吳薩納

【摘 要】本文簡單介紹了在干旱-半干旱地區(qū)的山區(qū)流域以遙感技術進行河流流域自動提取的方法，并以中國最西部的木吒爾特河為例，在ArcGIS軟件中實現(xiàn)該方法，并對該方法在西北部山地的適應性與可用性進行評價。

【關鍵詞】遙感；流域提??；ArcGIS

一、概述

地形是流域最基本的自然要素，隨著計算機科學和地理信息系統(tǒng)學科的發(fā)展，數(shù)字高程模型（DEM）作為地形地貌的數(shù)字化表達和顯示方式，成為現(xiàn)在空間地理信息研究的重要基礎數(shù)據(jù)，廣泛應用于水文模型分析、區(qū)域地形地貌特征、區(qū)域數(shù)字地形分析、景觀設計等領域[1]。

中國的地形地貌多種多樣，在華東地區(qū)以平原丘陵為主，而西北部地區(qū)以高原和山地為主。流域提取技術在高差相對較大的地方可以起到較好作用，所以本文選取中國西北部地區(qū)的木扎爾特河作為研究區(qū)，應用ArcGIS軟件與中等分辨率DEM數(shù)據(jù)進行數(shù)字流域自動提取，并對自動提取的結果進行探討分析。

二、數(shù)據(jù)準備

2.1 數(shù)據(jù)簡介

數(shù)字高程模型是數(shù)字流域地形地貌特征呈現(xiàn)的常用表達形式，描述了研究區(qū)地而高程的分布情況，包含了豐富的水文、地形、地貌信息[2-5]。DEM通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達），它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，是數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model，簡稱DTM）的一個分支，其它各種地形特征值均可由此派生[6]。

2.2 數(shù)據(jù)下載

首先在Google Earth等遙感圖像視圖軟件上大體確定研究區(qū)域的范圍，然后搜索相關DEM下載網(wǎng)址（如地理空間數(shù)據(jù)云）下載研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)。為了保證研究區(qū)水系提取范圍正確，應該確保DEM數(shù)據(jù)下載范圍比研究區(qū)范圍稍大一些。DEM數(shù)據(jù)的分辨有多種，本文所采用的是中級分辨率30米，屬于中等分辨率數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)覆蓋面積為10330.4平方公里。

三、數(shù)據(jù)處理與結果分析

3.1 圖像預處理

在ArcGIS里打開原始DEM影像，并對多幅影像進行鑲嵌處理使其成為單一影像。

3.2 填洼與削峰

在原始DEM數(shù)據(jù)中，通常都有洼地和尖峰，對此有兩種基本的解釋：一種是認為洼地和尖峰是真實的地表形態(tài)（如喀斯特地形等），在分析過程中應以有水文意義的方法加以處理[7]。在DEM數(shù)據(jù)中如果存在洼地，會使水流方向的判定出現(xiàn)紊亂，導致最終提取的結果產(chǎn)生較大誤差，所以需要用到填洼處理。填洼一般使用的方法是Jenson和Dominguez提出的八流向填洼方法[8]，該方法原理是若單一像元的周圍高程都大于該單像元，則認為該像元為洼地，此時將周圍像元的最低值賦給該像元，使其平坦；同理，若一個像元高程均高于其周圍點，則將周圍點中最高的值賦給該像元，使其達到削峰的目的。

3.3 流向計算

原始DEM在經(jīng)過填洼計算之后，可以直接用來計算流向數(shù)據(jù)。流向計算一般使用D8算法，D8算法的原理是基于水永遠是向地勢低的地方下流，所以在DEM數(shù)據(jù)上任一像元周圍可建立8個點，該像元的水永遠流向8個點中高程最低者。

3.4 流量計算

在確定流向之后，需要對每個像元點做匯流量的計算。匯流的意義在于確定每個點上游的區(qū)域內所有匯入該像元的總量，這是一個不斷累積的過程。只有在連續(xù)不間斷的像元中累積足夠量的水，才會形成地表徑流，成為一個可以流動的河流模型。

