謝小華，朱建平

（江西省水文局，江西 南昌 330002）

21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)以及GIS技術(shù)的日益成熟，可以方便取得不同分辨率的數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱 DEM）數(shù)據(jù)，DEM蘊(yùn)含有豐富的地形、地貌信息，利用一定的算法就可以從中提取河網(wǎng)水系等要素，并應(yīng)用于流域洪水預(yù)報(bào)。目前，可用于提取流域水文信息的軟件較多，如ArcGIS等，本研究將利用WMS系統(tǒng)，探討流域特征的提取技術(shù)。

1 DEM原理和方法

1.1 基本原理

從DEM提取水系是根據(jù)坡面流模擬原理，即水總是沿斜坡方向流動(dòng)的原理，從最陡坡度方向流動(dòng)。首先確定DEM中每一個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)的水流方向，計(jì)算出每一個(gè)高程數(shù)據(jù)點(diǎn)的上游集水區(qū)，結(jié)合上游集水區(qū)的高程數(shù)據(jù)，用閥值法確定屬于水系的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，最后根據(jù)水流方向數(shù)據(jù)，從水系源頭開始將整個(gè)水系追索出來，同時(shí)進(jìn)行子流域的劃分，并對(duì)子流域和河網(wǎng)進(jìn)行編碼，構(gòu)建河網(wǎng)和子流域拓?fù)潢P(guān)系[1]，提取流域特征參數(shù)。其工作流程見圖1。

1.2 DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理

受DEM空間分辨率和DEM數(shù)據(jù)生成過程中誤差的影響，DEM 中有時(shí)會(huì)在洼地（Sink）和突起（Pink），這些洼地和突起使得在計(jì)算水流方向時(shí)會(huì)出現(xiàn)水流逆流的情況，造成DEM中水流方向不正確，給水流線的跟蹤和流域界線的確定帶來困難，因此，首先要對(duì)地形中的洼地和突起進(jìn)行處理，從而保證提取流域自然水系的連續(xù)性。

圖1 DEM提取水系流程圖

1.3 水流方向計(jì)算

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(dòng)，最后經(jīng)流域出口排出流域。為了準(zhǔn)確地劃定流域界線，首先要確定水流在每個(gè)柵格單元格內(nèi)的流動(dòng)方向。一般采用傳統(tǒng)的D8算法。

D8算法的基本原理：假設(shè)單個(gè)格網(wǎng)中的水流只有8種可能的流向，分別定義為東北、東、東南、南、西南、西、西北和北，并用 128、1、2、4、8、16 、32 和 64 這 8 個(gè)有效特征碼表示，即流入與之相鄰的8個(gè)格網(wǎng)中。它用最陡坡度法來確定水流的方向，計(jì)算中心格網(wǎng)與各相鄰格網(wǎng)間的距離權(quán)落差，取距離權(quán)落差最大的格網(wǎng)為中心格網(wǎng)的流出格網(wǎng)，該方向即為中心格網(wǎng)的流向[2]。處理格網(wǎng)單元同相鄰8個(gè)格網(wǎng)單元之間的坡度按下式計(jì)算：

式中：hi—處理柵格單元高程；

hj—相鄰柵格單元高程；

D—兩個(gè)柵格單元中心之間的距離。

1.4 匯流累積量計(jì)算

匯流累積量表示區(qū)域內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)的流水累積量，一個(gè)流域的匯流累積量計(jì)算是提取河流網(wǎng)絡(luò)的前提和基礎(chǔ)，流域內(nèi)一個(gè)柵格的匯流量反映了其匯集水流能力的強(qiáng)弱程度。柵格的匯流累積量越大，表示能夠流入的柵格數(shù)目越多，其匯流能力越強(qiáng)。在每個(gè)柵格點(diǎn)流向確定的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算匯聚到每個(gè)柵格點(diǎn)上的上游水流直接或間接流向該柵格點(diǎn)的柵格數(shù)目，就確定了該柵格點(diǎn)的上游集水面積，從而建立了水流匯集數(shù)據(jù)模型。具體說明建立一個(gè)5×5柵格數(shù)據(jù)模型（見圖2），圖中數(shù)據(jù)表示格網(wǎng)單元高程值，用上述水流流向計(jì)算的方法循環(huán)處理每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)，直到每個(gè)柵格點(diǎn)的水流流向都得到確定，這樣整個(gè)柵格數(shù)據(jù)模型就建立起來了。

圖2 柵格數(shù)據(jù)模型建立示例

1.5 流域河網(wǎng)生成

以設(shè)定的集水閥值為標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)柵格的匯流累積量代表著能夠注入該柵格所有單位水量的數(shù)量，當(dāng)柵格的匯流累積量大于某一給定的閥值時(shí)，即定義為河道，其他定義為空。將各水道按有效水流方向連接產(chǎn)生流域河網(wǎng)，提取流域。

