陳恬玥

(西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊陵，712100)

0 引言

河流水文信息的研究對水文與水資源專業(yè)具有著重大意義，是每一位水文人的必修課，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展進步，地理信息系統(tǒng)、數(shù)字化流域技術(shù)日益成熟和精進[1]，為利用DEM高程數(shù)據(jù)提取水文信息提供了非常大的便利。數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)，是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)，其主要來源為攝影測量、地面測量、已有地形圖數(shù)字化、用測量儀器實地測量等，因其包含了豐富的水文、地形、地貌等信息，而且獲取方便，常被用來作為水文提取、地形研究的基礎數(shù)據(jù)[2]。本文基于對河流DEM高程數(shù)據(jù)的處理，對水流方向、水流長度、流量等一些水文信息的提取進行相關研究及分析。

1 研究區(qū)概況

渭河子流域(寶雞峽以上)位于渭河流域西部，地處陜、甘、川三省交界處[3]。該流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L氣候，平均氣溫為11℃，一月最低，七月最高，整體呈現(xiàn)由東南向西北逐漸降低的趨勢。受西太平洋副熱帶高壓影響，夏季多雨，秋涼濕潤，冬季受蒙古高壓控制，降水稀少，年平均降水量491.7mm，自東南向西北逐漸減少[4]。渭河流域集中了全省64%的人口、56%的耕地、72%的灌溉面積和81%的生產(chǎn)總值，工農(nóng)業(yè)非常發(fā)達，是陜西經(jīng)濟發(fā)展的核心地帶。寶雞峽作為渭河流域上重要的水利樞紐，其周圍流域河系對其發(fā)揮功效有著重大影響，因此，對其流域水文信息的提取及分析至關重要。

2 DEM高程數(shù)據(jù)來源、鑲嵌及渭河子流域的提取

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用DEM高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù) 云(http://www.gscloud.cn/)的GDEMDEM30m分辨率高程數(shù)據(jù)，取N34＿E103、N34＿E104、N34＿E105、N34＿E106、N34＿E107、N35＿E103、N35＿E104、N35＿E105、N35＿E106、N35＿E107十張影像圖像，并進行鑲嵌處理。

2.2 數(shù)據(jù)鑲嵌

數(shù)字高程模型的鑲嵌與圖像的鑲嵌技術(shù)本質(zhì)大致相同，皆需將若干相鄰的待鑲嵌數(shù)據(jù)通過一定的算法合并成新的完整數(shù)據(jù)[5]。本文基于ArcGIS10.5中的鑲嵌數(shù)據(jù)集(Mosaic Dataset)對DEM數(shù)據(jù)進行鑲嵌，大致分為兩步:

(1)建立鑲嵌柵格數(shù)據(jù)集:在ArcCatalog中先新建個人地理數(shù)據(jù)庫，再在數(shù)據(jù)庫中添加柵格目錄(Raster Catalog)，在目錄底下建立鑲嵌柵格數(shù)據(jù)集(Raster Dataset)。

(2)添加影像數(shù)據(jù)并進行鑲嵌:在右側(cè)的工具欄中點擊Data Mangement——柵格(Raster)——柵格數(shù)據(jù)集(Raster Dataset)——鑲嵌(Mosaic)，將數(shù)據(jù)鑲嵌到數(shù)據(jù)集中，便可得到鑲嵌后的圖像。

2.3 渭河子流域的提取

在提取前應先獲取渭河子流域研究區(qū)面矢量文件，將全國縣級行政區(qū)(面)矢量文件與DEM高程數(shù)據(jù)鑲嵌圖進行疊加，打開圖層屬性表，選中自己所需的區(qū)域，導出數(shù)據(jù)，即可獲取渭河子流域研究區(qū)的面矢量文件，用于裁剪鑲嵌好的圖片。再基于渭河子流域研究區(qū)的面矢量圖對DEM高程數(shù)據(jù)鑲嵌圖進行按掩膜提取，在右側(cè)按照以下順序選擇工具:Spatial Analyst Tools——提取分析(Extraction)——按 掩 膜 提 取(Extraction by mask)，對渭河子流域研究區(qū)進行提取，結(jié)果如圖1所示。

圖1 渭河子流域研究區(qū)DEM

3 水文信息的提取

3.1 水文地理數(shù)據(jù)模型Arc Hydro

隨著科學技術(shù)的進步，對于DEM提取流域水文信息的方法也越來越智能化，人們根據(jù)不同原理開發(fā)了一系列軟件，常用的軟件如ArcGIS、GRASS系統(tǒng)、River Tools、WMS軟件等[6]，不同的軟件提取流域水文信息的側(cè)重點是不同的。Arc Hydro是一個在ArcGIS里面用來分析地理空間的數(shù)據(jù)模型和工具，運用Arc Hydro可以對分水嶺在矢量及柵格狀態(tài)下進行刻畫及描繪，定義及分析水力幾何網(wǎng)絡，管理時間序列數(shù)據(jù)以及設定和導出數(shù)據(jù)到數(shù)字模型，其工具集由Esri和CRWR共同搭建，需要在ArcGIS環(huán)境中運行，一些功能需要空間分析(Spatial Analyst)擴展，可以在對DEM數(shù)據(jù)進行填洼處理后，實現(xiàn)水流的地表模擬過程中的水流方向的確定、匯流量積累以及河流長度的計算、河網(wǎng)的提取等功能。

