張 迅，蘇文靜，呂華權(quán)

（1.廣西遙感信息測繪院，廣西 南寧 530023；2.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530001）

基于多源DEM的廣西寧明縣河網(wǎng)提取

張 迅1，蘇文靜2，呂華權(quán)1

（1.廣西遙感信息測繪院，廣西 南寧 530023；2.廣西林業(yè)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530001）

以3種不同數(shù)據(jù)源和不同分辨率的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，著重研究了不同數(shù)據(jù)源和分辨率對(duì)四級(jí)水系流域(縣級(jí)區(qū)域)的河網(wǎng)提取的影響。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)四級(jí)水系及其支流的提取并不是分辨率越高越好。從提取的精度角度看，采用航空攝影測量方法得到的DEM的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為詳細(xì)。而從分辨率來說，12．5 m分辨率的DEM最好。

多源DEM；流向；河網(wǎng)提??；寧明縣

流域河網(wǎng)水系是描述一個(gè)地區(qū)地理地貌和水文特征不可或缺的因素，如何快速有效地獲得該地區(qū)的河網(wǎng)水系特征信息對(duì)水資源規(guī)劃、管理、開發(fā)、利用、保護(hù)與科學(xué)研究有重要意義。隨著地理信息技術(shù)和空間信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字高程模型（DEM）目前已成為操作和存儲(chǔ)最為方便的一種地形信息表達(dá)方式，常被用來提取流域的河道網(wǎng)絡(luò)和分析地形對(duì)流域徑流響應(yīng)的影響，對(duì)數(shù)字流域模型的建立起到了重要的作用[1-5]。基于DEM的河網(wǎng)提取是分布式水文模型建立的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，提取河網(wǎng)的精度是影響水文模型模擬精度的重要因素[6]。

1 研究區(qū)概況

寧明縣位于廣西西南部，介于東經(jīng)106°54'～107°40'、北緯21°36'～22°22'之間。地形地貌以丘陵低山為主，東南部為土山低山，中部為土山丘陵，西部及北部邊緣多為巖溶丘陵，北部靠中則為明江河谷平原。境內(nèi)河流眾多，有明江、公安河、派連河、馱英河、思洲河等150余條，流向與地形地勢相關(guān)，大多由東、南、西流向位于境內(nèi)中部的明江，在縣城匯合后向西北流出境外匯聚成左江，順流經(jīng)邕江、西江進(jìn)入珠江直至出海。

高分辨率DEM對(duì)河網(wǎng)提取研究區(qū)域不宜過大，縣級(jí)區(qū)域比較適宜，而寧明縣位于桂西南喀斯特地區(qū)，人工河系比較少，有利于水系提取；再者，寧明縣處于中越邊境之上，有100多km2的國界線，加之地形復(fù)雜，尚未有系統(tǒng)研究。寧明縣地勢如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)來源

采用DEM提取水文信息的研究較多，總結(jié)起來有2個(gè)特點(diǎn)：一類是面積大，DEM分辨率精度不高，一般DEM水平分辨率從幾m至上km；另一類通常是通過數(shù)字化大比例尺地形圖得到高分辨率DEM, 而后將高分辨率DEM重采樣得到低分辨率的DEM, 但是采樣后的高程值可能漏掉最低點(diǎn)或者最高點(diǎn)，可能導(dǎo)致一些偽峰和偽谷[7]。為了使研究結(jié)果更貼近現(xiàn)實(shí)，本文用不同數(shù)據(jù)源、不同分辨率（5 m，12．5 m與30 m分辨率）DEM，提取寧明縣的河網(wǎng)信息，并進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)情況如表1所示。

5 m分辨率DEM來源于IKONOS衛(wèi)星；12．5 m分辨率采用2011年由西安煤航航空攝像有限公司采集的航空立體像對(duì)，DEM由廣西測繪地理信息局2012-05生產(chǎn)；30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)來源于ASTER生成的數(shù)字高程模型ASTER GDEM。

圖1 寧明縣地勢示意圖

表1 DEM數(shù)據(jù)概況

3 研究內(nèi)容

3.1 流向的確定

水流方向是指水流離開網(wǎng)格時(shí)的指向，即水流離開單元的最大坡度方向，它決定著地表徑流的方向及網(wǎng)格單元間流量的分配。本文采用D8方法，將中心柵格的8個(gè)相鄰柵格編碼，其水流方向就可由其中的某一個(gè)編碼值來確定。水流的流向是由中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差來確定。水流方向編碼見圖2a，水流方向見圖2b。

圖2 水流方向柵格編碼圖

3.2 水流累積矩陣的確定

水流累積矩陣表示區(qū)域地形每點(diǎn)的流水累積量，它可以用區(qū)域地形曲面的流水模擬方法得到。流水模擬可以用區(qū)域DEM的水流方向矩陣來進(jìn)行。其基本思想是：它認(rèn)為以規(guī)則網(wǎng)格表示的數(shù)字高程模型每點(diǎn)處有一個(gè)單位的水量，按照水從高處流向低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向矩陣計(jì)算每點(diǎn)處所流過的水量數(shù)值，便可以得到該區(qū)域水流累積數(shù)字矩陣。在此過程中實(shí)際上使用了權(quán)值為1的權(quán)矩陣，如果考慮特殊情況（如降水不均勻），則可以使用特定的權(quán)矩陣，以更精確地計(jì)算水流累積值。

