)過的網(wǎng)格則使其累積流量值提升1個單位。因此，每一網(wǎng)格皆可計算出其所累積的上游流量值，由于投人每一網(wǎng)格的水量皆為一單位，故流量累積值亦代表各網(wǎng)格的上游集流網(wǎng)格數(shù)量，將之乘上網(wǎng)格面積便可得到每一網(wǎng)點的上游集水面積。

2.2.3 河網(wǎng)的提取

對流向累積柵格設(shè)置閡值并進行水流網(wǎng)絡(luò)的提取。應(yīng)用水文分析庫(Hydrofogy)下的定義河系(StreamDefi耐on)命令對流向累積柵格設(shè)置集流闌值。集流闌值(threshold。fflowaeeumulation)為河系網(wǎng)絡(luò)提取的關(guān)鍵因子，利用所訂定的累積流量值(或稱為集水面積)作為河道認定的門檻標準。初始進行分析時，可選擇自小至大的幾個集流闌值，以便觀察最適河系提取集流闌值的坐落范圍。

2.2.4 河系提取

以設(shè)定的集流闌值為標準，利用流徑處理(DrainagehneProeessing)命令自流量累積值網(wǎng)格圖層中提取河系網(wǎng)格圖層，凡是累積流量大于等于集流闌值的網(wǎng)格即被定義為河道。

2.2.5 子流域的提取

利用集水區(qū)柵格描繪(CatehmentsGridDelin－eation)、集水區(qū)矢量化(CatehmentsPoly邵nvroeess－ing)命令進行子流域劃分。ArcGIs是根據(jù)水流網(wǎng)絡(luò)上每條流徑的分叉和水流方向決定子流域邊界。每一條子流域上只有一條流徑，同時該子流域內(nèi)的所有柵格都應(yīng)指向流徑。

3 基于GIS的中國流域研究

3.1 中國一級流域及子流域的生成

為了從數(shù)字高程數(shù)據(jù)中自動提取全國流域，以提高基于GIS的全國水資源信息獲取的效率，首先利用上述方法生成河網(wǎng)，即對DEM數(shù)據(jù)進行填洼和削峰，然后確定每個柵格單元的水流方向，再根據(jù)各柵格單元的水流方向，計算出每個柵格單元的匯流能力，根據(jù)匯流能力采用閾值法確定河流網(wǎng)絡(luò)，最后通過河流網(wǎng)絡(luò)和流域出水口，快速識別出所有子流域。在提取子流域時，利用1:25萬DEM數(shù)據(jù)，首先將全國流域劃分為14大流域片，并在每一流域片內(nèi)分別提取流域。過程如圖5:

圖5 基于DEM的中國流域提取操作流程

3.2 GIS在中國流域研究中的應(yīng)用

3.2.1 流域地質(zhì)環(huán)境與工程研究

流域地質(zhì)環(huán)境研究中，主要有GIS對流域地質(zhì)環(huán)境評價、下墊面類型劃分、礦床時間譜系及礦產(chǎn)資源潛力的確定、地貌演化定量、地貌形態(tài)分形及盒維數(shù)測定，以及對冰川地貌和現(xiàn)代冰川湖泊變化的監(jiān)測等。GIS在流域工程領(lǐng)域主要應(yīng)用在巖土工程、水電梯級開發(fā)工程、水利工程、水電站工程建設(shè)、林業(yè)保護工程、山區(qū)道路工程、防洪抗災(zāi)工程，以及對流域壩系規(guī)劃、防洪堤規(guī)劃系統(tǒng)的支撐。

3.2.2 流域水資源及土壤資源研究

水資源開發(fā)及利用方面，GIS可以確定資源開發(fā)潛力影響因素，評價水資源可持續(xù)利用，構(gòu)建水資源及水循環(huán)信息系統(tǒng)、安全預(yù)警系統(tǒng)、分布式水資源模擬等，以及構(gòu)建水資源動態(tài)平衡模型、空間分布模型、流域水質(zhì)模型。同時，河流、水系及水文方面，GIS可用于提取水系信息、水系分維及分形、水面監(jiān)控、水源保護區(qū)劃等，并且可以進行水文特征及變化分析、水文生態(tài)景觀和分布式水文模型構(gòu)建(包括月水量平衡模型、非線性水文模型、水文過程模擬等)、水文信息系統(tǒng)的構(gòu)建(如水文水環(huán)境信息系統(tǒng)、水情會商系統(tǒng)和水文情報預(yù)報系統(tǒng))，還有對湖面變化信息提取、水文氣象要素時空變異性、雨量等值線自動繪制技術(shù)等。另外，還可以進行流域地下水及其環(huán)境分析和地下水資源信息系統(tǒng)構(gòu)建。土壤資源方面，GIS用于土壤肥力評價方法體系構(gòu)建及綜合評價，土壤肥力的流失分析、遷移過程模擬及預(yù)測;土壤水分補給量、時空變化模擬，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)土壤水分模型等;土壤侵蝕量及侵蝕強度估算、土壤侵蝕評價、空間分析及模擬、土壤侵蝕變化定量遙感監(jiān)測、分布式斜坡穩(wěn)定性定量評估模型等。

