張力,朱思蓉,曹曦,甘拯
(長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司,湖北武漢 430013)
近幾年,GIS技術(shù)和空間信息技術(shù)在數(shù)據(jù)處理、空間分析及可視化方面的應(yīng)用為水文分析、水資源管理方面提供了有效的解決方法和科學(xué)的手段。目前,水資源模型的研究重點(diǎn)已從單純的函數(shù)模擬統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)到與成熟的GIS軟件相結(jié)合的具備空間分析能力的水文地理數(shù)據(jù)模型,其中基于DEM提取流域水文信息技術(shù)是這種研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。
城市區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)及森林、交通道路、流域規(guī)劃管理及工程設(shè)計(jì)等許多領(lǐng)域,需要了解所涉區(qū)域內(nèi)的真實(shí)地形,進(jìn)行水文分析研究地表水體在區(qū)域的空間分布及不同時(shí)間流經(jīng)的狀態(tài),以便于規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中各種工程的合理布置、管理工作中高效便捷規(guī)則的制定運(yùn)作。在基礎(chǔ)地形圖缺乏的情況下,GIS可以利用表示地形地表的數(shù)字高程模型(DEM)來(lái)提取水系和劃分水系子流域,作為支持水文模擬分析的重要工具。
目前,與GIS結(jié)合的水文地理數(shù)據(jù)模型研究有很多,如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和環(huán)境保護(hù)局(USGS and EPA)開發(fā)的美國(guó)水文地理數(shù)據(jù)模型,美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)(U.S.Army Corps of Engineers)水文工程中心開展的水文水力學(xué)GIS工具的建模方法研究,丹麥水利研究院(DHI)的水與環(huán)境部開發(fā)的地理空間水文模擬模型MIKE BASIN,美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所(Esri)和美國(guó)得克薩斯州奧斯汀大學(xué)水資源研究中心(CRWR)研發(fā)的應(yīng)用于水資源流域的數(shù)據(jù)模型 Arc Hydro等。其中,MIKE BASIN與Arc Hydro兩種模型都有基于ArcGIS軟件的擴(kuò)展模塊工具為水文分析提供支持。
Arc Hydro是ArcGIS中用于水資源地理空間和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)描述的模型,擁有一套由Esri和CRWR共同搭建的工具集,該工具將要素屬性存儲(chǔ)于Geodatabase數(shù)據(jù)框架中,關(guān)聯(lián)到不同的空間數(shù)據(jù)圖層中的要素,通過(guò)和獨(dú)立的水文水力學(xué)模型間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)水文模擬模型的支持。
該模型關(guān)注描述自然地表水水文和水文地理方面的內(nèi)容,主要應(yīng)用地理基礎(chǔ)資料輔助分析地表水流從哪里產(chǎn)生以及要流向何處,再現(xiàn)水流的流動(dòng)過(guò)程,以獲取更多的水文信息,從而達(dá)到輔助水系統(tǒng)和水資源管理的水文分析工作,但是Arc Hydro并沒有為水的管道系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)提供具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
Arc Hydro工具集主要包括地形預(yù)處理(Terrain Preprocessing),地形形態(tài)初步分析(Terrain Morphology),流域處理(Watershed Processing),屬性讀寫(Attributes Tools)和網(wǎng)絡(luò)分析(Network Tools)等工具,可以在對(duì)DEM進(jìn)行平滑和填洼處理后,實(shí)現(xiàn)水流的地表模擬過(guò)程中的水流方向確定、匯流累積量及河流長(zhǎng)度的計(jì)算、河網(wǎng)生成以及流域自動(dòng)劃分等功能,通過(guò)這些工具提取和分析水文因子,在DEM表面再現(xiàn)水流的流動(dòng)過(guò)程。
本文結(jié)合尼加拉瓜某工程項(xiàng)目實(shí)例,采用Arc Hydro從DEM中提取河網(wǎng)、并計(jì)算河流某點(diǎn)所控制的流域面積作為水文分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),同時(shí)介紹實(shí)際使用的一些經(jīng)驗(yàn)。
尼加拉瓜是中美洲的一個(gè)瀕臨太平洋與大西洋的國(guó)家,地跨中美地峽。尼加拉瓜某工程項(xiàng)目實(shí)施前期需要掌握工程范圍內(nèi)基本的水文地理情況,為進(jìn)一步深入的水資源狀況分析及設(shè)計(jì)工作做準(zhǔn)備。由于缺乏當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)地形資料,采用Arc Hydro作為提取河網(wǎng)和計(jì)算河網(wǎng)上某點(diǎn)控制的流域面積的工具。