3.3 河網(wǎng)提取

在得到每個(gè)網(wǎng)格流向與水流累計(jì)值后即可確定該流域的河網(wǎng)。預(yù)設(shè)一個(gè)閾值表示河網(wǎng)中點(diǎn)的最小積水面積，將水流方向累計(jì)矩陣中數(shù)據(jù)高于此閾值的網(wǎng)格連接起來形成排水網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)閾值減少時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的密度便相應(yīng)增加。水流累積值最大的點(diǎn)即是流域的出口，可以標(biāo)記為&號(hào)河網(wǎng)的起點(diǎn)。找流入該點(diǎn)的所有網(wǎng)格，如果其水流累積值大于閾值則加入河網(wǎng)中。如此直至某一個(gè)網(wǎng)格有一個(gè)以上水流累積值大于閾值的入流網(wǎng)格，或沒有水流累積值大于閾值的入流網(wǎng)格為止。如果有2個(gè)或2個(gè)以上水流累積值大于閾值的入流網(wǎng)格，則表示該編號(hào)的河道結(jié)束，讓每個(gè)水流累積值大于閾值的入流網(wǎng)格開始新的河道編號(hào)。如果沒有水流累積值大于閾值的入流網(wǎng)格，則表示該段河道結(jié)束。當(dāng)所有編號(hào)的河段的最后一個(gè)網(wǎng)格都沒有水流累積值大于閾值的入流網(wǎng)格時(shí)，河網(wǎng)提取完畢。

4 河網(wǎng)提取結(jié)果分析

4.1 河網(wǎng)密度與集水區(qū)閾值

平均河網(wǎng)密度是根據(jù)集水面積閾值確定的，為了更直觀地確定集水面積域值，從1 km2到20 km2逐個(gè)試驗(yàn)，提取水系并計(jì)算河網(wǎng)密度，最終形成集水面積閾值與河網(wǎng)密度關(guān)系曲線（見圖3）。從關(guān)系曲線可以判斷出，從集水面積1 km2開始，分辨率30 m、12．5 m以及 5m分辨率DEM對(duì)應(yīng)的河網(wǎng)密度從0．747、0．772、0．791開始，起始河網(wǎng)密度變化較劇烈，隨著集水面積閾值的繼續(xù)增大，其變化逐漸變緩，當(dāng)集水面積為16 km2，兩者的關(guān)系曲線變化基本趨于穩(wěn)定，河網(wǎng)密度也趨向穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的河網(wǎng)密度分別為0．218 km·km-2、0．22 km·km-2、0．226 km·km-2，以此時(shí)的河網(wǎng)密度提取水系，得到整個(gè)流域的水系網(wǎng)絡(luò)[8,9]。

水系的提取結(jié)果取決于集水面積閾值，集水區(qū)面積閾值越小，提取的流域自然水系越詳細(xì)。但閾值并不是越小越好，根據(jù)集水面積閾值與河網(wǎng)密度的關(guān)系曲線，最終確定以16 km2作為集水區(qū)面積閾值，提取結(jié)果比較理想。

4.2 河網(wǎng)提取結(jié)果與實(shí)測比較

圖3 不同分辨率DEM河網(wǎng)密度與集水區(qū)閾值關(guān)系曲線

IKONOS數(shù)據(jù)提取的河網(wǎng)總長度為451．67 km，其中干流明江151．92 km；航空立體像對(duì)提取的河網(wǎng)總長度為450．67 km，其中明江151．00 km；ASTERGDEM數(shù)據(jù)提取的河網(wǎng)總長度為362．25 km，其中明江115．57 km．而寧明縣域內(nèi)主要河流實(shí)測總長度為446．44 km，其中明江143．67 km。提取河網(wǎng)的矢量圖以及實(shí)測水系情況如圖4～7所示。

5 結(jié) 語

圖4 5 m分辨率DEM提取的河網(wǎng)

圖5 12.5 m分辨率DEM提取的河網(wǎng)

圖6 30 m分辨率DEM提取的河網(wǎng)

圖7 寧明縣河網(wǎng)現(xiàn)狀圖

通過提取的矢量河網(wǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)測DLG矢量數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，5 m分辨率DEM和12．5 m分辨率DEM提取結(jié)果相對(duì)誤差基本一致，而30 m分辨率DEM提取的結(jié)果相對(duì)誤差大些。不同數(shù)據(jù)源提取的河流長度與實(shí)測長度的相對(duì)誤差如表2所示。

表2 寧明縣不同數(shù)據(jù)源DEM提取河流長度與實(shí)測長度比較

針對(duì)本研究區(qū)域?yàn)樯降?，流域主要為自然河流的特點(diǎn)，采用3種不同數(shù)據(jù)源和精度的DEM進(jìn)行提取通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，5 m分辨率DEM提取的水系最為完整，但過于繁雜，甚至?xí)霈F(xiàn)將山谷誤為水系的情況；30 m分辨率DEM在水系提取中能夠完整地表達(dá)水系現(xiàn)狀，其缺點(diǎn)是漏掉了河流的彎曲部分，致使河流長度有所減少；12．5 m分辨率DEM既完整提取流域的水系，精度也能滿足要求。

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P237.9

B

1672-4623（2015）02-0159-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.056

張迅，碩士，工程師，主要從事數(shù)字?jǐn)z影測量和遙感方面的生產(chǎn)與研究工作。

2014-03-31。