彭云龍王婕婷趙志軍（. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué)新城黃山路分校, 江蘇 南京 009; . 南京市高淳區(qū)漆橋中學(xué), 江蘇 南京 0; . 南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 0046）

基于DEM的廬山地區(qū)水系的提取方法與應(yīng)用探究

彭云龍1王婕婷2趙志軍3
（1. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué)新城黃山路分校, 江蘇 南京 210019; 2. 南京市高淳區(qū)漆橋中學(xué), 江蘇 南京 211302; 3. 南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 江蘇 南京 210046）

新課標(biāo)倡導(dǎo)中學(xué)地理教師要充分利用地理信息技術(shù)來(lái)開發(fā)鄉(xiāng)土地理教學(xué)資源。多年來(lái)，絕大部分中學(xué)地理教師對(duì)地理信息技術(shù)的認(rèn)識(shí)僅僅停留在教材內(nèi)容上，缺乏對(duì)地理信息技術(shù)的應(yīng)用技能。本文以廬山地區(qū)5米分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)為例，利用ArcMap9.3提取了該區(qū)域的流域邊界、水系與河流縱剖面，同時(shí)利用配準(zhǔn)過的地質(zhì)圖驗(yàn)證了水系與河流縱剖面提取的科學(xué)性，最后分析了河流縱剖面的構(gòu)造意義。

3S技術(shù)；DEM；廬山

人教版必修三單獨(dú)開辟一節(jié)內(nèi)容來(lái)介紹地理信息技術(shù)在區(qū)域地理環(huán)境研究中的應(yīng)用，并把它列為七大地理選修模塊之一，足見地理信息技術(shù)在中學(xué)地理教學(xué)中的重要地位。地理信息技術(shù)主要包括遙感（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）三大部分（即3S技術(shù)）。3S技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于區(qū)域地理環(huán)境研究，而且在構(gòu)造活動(dòng)、地貌分析等自然地理基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也扮演著重要的角色。在中學(xué)地理教材中絕大部分的圖片、案例是由3S技術(shù)制作和開發(fā)出來(lái)的，如果我們一線地理教師能夠掌握3S技術(shù)，那么我們會(huì)開發(fā)出大量具有區(qū)域特色、體現(xiàn)地理學(xué)科核心素養(yǎng)并符合學(xué)生認(rèn)知情感的鄉(xiāng)土地理教學(xué)案例，編制校本課程，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)地理學(xué)科國(guó)家課程、地方課程與校本課程的有機(jī)融合。本文借助數(shù)字高程模型（DEM）對(duì)廬山地區(qū)進(jìn)行了流域分析，涉及DEM數(shù)據(jù)的獲取、拼接與裁剪、分層設(shè)色地形圖的顯示、流域邊界的提取、河網(wǎng)生成、矢量數(shù)據(jù)的編輯、河流縱剖面的提取等內(nèi)容。

一、數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用的原始數(shù)據(jù)有：(1)分辨率為5m的DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2)經(jīng)過配準(zhǔn)的比例尺為1:50000的地質(zhì)圖，數(shù)據(jù)來(lái)源于虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；(3)分辨率為30m的

STER-GDEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http://www.gsgloud.cn）[1]。

二、試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)處理

1.流域劃分

利用ArcToolbox空間分析工具（Spatial Analyst Tools）下的水文模塊，可以快速提取流域范圍、河網(wǎng)分布與河流級(jí)別。只有先提取出流域邊界和水系，才能劃分河流級(jí)別。其中流域邊界提取的步驟為：第一步，裁剪目標(biāo)區(qū)域。加載原始DEM數(shù)據(jù)（原始DEM圖幅較大，包括九江縣和星子縣）和目標(biāo)區(qū)域矢量數(shù)據(jù)（ArcCatalog中可新建shapefile，要素類型選擇Polygon），執(zhí)行提取工具箱內(nèi)的按掩膜提取工具（Extract by Mask）；第二步，生成無(wú)洼地的DEM數(shù)據(jù)。洼地區(qū)域是數(shù)字高程模型中水流方向不合理的地方，可以通過水流方向來(lái)判斷哪些地方是洼地，然后再對(duì)洼地進(jìn)行填充，但僅為了提取河流和水系就不必計(jì)算洼地，在ArcMap9.3中加載 DEM數(shù)據(jù)，只需要利用空間分析工具水文模塊（Hydrology）內(nèi)的Fill Sinks對(duì)裁剪好的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理；第三步，水流方向提取。水流方向是指水流離開每一個(gè)柵格單元時(shí)的指向，在ArcMap9.3中通過計(jì)算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差來(lái)確定。執(zhí)行工具條Hydrology中的菜單命令 Flow Direction對(duì)填洼后的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行流向分析；第四步，流域劃分。執(zhí)行水文工具箱內(nèi)的流域工具（Basin），對(duì)河流流向數(shù)據(jù)進(jìn)行流域分析，至此流域劃分的柵格數(shù)據(jù)就分析出來(lái)了[2]；第五步，子流域的篩選。在流域柵格數(shù)據(jù)上右鍵選擇“打開屬性表”，選取面積在1km2以上的流域，共30個(gè)，并對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，結(jié)果如圖1所示。按照流域的空間分布，依次命名為E01、E02、……、E15和W01、W02、……、W15，共30個(gè)子流域。其中面積最小的子流域?yàn)镋07和E13，面積為1.02km2，面積最大的子流域?yàn)镋15，面積為27.22 km2，所有流域平均面積為6.51 km2。

