徐華平

（1.安徽省第二測(cè)繪院，安徽 合肥 230031）

1 河網(wǎng)組成

1.1 自然對(duì)象

水系包括自然河流、溝渠和水體，其實(shí)體數(shù)據(jù)表達(dá)為點(diǎn)、線、面，取決于對(duì)應(yīng)比例尺下的寬度、面積指標(biāo)以及其他特征。單線水系和與其有串聯(lián)關(guān)系的面狀水系是河網(wǎng)研究的主要對(duì)象。自然河流是指地貌低點(diǎn)間水往低處流動(dòng)的區(qū)域，表現(xiàn)為地表水從分水嶺到匯水區(qū)域的流動(dòng)以及在匯水區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。支流匯入干流，逐級(jí)匯入，呈樹狀結(jié)構(gòu)。溝渠是指人工修建的供灌溉、引水、排水的水道。溝渠并非總是沿著匯水區(qū)域運(yùn)動(dòng)，符合地貌上的水往低處流的特點(diǎn)，地上渠有提水設(shè)施。干渠向支渠提供水源，表現(xiàn)為干渠流向支渠，支渠流向毛渠，毛渠流到田間，局部表現(xiàn)為逆樹狀結(jié)構(gòu)。干渠是地面上人工開挖的供引水、排水的主干渠道；修筑正規(guī)、渠道較寬，通達(dá)幾十公里以上[2]。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中干渠隨處可見(jiàn)，不符合數(shù)據(jù)字典的定義。水體包括池塘、湖泊、水庫(kù)、海洋等，是洼地積水的寬闊水面。本文首先構(gòu)建面狀水系（河流、運(yùn)河、溝渠、水體）的中心線，形成水系結(jié)構(gòu)線；再與單線水系共同構(gòu)成完整的河流網(wǎng)絡(luò)[3]。

1.2 數(shù)據(jù)對(duì)象

將水系抽象為河流網(wǎng)絡(luò)，仍需進(jìn)一步細(xì)化河網(wǎng)的構(gòu)成。河段是指兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的有向線，如圖1中8號(hào)點(diǎn)與9號(hào)點(diǎn)間的有向線。河段高差是指河段中首點(diǎn)高度減去尾點(diǎn)高度，高差為負(fù)的河段屬異常，如圖1中3號(hào)點(diǎn)到1號(hào)點(diǎn)為河段異常。1級(jí)河網(wǎng)是指源頭到交匯點(diǎn)的河段。剝離1級(jí)河網(wǎng)后，按照1級(jí)河網(wǎng)原理標(biāo)定的河網(wǎng)為2級(jí)河網(wǎng)，依次類推。源頭是指河段的首點(diǎn)且懸掛，如圖1中的8號(hào)點(diǎn)；終點(diǎn)是指河段的尾點(diǎn)且懸掛，如圖1中的1號(hào)點(diǎn)（錯(cuò)誤的終點(diǎn)）。流經(jīng)點(diǎn)是指兩條河段的連接點(diǎn)，只有兩個(gè)端點(diǎn)在此重疊。流經(jīng)點(diǎn)異常（如圖1的3號(hào)點(diǎn)）說(shuō)明該處違背了一首一尾的連接方式，經(jīng)過(guò)流經(jīng)點(diǎn)的河段具有相同的河網(wǎng)級(jí)別。交匯點(diǎn)是指3個(gè)及以上的河段端點(diǎn)在此重疊，若交匯點(diǎn)均由首點(diǎn)或尾點(diǎn)構(gòu)成，則屬于異常，如圖1的9號(hào)點(diǎn)和7號(hào)點(diǎn)。

圖1 河網(wǎng)的數(shù)據(jù)對(duì)象

1.3 主要特點(diǎn)

不積小流，無(wú)以成江海。一條條支流，逐漸匯成干流，呈樹狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。終點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)小于源頭數(shù)，因此保證河流終點(diǎn)正確比保證源頭正確的工作量小很多。圖2中藍(lán)色方塊表示終點(diǎn)，綠色圓點(diǎn)表示源頭，直觀上也能反映其數(shù)量關(guān)系。

圖2 河網(wǎng)的樹狀結(jié)構(gòu)

流向錯(cuò)誤主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：①河段高差為負(fù)數(shù)，并使用特殊顏色表示；②流經(jīng)點(diǎn)是兩個(gè)河段的連接點(diǎn)，兩個(gè)首點(diǎn)或尾點(diǎn)連接則顯示結(jié)點(diǎn)異常；③3個(gè)或3個(gè)以上的河段交匯處，若均為首點(diǎn)或尾點(diǎn)，標(biāo)記異常。異常并不總是在第一時(shí)間被揭示出來(lái)，可能會(huì)在剝離1級(jí)河網(wǎng)、2級(jí)河網(wǎng)后才會(huì)出現(xiàn)。

