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        基于不同數(shù)據(jù)源的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)提取與對比分析

        2016-07-21 09:46:02羅玉恒王曉春
        中國水土保持 2016年6期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)源

        羅玉恒,王曉春,周 健

        (甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741020)

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        基于不同數(shù)據(jù)源的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)提取與對比分析

        羅玉恒,王曉春,周健

        (甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741020)

        [摘要]為了研究基于地形圖、DEM和遙感影像三種不同數(shù)據(jù)源提取的數(shù)字河網(wǎng)之間的差異,選取天水市麥積區(qū)穎川河流域?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^地形圖數(shù)字矢量化、Hc-DEM水文分析和遙感影像解譯三種不同方法分別提取數(shù)字化河網(wǎng),并對不同數(shù)據(jù)源提取出的數(shù)字河網(wǎng)進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明:在比例尺相近的情況下,基于Hc-DEM的地形參數(shù)提取到的數(shù)字河網(wǎng)精細(xì)程度最高,但在地勢平坦處會出現(xiàn)較大偏差;通過地形圖矢量化獲得的數(shù)字河網(wǎng)脈絡(luò)較為清晰,但地形圖數(shù)據(jù)時效性較差,不能夠全面準(zhǔn)確地反映真實(shí)數(shù)據(jù)情況;通過遙感影像解譯采集出來的數(shù)字河網(wǎng)時效性好、更準(zhǔn)確,但人為因素影響較大。因此,基于三種數(shù)據(jù)源提取數(shù)字河網(wǎng)時,應(yīng)以DEM數(shù)據(jù)提取的為準(zhǔn),結(jié)合其他兩種數(shù)據(jù)源,修正由于數(shù)據(jù)源誤差所生成的錯誤河道,從而提高數(shù)字河網(wǎng)的精度。

        目前數(shù)字化河網(wǎng)研究主要包括生成DEM的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與方法[1-2]、數(shù)字河網(wǎng)提取技術(shù)[3-5]、DEM分辨率[6]。這些研究大多數(shù)僅針對數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,而鮮有針對不同的數(shù)據(jù)源提取出的數(shù)字河網(wǎng)進(jìn)行對比分析的研究[7]。為此,本研究以潁川河流域(包括東柯河流域)為樣本,基于1∶ 5萬地形圖、ASTER GDEM和遙感影像等三類數(shù)據(jù)源,通過數(shù)字矢量化、DEM數(shù)據(jù)分析和影像判讀等不同方法分別提取數(shù)字化河網(wǎng),以期對不同數(shù)據(jù)源提取出的數(shù)字河網(wǎng)進(jìn)行分析研究。

        1流域概況

        天水市麥積區(qū)的穎川河屬渭河一級支流,流域地處北緯34°20′~34°30′、東經(jīng)105°23′~106°40′,流域總面積356 km2,涉及麥積區(qū)馬跑泉、甘泉、麥積、伯陽4鎮(zhèn)57村7.7萬人,總耕地面積1.58萬hm2,多年平均降水量580 mm,氣候垂直地帶性和區(qū)域性差異顯著。穎川河發(fā)源于南部麥積山風(fēng)景名勝區(qū)所處的西秦嶺,源頭處山高谷深、峰銳坡陡,平均坡度30°左右;區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜,相對高差大,境內(nèi)西南最高山峰海拔2 234 m,東北最低處海拔1 048 m;北部屬黃土丘陵溝壑地貌,土層深厚,侵蝕強(qiáng)烈,天然植被稀少,水土流失比較嚴(yán)重。