2.河網(wǎng)提取

在流域劃分第三步的基礎(chǔ)上，河網(wǎng)提取實(shí)驗(yàn)步驟如下：第一步，匯流累積量的計(jì)算。數(shù)字高程模型在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)的。對(duì)每一個(gè)柵格來(lái)說，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個(gè)柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過該柵格，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越容易形成地表徑流，利用Hydrology中的菜單命令 Flow Accumulation來(lái)獲取匯流累積量。第二步，河網(wǎng)提取。運(yùn)行Spatial Analysis工具欄下Raster Calculator，彈出對(duì)話框并在框內(nèi)輸入“con（Flow Accumulation>10000,1）”，意思就是將Flow Accumulation數(shù)據(jù)中屬性值在10000以上的數(shù)據(jù)提取出來(lái)并將其屬性定為1，這里取10000即流域面積在104個(gè)柵格以上，意味著河流過程基本上占主導(dǎo)地位。第三步，將得到的柵格數(shù)據(jù)矢量化。經(jīng)過上述步驟就得到了我們想要的河網(wǎng)。接著進(jìn)行Stream Link和Stream Order工具，便可以得到河流級(jí)別。值得注意的是河流級(jí)別的劃分有不同的方案，其中Strahler分類方法是流域分析中最常用的河網(wǎng)級(jí)別劃分方法。該方法規(guī)定在流域分水嶺處最小的沒有任何支流的河流定義為一級(jí)河流，有兩個(gè)或者以上的一級(jí)河流匯合組成的河流為二級(jí)河流，以此類推。主干河流為最高一級(jí)河流。按照Strahler分級(jí)系統(tǒng)，可將廬山地區(qū)的河流劃分為四個(gè)級(jí)別，其中一級(jí)河流總共為414條，二級(jí)河流總數(shù)為111條，三級(jí)河流總數(shù)為28條，四級(jí)河流為5條，隨著級(jí)別的增加河流條數(shù)急劇減少，與一般河網(wǎng)規(guī)律相吻合，結(jié)果如圖1所示。

圖1 流域劃分與水系提取結(jié)果

3.河流縱剖面的提取

河流縱剖面的提取方法有很多種，其中較為科學(xué)、準(zhǔn)確的一種方法就是在河流干流上等距離找一系列的點(diǎn)，然后依次將干流上各點(diǎn)的高程和距離河流源頭的長(zhǎng)度計(jì)算出來(lái)，最終可得到河流縱剖面。實(shí)驗(yàn)步驟：第一步，獲取流域干流。一個(gè)流域內(nèi)往往有若干不同級(jí)別的河流，從河口到分水嶺距離最長(zhǎng)的河流可認(rèn)為是該流域的干流，對(duì)矢量化的河網(wǎng)進(jìn)行編輯，刪除眾多短小的支流，僅留下河流干流。不同流域的干流依次命名為S1、S2、……、S15和R1、R2、……、R15，R01最短為0.9km，R15最長(zhǎng)為10.8km，所有河流平均河長(zhǎng)4.3km，結(jié)果如圖2所示。第二步，計(jì)算河流長(zhǎng)度。打開河流干流屬性表，單擊右下角選項(xiàng)，選擇添加字段，輸入名稱為河流長(zhǎng)度，類型選擇Float，單擊確定，最后在河流長(zhǎng)度字段上鼠標(biāo)右擊選擇計(jì)算幾何體，屬性為長(zhǎng)度，單位是米。至此，河流的長(zhǎng)度便計(jì)算出來(lái)了。第三步，利用COGO工具條上的比例切分工具，按照40米等距平分河流的長(zhǎng)度。第四步，利用數(shù)據(jù)管理工具箱里的Feature To Point工具將平分的線段轉(zhuǎn)化為同樣數(shù)量的點(diǎn)數(shù)據(jù)，最終用空間分析工具箱內(nèi)的Extract by Points 將DEM中的高程數(shù)據(jù)疊加到點(diǎn)數(shù)據(jù)上，這樣每個(gè)點(diǎn)就有一個(gè)高程和一個(gè)距離數(shù)據(jù)。第五步，將高程和距離數(shù)據(jù)輸出并導(dǎo)入Origin8.0，然后生成河流縱剖面圖（見圖3）。

