摘 要 以黃河中游的一級(jí)支流清澗河流域?yàn)槔?，以ASTER GDEM為數(shù)據(jù)源，利用均值變點(diǎn)法，選取合適的集流閾值，得到清澗河流域水系圖，在此基礎(chǔ)上對(duì)河網(wǎng)水系特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，集流閾值與河網(wǎng)密度呈冪函數(shù)關(guān)系，集流閾值越大，提取的河網(wǎng)越稀疏，河網(wǎng)密度值越小，反之則越大。均值變點(diǎn)法能夠較好的確定出最佳集流閾值，所提取出的河網(wǎng)與1∶400萬(wàn)國(guó)家矢量水系圖相比，主干上吻合較好。因此認(rèn)為，基于30 m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)，并利用均值變點(diǎn)分析法提取出清澗河流域的河網(wǎng)，是切實(shí)可行的，可以為水資源管理和數(shù)字流域建設(shè)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 ASTER GDEM；均值變點(diǎn)法；集流閾值；河網(wǎng)提取；清澗河流域

中圖分類(lèi)號(hào)：P333； S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.22.007

知網(wǎng)出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/50.1186.s.20160904.0042.031.html 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-9-4 0：42：00

DEM數(shù)據(jù)是地形分析和水文分析的重要數(shù)據(jù)源，利用DEM數(shù)據(jù)提取河流地貌參數(shù)對(duì)水文學(xué)和地貌學(xué)等領(lǐng)域的研究具有非常重要的意義[1]。提取河流地貌參數(shù)的前提是基于DEM數(shù)據(jù)提取出符合實(shí)際情況的河網(wǎng)，而提取河網(wǎng)的關(guān)鍵在于確定最佳集流閾值。

目前，國(guó)內(nèi)外基于DEM數(shù)據(jù)確定最佳集流閾值的方法主要有：河網(wǎng)密度法、“集水面積—河道平均坡降法”、流域?qū)挾确植挤ê退捣中畏ǖ萚2-5]。河網(wǎng)密度法主要是通過(guò)目視解譯集流閾值與河網(wǎng)密度的關(guān)系曲線(xiàn)中趨于平緩時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為最佳集流閾值，此方法雖簡(jiǎn)單方便，但存在一定的主觀(guān)性，受人為因素的影響較大[2]?！凹娣e—河道平均坡降法”與河網(wǎng)密度法較為類(lèi)似，主要是通過(guò)建立不同集水面積對(duì)應(yīng)下的數(shù)字水系平均坡降與集水面積的關(guān)系曲線(xiàn)，然后將關(guān)系曲線(xiàn)中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的集水面積作為最佳集水面積閾值[6]，此方法同樣具有一定的主觀(guān)性。流域?qū)挾确ê退捣中畏ň^復(fù)雜，不夠便捷。本文選取統(tǒng)計(jì)學(xué)中的均值變點(diǎn)法，能快捷準(zhǔn)確地提取出清澗河流域的河網(wǎng)。

黃河流域橫貫中國(guó)東西，其幅員遼闊，地形地貌差別很大，從西向東橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原四個(gè)地貌單元，地勢(shì)西高東低，西部河源地區(qū)冰川地貌發(fā)育，中部為黃土地貌，水土流失嚴(yán)重，東部主要由黃河沖積平原組成，地上河較多，洪水威脅較大。清澗河流域位于黃河中游，流經(jīng)水土流失嚴(yán)重的黃土丘陵溝壑區(qū)，對(duì)其進(jìn)行河網(wǎng)提取并分析，對(duì)黃河中游的水土保持和生態(tài)建設(shè)具有極為重要的意義。

1研究區(qū)概況

清澗河，屬于黃河中游的一級(jí)支流，位于109°11′E～110°25′E，36°38′N(xiāo)～37°19′N(xiāo)。清澗河發(fā)源于陜西省安塞縣，自西向東流經(jīng)子長(zhǎng)、榆林、清澗、延川等地，在延川縣蘇亞河村匯入黃河，全長(zhǎng)169.9 km，流域面積4078 km2。清澗河流經(jīng)區(qū)域?yàn)辄S土丘陵溝壑區(qū)，其地形、氣候、土壤、植被等自然條件具有由南向北過(guò)渡的特點(diǎn)，河流徑流量年際變化大且年內(nèi)分配不均，降水集中在夏季且強(qiáng)度大，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。流域內(nèi)植被覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重。