2 算法與程序設(shè)計(jì)

2.1 算法設(shè)計(jì)

本文根據(jù)樹狀結(jié)構(gòu)、水往低處流、首尾相接等河網(wǎng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)算法。首先驗(yàn)證每個(gè)終點(diǎn)，并標(biāo)記流經(jīng)點(diǎn)、交匯點(diǎn)中的異常，標(biāo)記并提取1級(jí)河網(wǎng)；再對(duì)剩余數(shù)據(jù)重復(fù)上述處理，標(biāo)記2級(jí)河網(wǎng)；以此類推，直至交匯點(diǎn)為空集為止。

算法的具體步驟為：①目標(biāo)數(shù)據(jù)添加字段；②驗(yàn)證河網(wǎng)終點(diǎn)的正確性，修改高差為負(fù)的河段流向；③人工處理流經(jīng)點(diǎn)和交匯點(diǎn)的異常情況；④標(biāo)記1級(jí)河網(wǎng)；⑤重復(fù)步驟②、③、④，分別標(biāo)記為2、3、…、n級(jí)河網(wǎng)，直到交匯點(diǎn)列表為空。

2.2 程序簡(jiǎn)介

本文采用的開發(fā)語(yǔ)言為Python 2.7，主要模塊為ArcPy。針對(duì)ArcGIS的gdb和mdb格式數(shù)據(jù)由若干功能函數(shù)組成，本文將功能函數(shù)的調(diào)用設(shè)計(jì)為人機(jī)交互式和一鍵式兩種模式。函數(shù)的主要功能和形式參數(shù)為：

1）刪除字段和增加字段：del_fld_2_fc(workspace'fc'flds)、add_fld_2_fc(workspace'fc flds)。

2）河段端點(diǎn)坐標(biāo)：hydl_2_ptf_ptl(workspace'fc)。

3）端點(diǎn)重疊個(gè)數(shù)（含首點(diǎn)、尾點(diǎn)和總端點(diǎn)數(shù)）：hydl_2_ptf_ptl_pts(workspace'fc)。

4）結(jié)點(diǎn)類型（源頭、終點(diǎn)、流經(jīng)點(diǎn)、交匯點(diǎn)）：node_type(workspace'fc)。

5）河段高差計(jì)算：ptf1_ptl1_dh(workspace'fc'image_file)。

6）1級(jí)河網(wǎng)提?。篹xport_fenji(workspace'fc)。

7）分汊河段處理：branching_river(workspace'fc)。

8）綜合調(diào)用函數(shù)，主要用于一鍵式運(yùn)行：run(workspace'fc'image_file'flds)。

交匯點(diǎn)為空值時(shí)，布爾值為false，終止執(zhí)行程序；否則持續(xù)依次運(yùn)行上述函數(shù)，初始河網(wǎng)值設(shè)為1，運(yùn)行時(shí)河網(wǎng)值遞增1。除增加、刪除字段外，其他值根據(jù)需要重新計(jì)算，如首尾點(diǎn)列表隨河段的改向變化。

2.3 適用范圍

對(duì)于自然河流，程序運(yùn)行效果非常好；而在溝渠密布區(qū)域有時(shí)會(huì)出現(xiàn)逆樹狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)大量驗(yàn)證“終點(diǎn)”數(shù)據(jù)也無(wú)法提供對(duì)流向判斷的支撐，仍以人工分析為主。

人機(jī)交互模式是在河網(wǎng)每次分級(jí)前修改程序報(bào)出的問(wèn)題，若某源頭錯(cuò)判為終點(diǎn)，不及時(shí)修改，則無(wú)法生成局部1級(jí)河網(wǎng)，涉及的2級(jí)河網(wǎng)也無(wú)法生成，程序會(huì)將矛盾和異常記錄在河網(wǎng)數(shù)據(jù)中，如高差為負(fù)值，在結(jié)點(diǎn)文件中會(huì)記錄結(jié)點(diǎn)異常；一鍵式模式是等程序全部運(yùn)行后再進(jìn)行問(wèn)題修改，需考慮該錯(cuò)誤的影響范圍，易漏改、錯(cuò)改問(wèn)題，往往需要運(yùn)行多次，反復(fù)查看比對(duì)不同級(jí)別河網(wǎng)分級(jí)前的異常記錄。

2.4 河網(wǎng)分級(jí)原理

1）Strahler法。沒(méi)有支流的河流為1級(jí)，級(jí)別相同的河流交匯后的河流分級(jí)將升高1級(jí)，不同級(jí)別的河流交匯后，保持交匯前的高級(jí)別[4]。

