栗 業(yè)，周汝良,2，蘆 珊

（1.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南生物多樣性研究院，云南 昆明 650224）

DEM[1,2]中含有大量的地理信息，其中水文信息是非常重要的一方面。水文信息主要包括水流方向、匯流累積量、水流長(zhǎng)度、河流網(wǎng)絡(luò)和流域等自然界中水的時(shí)空分布、變化規(guī)律等信息。目前，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者在利用DEM提取水文信息方面有著廣泛而深入的研究，并已取得了一些成果[3-5]。利用有效的工具快速提取流域水文信息已成為水文地理應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文以香格里拉縣分辨率為30 m的DEM為研究數(shù)據(jù)，使用ArcGIS10中的ArcHydro模型工具進(jìn)行河網(wǎng)、流域、排水點(diǎn)水文信息的自動(dòng)提取。最后將提取結(jié)果與香格里拉縣分辨率為5 m的SPOT5影像和現(xiàn)有水文數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷提取精度。

1 ArcHydro模型

ArcHydro模型是由ESRI 公司和美國(guó)得克薩斯州奧斯汀大學(xué)水資源研究中心（CRWR）聯(lián)合開發(fā)的水文地理數(shù)據(jù)模型。它是一個(gè)開放式、基于COM類的、可擴(kuò)展的用于水資源領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型。該模型在提取水文信息、可視化顯示等方面功能強(qiáng)大，且操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便。ArcHydro由水文數(shù)據(jù)模型（ArcHydro Data Model）和水文工具集（ArcHydro Tools）2部分組成。ArcHydro Tools是對(duì)ArcHydro Data Model實(shí)例化的工具集，二者互相依存共同為ArcGIS在水文方面的應(yīng)用分析提供基礎(chǔ)支持[6,7]。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

香格里拉縣地處橫斷山脈腹地，是西南橫斷山區(qū)的典型研究區(qū)域，縣內(nèi)雪山林立、江河縱橫、草原遍布、湖泊眾多。境內(nèi)最高點(diǎn)是巴拉更宗雪山，海拔5 545 m，最低點(diǎn)是三江口，海拔1 503 m，相對(duì)高差4 042 m。境內(nèi)河流屬金沙江水系，金沙江由德欽縣奔子欄與四川省得榮縣之間入境，流經(jīng)尼西鄉(xiāng)、五境鄉(xiāng)、上江鄉(xiāng)、金江鎮(zhèn)，在金江鎮(zhèn)撤蘇碧與玉龍縣石鼓鎮(zhèn)之間折向東北，經(jīng)虎跳峽鎮(zhèn)、三壩鄉(xiāng)，在洛吉鄉(xiāng)的吉函出境，平均流量1 420 m3/s。除金沙江干流外，境內(nèi)多年平均流量在3.7～43.7 m3/s的一級(jí)支流有碩多崗河、岡曲河、東旺河、尼汝河、吉仁河、浪都河、興隆河、安南河、良美河、湯滿河、安東河、白水河、麥地河等，流域面積8 065.9 km2，分別在不同河段注入金沙江。對(duì)該地區(qū)水文信息的提取研究對(duì)今后西南地區(qū)的水文分析和水利工程建設(shè)有重要意義。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

香格里拉地區(qū)2009年的DEM：數(shù)據(jù)類型IMG，投影UTM/WGS84，空間分辨率30 m，值域范圍-152～8 806 m（地理空間數(shù)據(jù)云）。

分辨率為5 m的法國(guó)SPOT5衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)；云南省水系圖（云南省環(huán)境科學(xué)研究院提供）。處理后的縣域數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 處理后的香格里拉縣DEM、 spot5影像和水系圖