2.3數(shù)據(jù)處理

水文分析之前，在ArcGIS10.2軟件平臺(tái)上對(duì)ASTER GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，包括格式轉(zhuǎn)換、定義投影、數(shù)據(jù)拼接以及裁剪等，地理坐標(biāo)系均為GCS_WGS_1984。本文思路主要如下：對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理，然后對(duì)無(wú)洼DEM進(jìn)行水流方向計(jì)算，然后再計(jì)算匯流累積量，并通過(guò)設(shè)定不同的集流閾值，生成不同的柵格河網(wǎng)，并將柵格河網(wǎng)矢量化，轉(zhuǎn)成矢量河網(wǎng)并計(jì)算其河流總長(zhǎng)度，最后采用Excel統(tǒng)計(jì)軟件生成集流閾值與河網(wǎng)密度的擬合曲線(xiàn)。為了準(zhǔn)確提取出河網(wǎng)，首先通過(guò)目視解譯選出擬合曲線(xiàn)中河網(wǎng)密度由陡變緩的點(diǎn)，然后利用均值變點(diǎn)法確定此拐點(diǎn)，從而確定最佳集流閾值，提取最終河網(wǎng)。

3清澗河流域水系及其特征分析

3.1無(wú)洼DEM生成

DEM是較為光滑的地形表面的模擬，但由于DEM誤差及真實(shí)地形的存在，使得DEM表面存在一些凹陷區(qū)域，導(dǎo)致水流方向的計(jì)算不合理或者錯(cuò)誤，因此在進(jìn)行水流方向計(jì)算之前，應(yīng)先對(duì)原始的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無(wú)洼地的DEM。

3.2計(jì)算水流方向和匯流累積量

地表水由地勢(shì)高處流向地勢(shì)低處，然后在流域出口排出流域。本文采用ArcGIS中最常用的單流向中的D8算法來(lái)計(jì)算水流方向，即通過(guò)計(jì)算中心柵格與領(lǐng)域柵格的最大距離權(quán)落差來(lái)確定[9]。確定柵格中每個(gè)像元流出的方向是獲取地表水文特征的關(guān)鍵，利用D8算法能提取出每個(gè)柵格單元格內(nèi)水流流動(dòng)方向，然后劃定流域界限。

根據(jù)流域地形的水流方向數(shù)據(jù)并運(yùn)用水文分析中的流量工具，可以計(jì)算出每點(diǎn)處所流過(guò)的水量數(shù)值，進(jìn)而得到該流域的匯流累積量。

3.3河網(wǎng)提取

當(dāng)匯流累積量達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地表水流，當(dāng)所有匯流累積量大于臨界數(shù)值的柵格，就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)[9]。河網(wǎng)的生成主要包括四部分：匯流累積量、閾值、柵格河網(wǎng)以及柵格河網(wǎng)矢量化。提取河網(wǎng)的關(guān)鍵在于確定合適的匯流累積閾值，即集流閾值。

3.3.1 集流閾值與河網(wǎng)的關(guān)系

集流閾值是決定河網(wǎng)提取的關(guān)鍵參數(shù)，既決定了河流的源頭，又決定了河網(wǎng)的形態(tài)[10]。本文采用的集流閾值為柵格的數(shù)目，分別采用1000， 2000， 3000， 5000， 8000， 10000提取河網(wǎng)，以柵格數(shù)1000， 3000， 5000， 8000為集流閾值提取的河網(wǎng)如圖1所示。

由于河網(wǎng)密度與集流閾值存在一定的曲線(xiàn)關(guān)系，一般認(rèn)為河網(wǎng)密度由陡變緩所對(duì)應(yīng)的集流閾值即為最佳集水面積閾值，河網(wǎng)密度（D）可用河流長(zhǎng)度（L）與流域面積（A）的比值表示，即：D=L/A，由此公式計(jì)算出如表1所示的河網(wǎng)密度。

從圖1、表1均可看出，隨著集流閾值的增大，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)由密變疏，河網(wǎng)密度值逐漸變小，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，集流閾值與河網(wǎng)密度兩者之間呈冪函數(shù)關(guān)系：y=0.023x-0.5，擬合系數(shù)R2值為0.999。當(dāng)集流閾值小于5000時(shí)，河網(wǎng)密度隨集流閾值的增大急劇變小；當(dāng)集流閾值大于5000時(shí)，河網(wǎng)密度變小的幅度趨于平緩，由此可看出，在此函數(shù)曲線(xiàn)上存在一個(gè)河網(wǎng)密度由陡變緩的拐點(diǎn)，此拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的集流閾值（5000）即為提取清澗河流域河網(wǎng)的最佳集水面積閾值。