圖2 子流域河流干流空間分布圖

這里需要注意的是，提取出的河流縱剖面上游河流源頭并非全部都是河流，可能有部分是靠近分?jǐn)?shù)線的山谷。大量研究表明，當(dāng)流域面積在105-106平方米以上時(shí)基本發(fā)育了基巖河道[3]，所以在此處存在一個(gè)距離河流源頭的臨界距離xc，臨界距離以上才是真正的河流縱剖面。

圖3 三疊泉流域河流干流縱剖面圖

三、水系的驗(yàn)證與河流縱剖面的構(gòu)造意義

利用AcrMap9.3將三疊泉流域河流干流疊加到已經(jīng)配準(zhǔn)的1:50000的地質(zhì)圖，標(biāo)明裂點(diǎn)所在的位置，結(jié)果如圖4所示。在1:50000的地質(zhì)圖上標(biāo)明的河流與從DEM上提取的河流的位置基本一致，包括從河流縱剖面上識(shí)別的河流裂點(diǎn)也得到了中國(guó)人民解放軍總參謀部測(cè)繪局出版的地形圖和江西地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究大隊(duì)測(cè)制的地質(zhì)圖的檢驗(yàn)，兩者基本一致，這說明了河網(wǎng)與河流縱剖面的提取是正確的。

圖4 三疊泉流域干流分布與基底巖性圖

河流縱剖面可以反映流域內(nèi)的邊界條件，如構(gòu)造活動(dòng)、巖性軟弱、降水差異、裂點(diǎn)分布等[4]。由地質(zhì)圖可知，河流干流上兩個(gè)裂點(diǎn)的基底構(gòu)成為震旦紀(jì)早世連沱組的地層，也就是說裂點(diǎn)發(fā)育的位置不在兩種不同地質(zhì)年代形成的巖層的結(jié)合部，而在同一種巖性上發(fā)育而成，那么裂點(diǎn)的發(fā)育顯然不是巖性軟弱差異造成的。三疊泉流域位于北半球亞熱帶北部邊緣地區(qū)，降水量普遍在1300mm*y-1到1800 mm*y-1，整個(gè)流域降水差異不大，而且由圖3可知三疊泉裂點(diǎn)落差達(dá)到220米，因此氣候因子不可能是造成河流裂點(diǎn)形成的原因。筆者曾多次到廬山考察，發(fā)現(xiàn)廬山西北側(cè)和東南側(cè)斷崖規(guī)模巨大，發(fā)育廣泛，斷層、褶曲、擦痕等隨處可見。綜上所述，可斷定河流縱剖面上的三疊泉裂點(diǎn)為構(gòu)造裂點(diǎn)，是構(gòu)造活動(dòng)在河流縱剖面上留下的有力“證據(jù)”，這也從數(shù)字地形的角度佐證了廬山是一個(gè)斷塊山。

四、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字高程模型（DEM）在鄉(xiāng)土地理教學(xué)資源與案例的開發(fā)中應(yīng)用廣泛，如制作學(xué)生熟悉的山地的等高線地形圖和地形剖面圖、提取水系與河流縱剖面等。這在地形圖的判斷、最佳登山路線與水庫(kù)壩址的選擇、中國(guó)的地勢(shì)特征、水力資源分布、山岳的形成和流域的綜合開發(fā)等方面可以輔助課堂教學(xué)。在DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合其它自然地理或人文地理要素，可以制作出如滑坡、泥石流、地震、洪澇等自然災(zāi)害發(fā)生頻率、高鐵路線、“一帶一路”路線與沿途地區(qū)等的空間分布圖。因此，地理信息技術(shù)非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的地理空間思維能力與學(xué)科素養(yǎng)。

[1] 彭云龍.基于DEM的廬山構(gòu)造活動(dòng)與地貌演化特征研究[D].南京:南京師范大學(xué),2014.

[2] 湯國(guó)安,楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3] Snyder Noah P,Whipple Kelin X,Tucker Gregory. Channel response to tectonic forcing: field analysis of stream morphology and hydrology in the Mendocino triple junction region, northern California[J].Geomorphology, 2003(53):97-127.

[4] Wobus C,Whipple K X.Tectonics from topography: procedure,promise,and pitfalls[J].Tectonic Geomorphology,2006(12):55-74.