3.2.3 流域災(zāi)害與污染研究

流域災(zāi)害研究以洪水災(zāi)害研究為主，還包括泥石流、滑坡等，可利用GIS地貌瞬時單位過程線估算河網(wǎng)密度、設(shè)計洪水路徑，構(gòu)建流域洪水模擬模型、洪水災(zāi)害風險區(qū)劃及評價等;構(gòu)建洪水信息系統(tǒng)，包括洪水淹沒計算分析系統(tǒng)、遙感洪水監(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng)、洪澇災(zāi)害評估系統(tǒng)、淹沒區(qū)確定方法及虛擬現(xiàn)實表達、水利防災(zāi)信息系統(tǒng)、洪水風險圖系統(tǒng)等，還可進行防洪調(diào)度管理，如洪水風險圖信息管理系統(tǒng)設(shè)計、三維防洪調(diào)度管理信息系統(tǒng)等。泥石流災(zāi)害主要局限于危險性評價，滑坡災(zāi)害則包括滑坡災(zāi)害空間區(qū)劃、危險性分析及區(qū)劃等。GIS還應(yīng)用于流域農(nóng)業(yè)非點源污染、地表水面源及徑流污染、水污染(包括地下水)防治、管理及污染信息管理系統(tǒng)構(gòu)建。農(nóng)業(yè)非點源污染包括農(nóng)業(yè)非點源污染信息數(shù)據(jù)庫建立、氮磷負荷估算、模擬、控制區(qū)劃、風險評估及風險區(qū)識別等。地表水面源及徑流污染包括水庫和地表水面源污染負荷、水質(zhì)污染監(jiān)測、徑流污染物量化及污染追蹤等。另外還用于地下水污染動態(tài)及風險評價、水污染防治規(guī)劃、水污染區(qū)劃及信息管理系統(tǒng)構(gòu)建，如構(gòu)建水污染管理及控制決策支持系統(tǒng)、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。

3.2.4 流域生態(tài)環(huán)境與景觀研究

運用GIS進行流域生態(tài)需水計算、表生生態(tài)環(huán)境與生態(tài)敏感(脆弱)性評價及區(qū)劃、生態(tài)系統(tǒng)健康評價、生態(tài)資產(chǎn)評估與生態(tài)安全空間分異及可視化等，另有環(huán)境生態(tài)數(shù)據(jù)庫建立、資源環(huán)境空間要素分析、生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)、流域環(huán)境管理等。水環(huán)境包括水環(huán)境功能區(qū)劃和水環(huán)境信息系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計，如水環(huán)境多源監(jiān)測信息集成系統(tǒng)、綜合治理決策支持系統(tǒng)等。植被環(huán)境方面包括流域植被退化及恢復(fù)分區(qū)、水源涵養(yǎng)功能評價和封育植被景觀鑲嵌結(jié)構(gòu)等。GIS還應(yīng)用于流域景觀空間格局及動態(tài)變化、景觀生態(tài)規(guī)劃、林型結(jié)構(gòu)與森林涵養(yǎng)水源關(guān)系和流域地理景觀三維可視化。

3.2.5 流域徑流與水土保持研究

GIS主要應(yīng)用于不同流域徑流類型的描述和徑流量的測度，其中徑流類型包括降水徑流要素變化、分布式降雨徑流模型的結(jié)構(gòu)、融雪變化分析及徑流模型、徑流地表蒸散發(fā)等。徑流量測度包括流域徑流量和產(chǎn)沙量測度、徑流的化學組成計算機模擬、地表徑流模擬和降雨徑流預(yù)報方法等。在流域水土保持中，GIS主要用于流域侵蝕、水土流失和水土保持。流域侵蝕主要是對侵蝕類型的劃分與測度，包括強降雨、融雪、重力、農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營的侵蝕和水蝕;水土流失研究應(yīng)用于水土流失區(qū)遙感動態(tài)監(jiān)測及泥沙輸移、水土流失治理經(jīng)濟效益等;水土保持研究主要應(yīng)用在水土保持規(guī)劃、水土保持效益和水土保持信息系統(tǒng)方面。

3.2.6 流域土地利用與經(jīng)濟社會研究

近年來，GIS越來越多地應(yīng)用于流域規(guī)劃(如流域總體規(guī)劃、治理規(guī)劃、流域功能分區(qū)等)、流域人口(人口信息提取、人口動態(tài)變化、移民搬遷地等)、流域產(chǎn)業(yè)和城市化(產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換能力空間分異、節(jié)水農(nóng)業(yè)作物布局調(diào)整、林業(yè)生產(chǎn)力空間格局與分異、漁業(yè)資源管理系統(tǒng)和流域城鄉(xiāng)空間演變綜合研究等);另外，數(shù)字流域是GIS在流域中的綜合運用，囊括了自然、經(jīng)濟、社會、生態(tài)、環(huán)境等信息，主要有數(shù)字流域GIS平臺設(shè)計、流域數(shù)字劃分、數(shù)字產(chǎn)匯流技術(shù)、河網(wǎng)分形、數(shù)字流域飛行模擬和虛擬現(xiàn)實等。

除以上內(nèi)容外，GIS還應(yīng)用于流域瘧疾、血吸蟲病等流行病預(yù)測模型構(gòu)建、作物生產(chǎn)潛力及產(chǎn)量模擬、航運網(wǎng)絡(luò)信息化和考古信息系統(tǒng)研建中。

4 總結(jié)

GIS環(huán)境下基于DEM的流域特征自動提取避免了編寫程序代碼的復(fù)雜過程，節(jié)省了大量的人力、物力。從提取效率和數(shù)據(jù)精度兩個方面來看都是切實可行的。目前利用DEM提取流域特征的技術(shù)正在不斷的發(fā)展和完善中，未來利用DEM提取流域特征的精度定會有進一步的提高。在應(yīng)用方面，今后會結(jié)合流域特征，實現(xiàn)應(yīng)用模型的區(qū)域化;加強生態(tài)研究和社會性研究;遵循流域系統(tǒng)性，其阿強流域綜合性研究;另外，注重技術(shù)交互，開拓只能GIS在流域中的應(yīng)用也是未來GIS流域研究的方向。

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