2）Shreve法。沒(méi)有支流的河流為1級(jí)，交匯后的河流分級(jí)是交匯前的級(jí)別之和。

程序首先生成1級(jí)河網(wǎng)，剝離并定名為fc_01；再對(duì)剩余數(shù)據(jù)依次生成2、3、…、n級(jí)河網(wǎng)，命名為fc_02、fc_03等。河網(wǎng)分級(jí)結(jié)果符合Strahler法。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文提取安徽省南部某一水系區(qū)域，主要利用該區(qū)域的DLG、DEM、DOM數(shù)據(jù)。DLG中的HYDL數(shù)據(jù)是待驗(yàn)證的對(duì)象[5]。對(duì)HYDL數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，排除溢洪道、干溝、河道干河等不參與河網(wǎng)分級(jí)和流向判斷的要素，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線重疊、微短線、自相交、相交打斷處理[6]。河流也有立交的情況，需查看輸水槽和地上渠的情況，避免這些數(shù)據(jù)的誤處理擾亂（立交不打斷）程序的進(jìn)行。添加字段為后續(xù)分析、計(jì)算的結(jié)果提供信息載體。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量測(cè)試

驗(yàn)證“終點(diǎn)”，逐條修改自然河流河段高差為負(fù)的區(qū)域，并分析其斷在此處的合理性；分析處理全部“流經(jīng)點(diǎn)_異?！保恢饌€(gè)核實(shí)“交匯點(diǎn)_異?！?，并將質(zhì)量測(cè)試結(jié)果符號(hào)化[6]，如圖3所示。

圖3 研究區(qū)范圍內(nèi)部大量的“終點(diǎn)”

1）不合理的終點(diǎn)?？赏ㄟ^(guò)延長(zhǎng)、連接、添加結(jié)構(gòu)線或改變方向來(lái)處理。

2）河流與溝渠混亂。河流與溝渠相交的不合理打斷將干擾河網(wǎng)分級(jí)和水系流向的判斷，排查交匯點(diǎn)個(gè)數(shù)≥4的區(qū)域。河流一定在匯水區(qū)，不管是否進(jìn)行了人工修建?？缭胶恿骱筒煌雀呔€的、不沿地貌低點(diǎn)流動(dòng)的就按溝渠對(duì)待。

3）河流分汊。交匯點(diǎn)之后新增河段數(shù)≥2，則分汊后河網(wǎng)級(jí)數(shù)與分汊前保持一致，執(zhí)行了河網(wǎng)分級(jí)原理；并標(biāo)記分汊點(diǎn)供人工結(jié)合影像圖來(lái)分析。

4）封閉溝渠。類似池塘一樣靜止的水面，沒(méi)有水源，也不外流。按獨(dú)立水網(wǎng)對(duì)待，為1級(jí)河網(wǎng)。

3.3 程序運(yùn)行

一鍵式模式、人機(jī)交互模式實(shí)際上均歸結(jié)為人機(jī)交互模式，差別在于及時(shí)處理問(wèn)題或事后集中處理問(wèn)題。

給定數(shù)據(jù)路徑后，再計(jì)算結(jié)點(diǎn)類型，并給出矛盾結(jié)點(diǎn)和問(wèn)題河段，人機(jī)交互主要體現(xiàn)在這個(gè)環(huán)節(jié)。首先按提示修改每個(gè)問(wèn)題，再計(jì)算結(jié)點(diǎn)類型，生成并提取1級(jí)河網(wǎng)。如此往復(fù)，生成并提取2級(jí)河網(wǎng)、3級(jí)河網(wǎng)等。若不通過(guò)人機(jī)交互處理問(wèn)題，矛盾結(jié)點(diǎn)和問(wèn)題河段將累計(jì)到程序運(yùn)行結(jié)束。分級(jí)后疊加高程模型的河網(wǎng)分級(jí)結(jié)果如圖4所示，正常情況下不使用DEM數(shù)據(jù)。

圖4 河網(wǎng)分級(jí)結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

迭代終止的條件是交匯點(diǎn)個(gè)數(shù)為0或源頭數(shù)為0。表1中5個(gè)字段有4個(gè)字段的數(shù)量在大幅減少，唯獨(dú)流經(jīng)點(diǎn)—異常在增加，剝離上級(jí)河網(wǎng)后，才顯露問(wèn)題，這也是通過(guò)河網(wǎng)分級(jí)解決流向問(wèn)題的價(jià)值所在。終點(diǎn)數(shù)不為0，是由于一條河流兩頭都是終點(diǎn)，程序無(wú)法為其分級(jí)，改正存在的錯(cuò)誤后程序才能運(yùn)行徹底。由于存在結(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤，初次運(yùn)行的分級(jí)結(jié)果并不完全可靠，改正存在的錯(cuò)誤才能得到滿意的結(jié)果。

表1 分級(jí)結(jié)點(diǎn)類型統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

河網(wǎng)分級(jí)是解決水系流向問(wèn)題的手段。通過(guò)確保河段終點(diǎn)的正確性，推算結(jié)點(diǎn)關(guān)系和終點(diǎn)所在河段的高差，可大幅提高解決水系流向的工作效率。