3.5 河網(wǎng)提取及盆域分析

經(jīng)過流量計算之后，會在DEM數(shù)據(jù)上形成柵格河流，此時可以設置閾值對河網(wǎng)的精細程度形成控制。閾值越大，河網(wǎng)越稀疏，只保留徑流量大的河道；閾值越小，河網(wǎng)越密集，會保留小徑流量的河道。在確定閾值之后，對柵格河網(wǎng)進行矢量化即得到需要的河網(wǎng)水系。ArcGIS軟件通過識別盆地間的山脊線，在分析窗口中描繪流域盆地。通過分析輸入流向柵格數(shù)據(jù)找出屬于同一流域盆地的所有已連接像元組。通過定位窗口邊緣的傾瀉點（水將從柵格傾瀉出的地方）及凹陷點，然后再識別每個傾瀉點上的匯流區(qū)域，來創(chuàng)建流域盆地。這樣就得到流域盆地的柵格。

四、結果與分析

經(jīng)過上述計算之后，得到木扎爾特河流域。

4.1 流域高程

經(jīng)裁剪后，得到木扎爾特河單獨的流域DEM遙感示意圖?？梢钥闯瞿驹鸂柼睾恿饔虮狈酵鈬吔绺叱梯^高，南方高程較低，整體地勢呈現(xiàn)出西北往東南逐漸降低。木扎爾特河流域的高程最大值是6843米，高程最小值是1397米，平均高程3713.88米，流域面積達到3219.97平方千米。

4.2 流域坡度

經(jīng)過坡度計算之后，得到木吒爾特河流域坡度示意圖。在坡度分布圖上可以看出在河道周邊的坡度值相對較高，而河道里面的坡度值相對最小。其原因是河道底部相對平坦，而河谷周邊由于河水下蝕而導致的高低落差大，形成坡度值高點集中在河谷周邊的現(xiàn)象。木扎爾特河的最大坡度值為88.66度，最小值為0，平均值為28.62度，標準差為18，表明了流域內的坡度差異很大，反映了地形高低起伏陡峭不平，符合山地特征。

4.3 流域河網(wǎng)

對柵格河網(wǎng)矢量化后得到的木扎爾特河流域水系分布圖。木扎爾特河主干河流1條，大型支流5條，主河道全長139.6千米，整體上寬下窄葉脈狀分布，上游2條大型支流，中游右側2條條大型支流，下游有另一條支流匯入，最長支流長達38千米。

4.4 河網(wǎng)分級

對于河流匯水累積量的不同，還可以對河道進行分級管理。設定不同的閾值可以獲得想要的分級程度。下圖對木扎爾特河進行1到4級的分級。4級代表匯水量高，對應河流的下游，1級代表匯水量低，對應河流上游。

五、結論

基于DEM數(shù)字高程模型的研究已經(jīng)非常深入了，特別是對于地形地貌的提取與識別技術已經(jīng)廣泛應用于地學領域，而流域提取技術仍然是現(xiàn)在和今后的研究熱點。本文描述了流域提取技術在中國西北部地區(qū)的應用研究，是對流域提取技術適用于干旱-半干旱區(qū)域的一次簡單嘗試，結論發(fā)現(xiàn)流域提取技術在國內西北部應用具有良好的適用性，成功提取了木扎爾特河流域面積，河流長度及流域內的坡度分布參數(shù)，并對結果數(shù)據(jù)進行了圖片可視化的處理，提高了數(shù)據(jù)的可閱讀性，同時對今后在中國西北部地區(qū)的山區(qū)河流提取提供了一次成功的參考經(jīng)驗。

【參考文獻】

[1]王崢，張亞梅，譚春陽.基于DEM的廟臺溝流域數(shù)字地形提取與分析[J].水利科技與經(jīng)濟，2018，24（10）：76-80.

[2]徐新良，莊大力，賈紹風，等. GIS環(huán)境下基于DEM的中國流域自動提取力法[J].長江流域資源與環(huán)境，2004，13 （04） 343-348.

[3]黃娜娜，寧芋.基于DEM的數(shù)字河網(wǎng)提取力法及應用研究[J].人民長江，2011，42 （24）：50-53.

[4]沈中原，李占斌，李鵬，等.基于DEM的流域數(shù)字河網(wǎng)提取算法研究[J].水資源與水工程學報，2009，20 （1）：20-24.

[5]熊立華，郭生練.基于DEM的數(shù)字河網(wǎng)生成方法的探討[J]長江科學院院報，2003，20 （4）：14-17.

[6]陳敬周. 數(shù)字高程模型的生成與應用[D].太原理工大學，2007.

[7]趙博華.基于DEM的流域特征提取方法研究進展[J].人民珠江，2016，37（02）：43-47.

[8]，Jenson S K， Dominguez ，J O Extraction Topographic structure from digital elevation data for geographic informationsystem analysis[J] Photogrammetric engineering and remote sensing， 1988， 54（11）：1593-1600.