基于DEM数据的羊圈沟流域水系网信息提取研究

基于DEM数据的羊圈沟流域水系网信息提取研究
作者：孔辉
来源：《乡村科技》2019年第10期
[摘要] 本文以陕西省延安市羊圈沟流域为研究区，基于羊圈沟流域的SRTM-DEM数据，采用ArcGIS10.2中的Hydrology水文分析模块，对该流域的水流方向、水流长度、流量以及河网和流域分级的信息进行提取和分析，其中也确定了阈值的大小将直接影响流域水系的提取，同时验证了SRTM-DEM数据在水文分析中的应用价值，为该小流域开展的关于土体侵蚀强度以及沟道和坡面治理工程的生态安全保障技术集成的课题提供了研究基础，具有一定的参考价值。

[关键词] SRTM-DEM数据;Hydrology;水文信息;羊圈沟小流域
[中图分类号] P332 [文献标识码] A [文章编号] 1674-7909（2019）10-110-2
本文核心思想是借助DEM这种数字产品和处理平台来提取研究区所需的水文信息。

从数据角度出发，DEM数据内容丰富，包含了水文、地形等重要信息，获取方式相对容易。

另外，其技术路线相对成熟，通过DEM数据提取出水流长、流向、水流汇聚量、流域边界等信息，借助Hydrology模型可以综合计算得出所需的信息。

本文就是GIS空间分析功能在流域水系信息提取中的应用，将研究思路从传统的流域水文统计模型转向了基于地理信息技术和传统水文模型集成的新的分布式水文分析模型。

在传统的水文分析研究中，流域的提取是一个重要的方面，而对流域提取一般采用通过野外实地测绘作业来展绘水系网及获取水文信息，或者通过地形图等已有的图件资料来展绘水系网[1]。

然而，这两种方法的实际操作比较困难，很多险要的地方无法正常进行实地测量。

另外，人力、物力、财力投资巨大。

所以，通过DEM数据来获取相关信息对于水文学研究具有很重要的意义。

1 研究区域概括
研究区域为陕西省延安市羊圈沟流域，位于延安市李渠镇，地处109°31′～109°71′E、36°42′～36°82′N。

羊圈沟流域海拔在1 050～1 295 m，面积200多km2。

地貌以黄土梁和黄土沟为主，属典型黄土丘陵沟壑区。

区域气候为半干旱大陆性季风气候，年平均降水量535 mm，降水多集中在7—9月，约占全年降雨量的79%;年日照时间2 528.8 h，年平均气温
9.4 ℃，气温年较差29.4 ℃，≥10.0 ℃的活动积温2 500.0～3 400.0 ℃。

土壤主要是黄绵土，土壤在抗蚀性方面差，水土流失严重，植被破坏情况严峻，坡耕地、果园、草地和林地为主要土地利用类型。

2 数据与研究方法
2.1 数据信息概括
本文通过在地里空间数据云中下载30 m分辨率的STRM-DEM数字高程模型数据，根据GPS实地采集的位置信息，下载获取N36-E109一景数据，并用边界线掩膜提取所需的数据。

借助ArcGIS10.2desktop平台，联合开发内嵌于ArcGIS的Hydrology模块构建和提取黄土高原地区羊圈沟流域的水文信息。

ArcGIS Hydrology模块核心的水流水系提取的算法是经典的D8算法，通过把DEM数据以栅格的形式表达，对于每个栅格点和周围8个点的栅格数值进行计算，对计算结果做出判断来确定流向，以计算点的汇集水量的阈值来确定河道起始点和所要生成的数字水系[2]。

2.2 DEM处理技术路线
DEM处理技术路线如图1所示。

3 实验设计
3.1 数据的预处理
对所选的ASTGTM_N36E109一景DEM数据进行范围处理，按照经纬度左上
N36°44′13″E109°29′38″至右下N36°41′37″E109°32′17″进行矩形裁剪。

DEM数据本质上是连续光滑的表面，但是由于真实的地形存在起伏，导致DEM数据会存在一些凹陷区域从而产生误差，所以在计算前需要进行数据的预处理、填充洼地。

3.2 流向提取
通过把DEM数据以栅格的形式表达，对于每个栅格点和周围8个点的栅格数值进行计算，对计算结果做出判断来确定流向。

3.3 汇流累积量
从DEM中提取汇流累积量是一个关键的过程，其中包含对于栅格数值计算是阈值的选取，阈值的确定直接影响了该点水流汇聚量和水流模拟流向结合计算所得的水系的矢量提取和流域分割问题。

3.4 水系河网的矢量化提取
目前，河网提取方法主要采用地表径流漫流模型，该模型用于提取河网的核心思想是通过计算之前的汇流累积量，其数值达到设定的阈值，就形成了地表径流水，以此类推，所有大于该设定的阈值的栅格水流点都可以形成表面的水流径流，然后逐步构成了流域的河网信息。

具体所需的设定参数有汇流累积量数值、阈值、河网栅格化、栅格河网矢量化。

3.5 基于汇流量的流域分割
水系集水的区域被称作流域，是指表面的所有径流数据汇聚在一个公共的区域，该区域的出水口排除水流从而形成一个集中的区域，也可以用流域盆地、集水盆地或水流区域等来表述。

其中，基于Hydrology模块的流域分割有如下几个重要步骤：①生成流域盆地（流向信息）;②栅格计算汇水口、出水口;③集水流域的生成。

4 實验结果分析
本文利用ArcGIS平台，采用其中的Hydrology模块，以STRM-DEM数据为研究数据源，对羊圈沟流域水文网信息进行提取和处理，获取相应的研究信息。

采用数字高程模型数据和ArcGIS水文分析模型来提取和获取水系、流域的水文信息，在效率上比传统的做法有了很大的提高，应用十分广泛，其提取的基础信息可以作为基础数据支撑。

唯一存在的问题是从数据的分辨率角度出发，获取的结果会有不同的误差和区别。

本文的实验结果也表明了积水量的阈值对于水系的提取结果有很大影响，阈值越小，河网水系分叉流向越多，水系密集;阈值设定越大，水系越稀疏。

实验结果和分析结果均表明，DEM数据可以有效提取所需的水系网栅格和矢量数据，能反映出相关的信息量，与实际情况的水系分布大致接近，且得到的河网水系信
息可直接作为模型运算参考的参数，而且可以提高运算效率，可以减少获取数据所花费的成本。

参考文献
[1]杨华容，文路军，彭文甫，等.基于DEM和GIS的流域水文信息提取：以巴中市为例[J].人民长江，2016（8）：34-38.
[2]李勇，于宏兵，艾丽娜，等.Arc Hydro模型提取流域水文信息及精度分析：以松花江流域为例[J].水资源与水工程学报，2013（6）：120-123.。