        2數(shù)據(jù)源分析

        2.1地形圖數(shù)據(jù)分析

        本研究的地形圖由12幅1∶ 5萬的天水地區(qū)地形分幅圖組成,采用高斯-克呂格地圖投影技術(shù),等高距為20 m,數(shù)據(jù)格式為TIFF柵格數(shù)據(jù)。首先對分幅的地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、矢量化,再進(jìn)行接邊處理,得到研究區(qū)的數(shù)字河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù);然后對數(shù)字河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性及拓?fù)錂z查,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。通過對研究區(qū)的圖幅進(jìn)行數(shù)據(jù)接邊、數(shù)據(jù)融合等處理,結(jié)合天水市麥積區(qū)行政區(qū)劃地圖,提取出基于地形圖這一數(shù)據(jù)源的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù),見圖1(a)。

        圖1 通過不同數(shù)據(jù)源提取的潁川河流域數(shù)字河網(wǎng)

        2.2DEM數(shù)據(jù)分析

        本研究使用的DEM數(shù)據(jù)由ASTER GDEM第二版本(V2)的數(shù)據(jù)處理獲取,ASTER GDEM是全球空間分辨率為30 m的數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品。利用矩形框截取穎川河流域所在區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)。利用TIN-DEM的構(gòu)建不能準(zhǔn)確表達(dá)地形與地表徑流匯集過程的關(guān)系,因而不能完全滿足水文分析的需要。Hutchinson提出了水文地貌關(guān)系正確的Hc-DEM的概念[8],基于Hc-DEM的地形參數(shù)提取的數(shù)字河網(wǎng)不僅能夠正確地表達(dá)地形的連續(xù)和突變特征,而且能正確地反映水文要素,如水流方向、水流路徑、水系網(wǎng)絡(luò)等,保證提取河流網(wǎng)絡(luò)的互相連通,因而其準(zhǔn)確性和精度更高。本研究DEM數(shù)據(jù)源的提取采用基于Hc-DEM的研究方法,生成了30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù),見圖1(b)。

        2.3遙感影像數(shù)據(jù)分析

        遙感影像數(shù)據(jù)采用穎川河流域2014年航空攝影測量影像資料,分辨率在5 m左右。穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)的提取采用人工影像解譯判讀的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。河網(wǎng)實(shí)際寬度大于20 m的采用地形線轉(zhuǎn)圖斑的形式提取,2~20 m寬度的河網(wǎng)采用線狀地物提取,線狀河網(wǎng)寬度通過屬性賦值進(jìn)行區(qū)分。地物解譯由內(nèi)業(yè)人員對影像進(jìn)行預(yù)判解譯,可采用直接目視判讀解譯,也可利用已有土地利用類型數(shù)據(jù)庫與影像底圖(DOM)套合,參考調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯,并在計(jì)算機(jī)中依據(jù)影像將預(yù)判解譯的界線、圖斑、地類等標(biāo)繪在調(diào)查底圖上。通過內(nèi)業(yè)解譯,將能夠確認(rèn)的地物和界線、不能夠確認(rèn)的地類或界線,分別用不同的線劃、顏色、符號、注記等形式標(biāo)繪在調(diào)查底圖上,對影像不夠清晰或內(nèi)業(yè)無法判讀解譯的地物或界線,以及線狀河流寬度,由野外補(bǔ)充調(diào)查確定,最終繪制出由航片影像數(shù)據(jù)解譯的研究區(qū)數(shù)字河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù),見圖1(c)。

        3數(shù)字河網(wǎng)對比分析

        基于以上三種不同數(shù)據(jù)源分別提取穎川河流域的數(shù)字河網(wǎng),結(jié)果對比見表1。提取結(jié)果分析如下:①由1∶ 5萬比例尺的地形圖提取出的穎川河流域河網(wǎng)較為稀疏,但河網(wǎng)脈絡(luò)清晰,主干層次分明。地形圖矢量化提取數(shù)字河網(wǎng)的精度與地形圖的比例尺有很大關(guān)系,本研究采用的1∶ 5萬地形圖精度為5 m,地物精度較粗,因此缺失很多小支流。②由30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)基于Hc-DEM的地形參數(shù)提取的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)最為稠密。由DEM數(shù)據(jù)提取數(shù)字河網(wǎng)的精度與當(dāng)?shù)氐牡孛嫫露扔嘘P(guān),地勢越陡提取精度越高,地勢越平坦提取精度越低,同時也與DEM數(shù)據(jù)源的分辨率有關(guān)。③由人工判讀遙感影像解譯采集出來的穎川河流域的數(shù)字河網(wǎng)最為真實(shí),但由于5 m左右分辨率的影像地圖一般判讀地物的寬度為2 m以上的線狀地物,因此還是會缺失部分河網(wǎng)數(shù)據(jù)。