3.2 洼地填充

DEM被認為是較為光滑的地形表面的模擬，但是由于生成DEM數(shù)據(jù)的過程大多數(shù)是由離散的高程點或者等高線數(shù)據(jù)進行插值(反距離加權(quán)、樣條、克里金插值法)獲得，使DEM數(shù)據(jù)中可能存在一些洼地，如果DEM數(shù)據(jù)不進行填洼處理就用來生成流向，這些洼地像元的數(shù)值會用其周邊像元的最低值填充，進而導致水流流向計算出現(xiàn)偏差[7－8]，影響后期水文信息提取的精確度，因而在提取水文信息之前可使用Arc Hydro中的Fill工具對DEM數(shù)據(jù)進行填洼處理，從而保證從DEM數(shù)據(jù)中提取的自然水系是連續(xù)的。

3.3 計算河流方向及河流長度

在對柵格表面進行填洼處理后需進行流向計算，以確定DEM中每個柵格的水流方向。Arc Hydro中的Flow Direction工具可以通過計算每個柵格單元水流的方向，最終得到整個研究區(qū)水流流向的柵格文件。Arc Hydro模型中利用目前最廣泛使用的單流向算法D8算法，即最大距離權(quán)落差或最大坡降法[9]，在3×3的DEM柵格上，計算中心柵格與各相鄰柵格間的距離權(quán)落差(即柵格中心點落差除以柵格中心點之間的距離)，取距離權(quán)落差最大的柵格為中心柵格的流出柵格。其中以數(shù)值表示每個單元的流向，數(shù)字變化范圍是1～255。具體原理如圖2所示。

圖2 D8算法原理

而對于河流長度的計算，則是基于流向柵格的基礎上應用Arc Hydro中的Flow Length工具，根據(jù)流向柵格計算流長，即計算每個單元格沿著流向到其流向起始點或終止點之間的距離。經(jīng)分析，此研究區(qū)流域水流方向較為復雜，且在研究區(qū)左下部存在一定范圍的水流連續(xù)向東流動的情況，中上部流域河流長度較長，并且河流長度以中上部流域為中心向四周大致呈遞減趨勢。

圖3 渭河子流域河流方向柵格

圖4 渭河子流域河流長度柵格

3.4 計算匯流累積量

匯流累積量是此范圍內(nèi)每點的流水累計程度以數(shù)字矩陣的形式表示，以規(guī)則的網(wǎng)格劃分整個區(qū)域形成柵格圖，水流按照從高至低的自然規(guī)律流動，對每個柵格來說，其匯流累積量的大小即其上游按水流方向流經(jīng)此格網(wǎng)的所有格網(wǎng)數(shù)之和。易知，匯流累積量數(shù)值越大，形成地表徑流的可能性越大，較大值的柵格的連線可能就是潛在河網(wǎng)，匯流累積量為0的柵格像元通常對應山脊線。因此，在提取河網(wǎng)前應先計算匯流累積量，可調(diào)用Arc Hydro中的Flow Accumulation工具進行流量計算。

3.5 河網(wǎng)的提取以及閾值對其的影響

河網(wǎng)指的是分布較密的交錯縱橫的河道所構(gòu)成的水系。自然形成的水系千變?nèi)f化，歸納起來大致可分為3種，即“羽毛狀”“平形狀”“混合狀”，其不同形狀影響著各流域徑流的變化。河網(wǎng)提取過程主要是基于匯流累積量數(shù)據(jù)，當匯流累積量達到一定值時便可通過設定適當閾值來提取河網(wǎng)[10－11]。在ArcToolbox中的Spatial Analyst中調(diào)用柵格工具，輸入公式及不同的閾值后可對不同密度的河網(wǎng)進行提取，分別取閾值為4000，200000，2000000，提取結(jié)果如圖5、6、7所示。

圖5 閾值為40000時的河網(wǎng)分布

圖6 閾值為200000時的河網(wǎng)分布

圖7 閾值為2000000時的河網(wǎng)分布

基于不同閾值下提取的河網(wǎng)密度一般不同，針對此研究區(qū)，在閾值取為2000000時提取出的河網(wǎng)分叉過少，不能描述此區(qū)域的流域分布情況，在一定程度上失去了研究意義。通常情況下，閾值設定的越小，提取出的河網(wǎng)分叉越多、越復雜。因此，進行水流網(wǎng)絡的提取，關鍵是根據(jù)匯流累積量設置閾值，由此可見河系網(wǎng)絡提取的關鍵因子是閾值。

4 結(jié)論

本文以渭河子流域(寶雞峽以上)為研究區(qū)，基于ArcGIS10.5技術(shù)對其DEM高程數(shù)據(jù)進行預處理，并對其水文信息的提取原理及結(jié)果進行了分析研究，得出以下結(jié)論:

(1)在提取鑲嵌好的DEM高程數(shù)據(jù)圖時不采用clip工具，而采用Extraction by mask工具可以避免因柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)坐標范圍不一致而導致數(shù)據(jù)丟失的問題，保證了提取范圍的精確性。

(2)基于不同集水面積閾值提取的河網(wǎng)密度有所不同。閾值是提取流域河網(wǎng)密度的決定性因素，閾值設定越大，提取河網(wǎng)密度較稀疏，可根據(jù)流域自然地理狀況及提取需要設置不同閾值以精確提取河網(wǎng)。

(3)流域是水資源的自然載體，也是水資源規(guī)劃、管理、開發(fā)、利用、保護與科學研究的基本應用單元，通過對流域水文信息的提取可以更進一步對流域的水文要素進行探究，在水文工作上有著重大的意義。

(4)Arc Hydro工具的應用保證了提取流域水文特征信息的高效性以及準確性。隨著Arc-GIS技術(shù)的廣泛應用，研究人員應對其進行更加深刻的研究并且加以創(chuàng)新，熟練掌握，更好地為水文工作的完成提供保障。