3 水文信息提取過程

3.1 DEM填洼處理

洼地的存在使得地表徑流無法確定該點(diǎn)的水流方向，具體填洼過程如下：①掃描出DEM數(shù)據(jù)中所有洼地和平坦區(qū)域，對(duì)洼地設(shè)置增量，將高程填補(bǔ)為一個(gè)洼地周圍8鄰域中最小的一個(gè)，使洼地變?yōu)槠教沟貐^(qū)再進(jìn)行處理，這個(gè)增量必須小于高程值的分辨率。②將平坦區(qū)域的中心點(diǎn)提升至8鄰域中最小值并加上增量，使中心點(diǎn)水流能流出。③將平坦地區(qū)的其他網(wǎng)格抬升至中心點(diǎn)加上增加量的疊加值。不斷重復(fù)填洼過程，直至所有洼地填充完畢。填洼的目的是保證提取河網(wǎng)的連續(xù)性，減免河網(wǎng)的斷裂，為后續(xù)的水文信息提取生成具有“水文意義”的DEM。ArcHydro Tool中使用Fill Sink來實(shí)現(xiàn)洼地的填充。

3.2 計(jì)算流向

流向決定了地表徑流的方向和柵格匯水量的分配。ArcHydro水文數(shù)據(jù)模型采樣D8法確定水流方向，D8算法假設(shè)單個(gè)柵格中的水流只能流入相鄰的8個(gè)柵格內(nèi)，在3×3的DEM上計(jì)算中心柵格與各相鄰柵格的距離權(quán)落差，即得到最大的坡降來確定水流的方向。坡降計(jì)算公式：

式中，S（i，j）為中心點(diǎn)坡降；?l為網(wǎng)格寬度；Z（i，j）為中心點(diǎn)高程；Z（i+m，j+n）為相鄰點(diǎn)高程；（i，j）為中心點(diǎn)坐標(biāo)；（i+m，j+n）為8個(gè)相鄰點(diǎn)的坐標(biāo)（m=-1，0，1；n=-1，0，1），m、n不能同時(shí)為0。

在ArcHydro Tool中使用Flow Direction生成流向圖，如圖2。圖中8種顏色分別代表流向編碼：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。

圖2 流向圖

3.3 計(jì)算匯流累積量

匯流累積量由流水方向數(shù)據(jù)計(jì)算得到，流水方向?qū)傩员鞢OUNT字段中記錄了每個(gè)流向像元值的像元數(shù)量。按水往低處流的自然規(guī)律，根據(jù)流水方向數(shù)據(jù)計(jì)算每點(diǎn)流過的水量數(shù)值，從而得到區(qū)域內(nèi)的匯流累積量。匯流累積矩陣算法過程為：①定義一個(gè)與DEM同行列的二維矩陣，并初始化矩陣值為零。②依次掃描水流方向，沿正向追蹤直到流域邊界。③沿流向單元格的上游累積網(wǎng)格增加一個(gè)單位，當(dāng)所有水流方向追蹤掃描完成后獲得匯流累積矩陣。

3.4 提取河網(wǎng)

ArcHydro模型中的Stream Definition工具是對(duì)匯流矩陣賦值計(jì)算出水流柵格，它賦予輸入柵格大于所給閾值的柵格，凡是大于等于閾值的柵格就是水流柵格。根據(jù)ArcHydro Tool的幫助文檔，一般最小河道的集水面積閾值（所占的柵格數(shù)）應(yīng)設(shè)定在匯流柵格圖最大柵格單元值的0.5%～1%之間。閾值越小，水流越密；閾值越大，水流越稀疏[8]。本文根據(jù)幫助文檔中的推薦范圍，隨機(jī)選取2 000、2 800、3 000、3 200、3 700這5個(gè)閾值提取河網(wǎng)，根據(jù)5個(gè)閾值提取出的河流總長(zhǎng)度和河流條數(shù)（提取數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1，精度見表2）構(gòu)建一元線性回歸模型（圖3、圖4）。通過模擬變化趨勢(shì)，與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，兩條變化趨勢(shì)線變化最大的拐點(diǎn)之間的值即為最佳閾值范圍，最佳閾值范圍在3 100與3 300之間。再經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定閾值為3 200。此時(shí)，河流總長(zhǎng)度精度、河流條數(shù)精度分別達(dá)到了98%和84%。

表1 各閾值與河流總長(zhǎng)度、河流條數(shù)關(guān)系表

表2 各閾值精度關(guān)系表

圖3 河流總長(zhǎng)度一元線性回歸模型

圖4 河流條數(shù)一元線性回歸模型

排水路線處理工具是將柵格的河流網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成矢量的河網(wǎng)，即河網(wǎng)的自動(dòng)矢量化。在進(jìn)行此項(xiàng)處理前需要將上述步驟保存地圖文檔，才能激活使用排水路線處理工具。在Arc Hydro Tool中使用Drainage Line Processing完成河網(wǎng)的矢量化，如圖5所示。