        表1 基于三種數(shù)據(jù)源的穎川河流域數(shù)字河網(wǎng)特征

        4結(jié)論

        在比例尺相近的情況下,基于Hc-DEM的地形參數(shù)提取到的數(shù)字河網(wǎng)精細(xì)程度最高,但在地勢平坦處會出現(xiàn)較大偏差;通過地形圖矢量化獲得的數(shù)字河網(wǎng)脈絡(luò)較為清晰,但地形圖數(shù)據(jù)時效性較差,不能夠全面準(zhǔn)確地反映真實(shí)數(shù)據(jù)情況;通過遙感影像解譯采集出來的數(shù)字河網(wǎng)時效性好、更準(zhǔn)確,但人為因素影響較大。因此,基于三種數(shù)據(jù)源提取數(shù)字河網(wǎng)時,應(yīng)以DEM數(shù)據(jù)提取的河網(wǎng)為準(zhǔn),結(jié)合其他兩種數(shù)據(jù)源,修正由于數(shù)據(jù)源誤差所生成的錯誤河道,從而提高數(shù)字河網(wǎng)的精度。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1] 周買春,黎子浩,Jayawardena A W.數(shù)值地形圖的生成及其水文地貌特征評價[J].水利學(xué)報(bào),2002(2):71-74.

        [2] 王庫,于東升,史學(xué)正.建立省級數(shù)字高程模型(DEM)的關(guān)鍵技術(shù)——以江蘇省為例[J].地理科學(xué),2004,24(2):188-192.

        [3] 俞雷,劉洪斌,武偉.基于DEM的重慶三峽庫區(qū)水系提取試驗(yàn)研究[J].地理科學(xué),2006,26(5):616-621.

        [4] 周德民,程進(jìn)強(qiáng),熊立華.基于DEM的洪泛平原濕地?cái)?shù)字水系提取研究[J].地理科學(xué),2008,28(6):776-781.

        [5] 程海洲,熊立華.基于局部地表形態(tài)的可變過水寬度多流向算法[J].地理科學(xué),2011,31(2):218-225.

        [6] 吳險峰,劉昌明,王中根.柵格DEM的水平分辨率對流域特征的影響分析[J].自然資源學(xué)報(bào),2003,18(2):148-154.

        [7] 劉遠(yuǎn),周買春,陳芷菁,等.基于不同DEM數(shù)據(jù)源的數(shù)字河網(wǎng)提取對比分析——以韓江流域?yàn)槔齕J].地理科學(xué),2001,32(9):1112-1118.

        [8] 楊勤科,賈大韋,李銳,等.基于DEM的坡度研究——現(xiàn)狀與展望[J].水土保持通報(bào),2007,27(1):146-150.

        (責(zé)任編輯徐素霞)

        [基金項(xiàng)目]甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(144FKCE084)

        [中圖分類號]P333

        [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

        [文章編號]1000-0941(2016)06-0059-02

        [作者簡介]羅玉恒(1982—),男,江西九江市人,講師,碩士,主要從事“3S”技術(shù)教學(xué)與應(yīng)用研究;通信作者王曉春(1966—),男,甘肅天水市人,教授,學(xué)士,主要從事林學(xué)研究。

        [收稿日期]2015-09-30

        [關(guān)鍵詞]數(shù)據(jù)源;DEM;數(shù)字化河網(wǎng);穎川河流域

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