上述提取河網(wǎng)的過程在WMS系統(tǒng)中被定義為一個(gè)命令執(zhí)行。

2 WMS概述

WMS（Watershed Modeling System，流域建模系統(tǒng)）是基于GIS的專業(yè)水文模擬處理軟件，由美國Brigham Young大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室（EMRL）開發(fā)，提供水文模擬全過程的工具。包括流域、子流域的自動(dòng)生成、幾何參數(shù)的計(jì)算、水文參數(shù)（如匯流時(shí)間、流域坡度等）的計(jì)算等，并能實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化。

WMS可以使用矢量地圖、DEM、TIN等格式的數(shù)據(jù)來進(jìn)行地形分析和水文模擬。系統(tǒng)嵌入了多種傳統(tǒng)的概念性水文模型，通過多個(gè)模塊聯(lián)合，WMS可以進(jìn)行流域的降雨-徑流、水土保持效果評(píng)估、城市下水道布局、洪水預(yù)報(bào)、水庫設(shè)計(jì)等方面的研究[3]。其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）WMS是完整的一體化流域解決方案，集GIS工具、基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集工具、地形數(shù)據(jù)輸入與編輯工具、自動(dòng)描繪集水區(qū)、水文建模等等；具有強(qiáng)大的前后處理、圖形顯示和可視化功能。

（2）支持大多數(shù)行業(yè)的水文標(biāo)準(zhǔn)，能夠與 HECRAS、HEC-HMS等工具友好結(jié)合，其劃分的流域信息可以導(dǎo)入RAS、HMS系統(tǒng)中應(yīng)用。

（3）界面操作簡單，成本費(fèi)用低。

3 研究實(shí)例

3.1 研究流域概況

研究流域遂川江位于江西省吉安市遂川縣，屬贛江一級(jí)支流，流域面積2882 km2。流域地形以山地、丘陵為主，境內(nèi)高山連綿起伏，溝谷縱橫，區(qū)域內(nèi)植被較好，森林覆蓋率達(dá)70%。流域?qū)僦衼啛釒駶櫦撅L(fēng)區(qū)，雨量充沛，氣候溫和，年平均降水量1694 mm，是江西境內(nèi)暴雨中心之一。

3.2 河網(wǎng)提取

本研究所采用數(shù)字高程模型（DEM），由90 m精度SRTM地形文件轉(zhuǎn)換而來，使用Global Mapper軟件導(dǎo)出（DEM見圖3）。WMS河網(wǎng)提取步驟：

3.2.1 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

本文所采用DEM是WGS84地理坐標(biāo)系，是用經(jīng)緯度表示的橢球體坐標(biāo)系，但在WMS中需將其轉(zhuǎn)換為X、Y表示的平面直角坐標(biāo)系，即UTM投影坐標(biāo)系。

3.2.2 水流累積量設(shè)定

設(shè)置水流累積計(jì)算的集水閥值 （Min Accumulation），河網(wǎng)的詳細(xì)程度取決于該閥值的大小，當(dāng)上游集水面積等于集水閥值的柵格點(diǎn)定義為河流的起始點(diǎn)，上游集水面積大于集水閥值柵格點(diǎn)定義為河流，WMS正是基于這個(gè)原理來定義河網(wǎng)，將匯流柵格中所有大于或等于集水閥值的柵格提取出來，即得到了河網(wǎng)。

3.2.3 河網(wǎng)生成

WMS通過地形參數(shù)化程序 （TOPAZ）進(jìn)行河網(wǎng)提取，地形參數(shù)化程序通過DEM預(yù)處理、流向計(jì)算、統(tǒng)計(jì)流水累積量等步驟進(jìn)行。

3.2.4 流域提取

提取流域前需先設(shè)定流域出口點(diǎn)，以該出口點(diǎn)為終點(diǎn)向上游提取流域。WMS結(jié)合水流方向，統(tǒng)計(jì)該出口點(diǎn)上游所有流經(jīng)該點(diǎn)的柵格，一直檢索到流域邊界，所有符合條件的柵格連接在一起就生成了流域。WMS中使用Create Outlet Point命令創(chuàng)建流域出口點(diǎn)，使用DEM菜單下勾畫流域命令提取流域。