圖5 閾值分別為2 000、2 800、3 000、3 200、3 700的矢量化河網(wǎng)圖

3.5 劃定流域

在水文地理研究中，流域是一個(gè)極為重要的數(shù)據(jù)。自然條件相似的兩個(gè)或多個(gè)地區(qū)，一般是流域面積越大，該地區(qū)河流的水量也越豐富。

根據(jù)水流方向和水流分割生產(chǎn)流域柵格，其中水流分割工具可以唯一標(biāo)識(shí)水流分段網(wǎng)絡(luò)，每一段有主要的一部分，或者可以定義為兩段結(jié)點(diǎn)之間的部分。在流域柵格圖中，每個(gè)柵格都被賦予一個(gè)代碼，它標(biāo)志著該柵格屬于哪個(gè)流域。Catchment Polygon Processing工具能實(shí)現(xiàn)流域柵格生成矢量的流域多邊形數(shù)據(jù)，如圖6所示。

3.6 排水點(diǎn)提取

圖6 流域圖

排水點(diǎn)是指水流離開匯水區(qū)的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)是匯水區(qū)邊界上的最低點(diǎn)。通常一條河流的匯水區(qū)沒有其他的地表徑流流入且只有惟一的一個(gè)出水點(diǎn)。排水點(diǎn)處理可生成相關(guān)流域的出水口、水系點(diǎn)等。通過對(duì)排水點(diǎn)的提取處理，可以明確每個(gè)流域排水點(diǎn)的位置和各流域出水口點(diǎn)的值。在進(jìn)行排水點(diǎn)提取前，可先根據(jù)矢量河網(wǎng)和矢量流域多邊形的集水特征分類生成上游集水區(qū)要素，即建立多邊形代表上游整個(gè)集水區(qū)排入其他的進(jìn)水口。通過伴隨集水區(qū)的處理分類來加速水系點(diǎn)的確定。排水點(diǎn)由匯流累積量、流域柵格和流域矢量數(shù)據(jù)通過Drainage Point Processing工具完成。圖7中藍(lán)線為河流，黃色區(qū)域?yàn)榘殡S集水區(qū)，紅點(diǎn)為排水點(diǎn)。

圖7 排水點(diǎn)圖

4 結(jié) 語

本文在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過ArcHydro水文模型提取出香格里拉縣的河網(wǎng)、河流流域和各流域的排水點(diǎn)。從對(duì)比圖看出，在平坦地區(qū)提取的河流和實(shí)際河流偏差較大，而且有河網(wǎng)平行情況出現(xiàn)，這種現(xiàn)象不符合實(shí)際。在香格里拉縣內(nèi)的湖泊也未有效提取。由此看出，對(duì)平坦地區(qū)的水文信息提取仍是未來研究工作的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。其次，閾值的確定也至關(guān)重要，閾值的大小決定了提取河網(wǎng)的疏密程度。目前主要根據(jù)研究區(qū)域暈渲圖和等值線圖輔助判斷閾值，本文是構(gòu)建一元線性回歸模型輔助判斷最優(yōu)閾值。雖然沒有直接定量得出閾值，但大大縮小了閾值選取范圍，節(jié)約了反復(fù)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。通過提取出的全縣河網(wǎng)與高分辨率的SPOT5影像和標(biāo)準(zhǔn)水系網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比分析（如圖8），表明提取的大部分河網(wǎng)與實(shí)際情況相吻合，當(dāng)閾值為3 200時(shí)，河流總長(zhǎng)度精度、河流條數(shù)精度分別達(dá)到了98%和84%，基本能夠反映出香格里拉縣的實(shí)際水文信息。結(jié)果說明，利用ArcHydro水文模型、通過一元線性回歸分析輔助閾值選取對(duì)香格里拉縣內(nèi)的水文信息提取方法是有效的。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)河網(wǎng)與提取河網(wǎng)對(duì)比圖

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