3.3.2 利用均值變點(diǎn)法確定最佳集流閾值

根據(jù)公式（1）求取兩段樣本的統(tǒng)計(jì)量，根據(jù)公式（2）可求取樣本總體平均值與方差，由此得出S和Si的差值變化曲線(xiàn)，如圖2所示。由圖可知，S-Si在所對(duì)應(yīng)的柵格數(shù)為5000時(shí)值最大，因此，提取清澗河流域的最佳集流閾值為5000。

3.4流域水系特征

由均值變點(diǎn)法所確定的提取河網(wǎng)的最佳閾值為5000，提取出的清澗河流域水系如圖3所示。

清澗河流域總長(zhǎng)度1317.8 km，共分為5級(jí)（Strahler分級(jí)），其水流方向?yàn)槲鞅薄獤|南向，如圖4所示。對(duì)比1∶400萬(wàn)國(guó)家矢量水系圖，可見(jiàn)基于ASTER GDEM提取的清澗河流域水系圖較真實(shí)地描述了流域水系，尤其是主干部分?jǐn)M合較好，但也存在細(xì)小偏差。產(chǎn)生細(xì)小偏差的主要原因是：（1）ASTER GDEM數(shù)據(jù)本身的精度問(wèn)題。（2）1∶400萬(wàn)國(guó)家矢量水系圖的比例尺較小，在實(shí)際測(cè)量時(shí)會(huì)忽略一些細(xì)小的河流。（3）基于ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)的整個(gè)過(guò)程雖然較為理想，但是只考慮了地形因素對(duì)河網(wǎng)水系的影響，而忽略了人為因素對(duì)河流的影響。

4結(jié)語(yǔ)

本文以黃河中游一級(jí)支流清澗河流域?yàn)槔治隽嗽诓煌鏖撝迪碌乃敌螒B(tài)與河網(wǎng)密度的變化規(guī)律，得出隨著集流閾值的增大，所提取的水系逐漸變疏，河網(wǎng)密度值逐漸降低，且集流閾值與河網(wǎng)密度呈冪函數(shù)關(guān)系。

利用均值變點(diǎn)法得出最佳集流閾值為5000，進(jìn)而提取出清澗河流域河網(wǎng)，提取出的河網(wǎng)水系與實(shí)際河網(wǎng)相比，誤差較小，能夠滿(mǎn)足水文模擬和生產(chǎn)實(shí)踐的需要，降低了河網(wǎng)水系測(cè)量的難度，對(duì)流域水文特征分析的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的意義。

本文基于ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取的河網(wǎng)的過(guò)程雖然較為理想，但是在未來(lái)研究中還需考慮人類(lèi)活動(dòng)、降水以及下墊面等人為因素和自然因素對(duì)水系的影響，并對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，減小數(shù)據(jù)源誤差，以提取出更加準(zhǔn)確的河網(wǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]常直楊，王建，白世彪，等.均值變點(diǎn)分析法在最佳集水面積閾值確定中的應(yīng)用[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，37（1）：147-150.

[2]鄧必平，嚴(yán)恩萍，洪奕豐，等.基于GIS和DEM的東江湖流域水文特征分析[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（15）：3531-3536.

[3]關(guān)穎慧，鄭粉莉，王彬，等.基于DEM的黑龍江賓州河流域水系提取試驗(yàn)研究[J].水土保持通報(bào)，2012，32（1）：127-131.

[4]楊錦玲.基于分形的數(shù)字水系集水面積閾值確定研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36（4）：33-34.

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

[6]楊邦，任立良.集水面積閾值確定方法的比較研究[J].水電能源科學(xué)，2009，37（5）：11-14，171.

[7]康曉偉，馮鐘葵.ASTERGDEM數(shù)據(jù)介紹與程序讀取[J].遙感信息，2011（6）：69-72.

[8]項(xiàng)靜恬，史久恩，李笑吟.非線(xiàn)性系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)計(jì)方法[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[9]湯國(guó)安，楊昕.地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[10]宋向陽(yáng)，吳發(fā)啟，趙龍山，等.基于DEM的延河流域水文特征提取與分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2012，30（4）：200-206.

（責(zé)任編輯：丁志祥）