圖3 遂川江流域數(shù)學(xué)高程模型

提取河網(wǎng)的詳細(xì)程度可通過調(diào)節(jié)集水閥值來控制，閥值越小，提取的河網(wǎng)越細(xì)，閥值越大，河網(wǎng)越稀疏[4]。 對(duì)比閥值為 5 km2、3 km2、2 km2和 1 km2提取的河網(wǎng)信息可知（見圖4），閥值為5 km2，河網(wǎng)較稀疏，閥值為1 km2，河網(wǎng)太細(xì)，且提取了偽河道，而閥值為3 km2、2 km2時(shí)，兩者的河網(wǎng)相差不大，但閥值為2 km2與實(shí)際河網(wǎng)更吻合。

3.3 流域特征參數(shù)提取

WMS可以自動(dòng)計(jì)算出諸如流域面積、流域平均高程、坡度、比降等流域特征參數(shù)，通過與人工測量值相比（見表1），有些參數(shù)的誤差較小，而有些誤差則較大，考慮與測量方法、DEM數(shù)據(jù)精度等有關(guān)。流域面積提取值為2870 km2，與人工測量值僅相差-0.4%，表明提取的流域邊界接近實(shí)際邊界，兩者分水嶺基本重合。主河道長度、流域平均高程的誤差稍大，尤其是主河道縱比降，是因?yàn)楸綝EM精度較低，流域地形發(fā)生坦化，地形特征值損失多，高程信息墑減少，河道起始點(diǎn)的空間位置發(fā)生變化，河道縮短，坡度變緩。

3 結(jié)語

（1）利用WMS的空間分析功能，基于DEM數(shù)據(jù)提取的河網(wǎng)信息與實(shí)際情況基本吻合，其精度與集水閥值的取值大小有明顯關(guān)系，閥值越小，水系越細(xì)，閥值越大，水系越稀疏，對(duì)遂川江流域而言閥值采用2 km2較為合適。當(dāng)閥值小于等于1 km2時(shí)，提取的河網(wǎng)中明顯存在很多長度極短的河道，它們多是實(shí)際不存在的河道——偽河道，為解決這個(gè)問題，有學(xué)者提出指定最小河道長度閥值的方法，即給定一個(gè)最小河道長度閥值，當(dāng)河道長度小于該閥值的就從網(wǎng)絡(luò)中刪除，大于等于閥值則予以保留[5]。

（2）本研究所采用DEM數(shù)據(jù)精度為90 m，分辨率較低，且其在自身生成過程中或存有系統(tǒng)誤差，對(duì)提取的河網(wǎng)信息存在一定的影響，主要體現(xiàn)在柵格單元高程值的概化作用上，在地形復(fù)雜的地區(qū)作用表現(xiàn)的更為突出。研究表明，遂川江流域地形復(fù)雜，境內(nèi)高山起伏，溝谷縱橫，提取流域面積的誤差相差甚小，僅為-0.4%，流域平均高程、流域長度次之，但主河道縱比降誤差很大。流域平均高程提取值為519 m，反應(yīng)該流域?qū)俸０屋^高的山丘區(qū)，與實(shí)際情況接近；流域形狀系數(shù)為 0.33，接近人工測量值 0.29，其值遠(yuǎn)小于 1，說明遂川江流域外形近似長條形，其結(jié)果與提取的水系圖一致，徑流上表現(xiàn)為水量集中較慢。

（3）基于DEM、WMS提取的河網(wǎng)信息、流域特征參數(shù)，可應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)模型，其提取方法在提高工作效率的同時(shí)不僅可以保證數(shù)據(jù)提取的精度，而且可以減低獲取參數(shù)的成本，減少人力，方便快捷高效。同時(shí)，結(jié)合其他軟件，如HEC-HMS等，為其提供模型支撐，在數(shù)字流域的建設(shè)、水資源管理等方面都具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 不同閥值提取的河網(wǎng)圖

表1 流域特征參數(shù)比較表

[1］黃 娟，申雙和，殷劍敏.基于DEM的江西潦河流域河網(wǎng)信息提取方法[J］.氣象與減災(zāi)研究，2008，31（1）：49-53.

[2］原立峰，周啟剛.基于DEM的流域水文特征提取方法研究[J］.水文泥沙，2006，28（5）：20-21.

[3］賀國平，張 彤，趙月芬，李會(huì)安.水文模型WMS在流域降雨——徑流模擬上的應(yīng)用[J］.北京水務(wù)，2007，（2）.

[4］易衛(wèi)華，楊 平.基于DEM數(shù)字河網(wǎng)提取時(shí)集水面積閥值的確定[J］.江西水利科技，2008，34（4）：259-262.

[5］唐從國，劉叢強(qiáng).基于ArcHydro Tools的流域特征自動(dòng)提取——以貴州省內(nèi)烏江流域?yàn)槔齕J］.地球與環(huán)境，2006，34（3）：30-37.