在測(cè)繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)資料不全的前提下,DEM數(shù)據(jù)源可以采用SRTM DEM數(shù)據(jù)。SRTM(shuttle radar topography mission)由美國(guó)航空航天局(NASA)、美國(guó)國(guó)家圖像測(cè)繪局(NIMA)以及德國(guó)與意大利航天機(jī)構(gòu)共同合作完成,2000年2月,通過(guò)裝載于“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)的干涉成像雷達(dá)數(shù)天的全球作業(yè),得到全球表面近80%面積的三維雷達(dá)數(shù)據(jù),然后對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,生成精度較高的數(shù)字高程模型。在SRTM的官方網(wǎng)站上可以免費(fèi)下載到90 m分辨率的高程數(shù)據(jù)。
本例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源DEM采用由NASA提供的SRTM數(shù)據(jù),空間分辨率為 90 m,平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用NAD_1927_UTM_Zone_16N,水準(zhǔn)面為 D_North_American_1927,研究區(qū)域范圍跨越北緯 09°45'~ 13°45',西經(jīng)83°15'~88°00'。
DEM是比較光滑的地形表面的模擬,但是由于內(nèi)插以及一些真實(shí)地形(如喀斯特地貌)的存在,使得DEM表面存在一些凹陷的區(qū)域。這些區(qū)域由于低高程?hào)鸥竦拇嬖?,使得?jì)算水流方向時(shí)得到錯(cuò)誤的方向。假洼地導(dǎo)致在河網(wǎng)生成過(guò)程中可能會(huì)造成不合理的中斷,降低了生成河網(wǎng)的準(zhǔn)確性。所以應(yīng)該在河網(wǎng)提取前對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼和平地抬升處理以生成無(wú)洼DEM。
Arc Hydro的地形預(yù)處理工具中有專門針對(duì)DEM錯(cuò)誤評(píng)估的功能,包括洼地預(yù)篩選(Sink Prescreening)、洼地/塌陷評(píng)價(jià)(Sink Evaluation,Depression Evaluation)和洼地選擇(Sink Selection),通過(guò)上述系列操作選擇出可能的洼地,然后利用填洼(Fill Sinks)來(lái)得到無(wú)洼的DEM。
篩選和填充洼地的算法思想是通過(guò)水流方向來(lái)判斷哪些地方是洼地,如果某一柵格單元的高程低于周圍柵格單元的高程,則增加該柵格單元的高程,直到水流可以流到相鄰單元。
Arc Hydro的地形預(yù)處理工具中的計(jì)算水流方向(Flow Direction)可以通過(guò)計(jì)算每個(gè)柵格單元水流的方向,最終得到整個(gè)關(guān)注的范圍中水流方向的柵格文件。
水流方向是指水流離開每個(gè)柵格單元時(shí)的指向。Arc Hydro模型中利用D8算法,即最大距離權(quán)落差或最大坡降法,來(lái)計(jì)算每個(gè)柵格與鄰接?xùn)鸥竦淖畲缶嚯x權(quán)落差來(lái)確定最陡方向,計(jì)算出來(lái)的最陡方向即為水流方向,距離權(quán)落差是指中心柵格與領(lǐng)域柵格的高程差除以兩柵格間的距離,如圖1所示。
圖1 D8算法原理
Arc Hydro的地形預(yù)處理工具中的計(jì)算匯流累積量(Flow Accumulation)基于水流方向進(jìn)行,每一格網(wǎng)的匯流數(shù)據(jù)是按上游水流方向流經(jīng)此格網(wǎng)的所有格網(wǎng)數(shù)之和,匯流累積的數(shù)值越大,該區(qū)域越易形成河流,如圖2所示。
圖2 計(jì)算匯流累積量原理
河道中有一定的水量才能叫河流,匯流累積量的結(jié)果包括了有水而稱不上是河流的水流。所以,當(dāng)匯流累積量大于一定的流量(積水面積閾值)即可提取河網(wǎng)。
提取河網(wǎng)(Stream Definition)功能中設(shè)置的默認(rèn)閾值是最大匯流累積量的1%,更小的閾值會(huì)提取到更密集的河網(wǎng)、更多的集水區(qū)(Catchment),需要更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。
河流分段(Stream Segmentation)結(jié)合提取的河網(wǎng)和水流方向按上下游對(duì)每個(gè)河段進(jìn)行編號(hào),分為源頭和中間河段,得到河段的柵格數(shù)據(jù),每個(gè)河段中的柵格值代表其所屬河段。
如果在實(shí)際工程中可以收集到實(shí)際湖泊、河流或者已經(jīng)確定的較大的流域邊界,可以利用Arc Hydro的地形預(yù)處理工具集中專門針對(duì)DEM操作(DEM Manipulation)的一系列功能將真實(shí)水系融入DEM信息中。DEM抬升DEM(Level DEM)工具給湖泊面覆蓋的DEM柵格單元相應(yīng)的高程值進(jìn)行抬高,分配并賦予DEM河流坡度(Assign Stream Slope/Burn Stream Slope)計(jì)算輸入河段起點(diǎn)與終點(diǎn)的相對(duì)高程,并根據(jù)河段的坡度值給河段覆蓋的DEM柵格單元重新賦值,DEM重建(DEM Reconditioning)則是利用已有河流線和河流面及指定的緩沖區(qū)重構(gòu)河流經(jīng)過(guò)的柵格單元高程值。筑墻(Build Walls)將已有的內(nèi)外邊界信息加高。利用已有的水系及流域信息對(duì)DEM進(jìn)行處理,可以加強(qiáng)DEM中的真實(shí)河網(wǎng)信息,以保證河流計(jì)算的準(zhǔn)確性,這一步有利于生成的河網(wǎng)、劃分的集水區(qū)(流域及子流域)更加真實(shí)準(zhǔn)確。
基于水流方向和河網(wǎng)分段,集水區(qū)柵格提取(Catchment Grid Delineation)和集水區(qū)多邊形處理(Catchment Polygon Processing)功能可以劃分水系的集水區(qū),每一個(gè)河段對(duì)應(yīng)一個(gè)集水區(qū),其屬性信息中會(huì)自動(dòng)生成流域周長(zhǎng)和面積,集水區(qū)的多少與提取河網(wǎng)時(shí)的閾值相關(guān)。
在缺乏實(shí)測(cè)地形資料的情況下,以上自動(dòng)提取功能可以給水文學(xué)家提供水文分析可利用的數(shù)據(jù)。在有基礎(chǔ)地形資料的情況下,也可以大大節(jié)省水文學(xué)家從等高線上手動(dòng)提取流域信息的時(shí)間。但因?yàn)閰R流模式非常復(fù)雜,且DEM只是近似地表地形的模型,自動(dòng)劃分的集水區(qū)邊界有時(shí)可能需要手動(dòng)編輯和修改,特別是在地形平坦地區(qū),有許多人工渠道而非自然河流時(shí),手動(dòng)進(jìn)行修正也是必要可行的手段。
在實(shí)際工程中,有時(shí)并不需要所有集水區(qū)的劃分與分布,而更加關(guān)心河網(wǎng)上某點(diǎn)所控制的流域面積的范圍及大小,比如已有或規(guī)劃中的水文站、水庫(kù)、水電站和河道斷面,用于作水文分析計(jì)算的條件。
基于水流方向和河網(wǎng)數(shù)據(jù),標(biāo)注河網(wǎng)上關(guān)注點(diǎn)的正確位置并設(shè)置為出水口,采用Arc Hydro的流域處理工具中的批量提取子流域(Batch Subwatershed Delineation)可獲取所標(biāo)注出水點(diǎn)所控制的上游流域面積。計(jì)算思想是結(jié)合水流方向的數(shù)據(jù),分析搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過(guò)該點(diǎn)的柵格,即確定了該點(diǎn)所控制流域的邊界位置。
因?yàn)樽詣?dòng)提取的河網(wǎng)并非真實(shí)的水系,所以在標(biāo)注關(guān)注點(diǎn)時(shí),需要一些關(guān)注點(diǎn)的已知資料來(lái)做支撐,比如周邊的水系分布、所在干流或支流的名稱,根據(jù)這些已知資料與提取的河網(wǎng)對(duì)比來(lái)判斷標(biāo)注出水口的位置。
圖3 得出河網(wǎng)的流域邊界及面積
在流域規(guī)劃項(xiàng)目和水利樞紐設(shè)計(jì)工程中,都需要水文分析計(jì)算工作提供各種水文情勢(shì)數(shù)據(jù),來(lái)合理地確定工程措施的位置及規(guī)模,在基礎(chǔ)資料不是很全面的情況下,基于DEM提取流域水文信息的方法可以為水文分析工作提供重要的支持,為水利工程和水資源管理工作帶來(lái)便利的基礎(chǔ)信息,提高工作效率,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。
Arc Hydro除了基于DEM提取水文信息的功能之外,提供的地理空間數(shù)據(jù)模型可以輕松地表示和維護(hù)水文、水利對(duì)象之間的空間關(guān)系,可進(jìn)行河網(wǎng)的追蹤分析,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增量更新,已經(jīng)被應(yīng)用于全國(guó)水利普查數(shù)據(jù)建庫(kù)。在本文中被用于工程設(shè)計(jì)前期的水文分析工作,隨著越來(lái)越多的水文學(xué)家對(duì)于GIS技術(shù)和Arc Hydro數(shù)據(jù)模型的理解,越來(lái)越多的GIS專業(yè)人員對(duì)于水文分析工作的熟悉,Arc Hydro可以滿足更多水利行業(yè)的需求,也可以開發(fā)定制特殊的應(yīng)用。
[1]顧用紅,舒振文,張火青.DEM在流域水文特征分析中的應(yīng)用[N].PEARL RIVER人民珠江,2001(4).
[2] 楊勇,徐愷等.SRTM DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)方法及影響因素研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2010(1).
[3]湯國(guó)安,楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程(第二版)[M].北京:科學(xué)出版社,2012.
[4]David R.Maidment.水利GIS-水資源地理信息系統(tǒng)(第二版)[J].北京:中國(guó)水利水電出版社,2013.
[5]甘郝新,呂能輝等.ArcHydro水文地理數(shù)據(jù)模型及其應(yīng)用[N].人民珠江,2011(2).