ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究

论文题目ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究姓名所在学院专业班级学号109042010006指导老师二○一三年一月四日数字高程模型10GIS姜婷109042010006 ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究——以闽江流域建溪水系为例姜婷（福建师范大学地理科学学院，福建省福州市350108）摘要：选择闽江流域建溪水系为研究对象,以数字高程模型DEM(Digit Elevation Models)为基础,利用ArcGIS软件的水文分析工具从DEM数据中提取研究区域的流域水文特征的详细过程。

主要包括:DEM的生成和预处理、水流方向的确定、水流累积量提取、河网的提取和子流域的划分。

结果表明，利用该方法提取的河网与利用手工方法提取的河网基本一致，从而证明该方法具有较高的精度。

关键词：数字高程模型；水文特征；ArcGIS；提取；建溪水系21世纪以来水资源危机日益突出，水文模型已经成为目前国内外水文学研究的热门课题。

随着“3S”技术的发展，为水文科学注入了新的血液。

目前水文模拟技术趋向于将水文模型同GIS 与RS集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。

数字高程模型DEM (Digital ElevationModel)是用一组有序数值阵列形式表示地面点的平面坐标(x,y)和高程z的一种实体地面模型。

它包含了大量的地理信息,是构成GIS的基础数据，其用途十分广泛,利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。

目前,利用DEM进行流域分析的工具很多,ArcGIS的水文分析模块(Hydro logymodel)是美国环境系统研究所公司(ESRI)为ArcGIS推出的一个水文分析模块,主要用于地形和河流网系的提取和分析,实现地形模型可视化,其强大的流域特征分析功能可以满足各种流域DEM处理的需要。

1流域概况建溪是闽江上游三大溪中最大的溪流，是一个树枝状水系。

水系源头在武夷山脉和仙霞岭余脉，南平以上流域面积16396平方公里，占闽江流域的27%。

河系贯通崇安、建阳、浦城、松溪、政和、建瓯、南平七个县市。

河流总长635.6公里，流域内有大小溪流120多条。

流域内气候温和湿润，处于高雨区，年平均降雨量1800～2200毫米。

建溪的年均流量每秒521立方米，年径流量164亿立方米，约占闽江总流量的1/3。

流域内山区海拔差异明显,因而该水系具有河流比降大、源短流急、易发洪水等特点。

本文基于该流域的数字高程提取流域水文信息为不同尺度的水文模型提供参数,并可满足各种水文模拟的应用需求。

2基于DEM的流域水文信息提取流域水文信息是进行水文模拟的必要信息，提取流域信息也是构建现代化水文模型、进行水文模拟以及其他相关研究的前提。

作为研究水文模型和水文状态变量空间分布的基础数据,DEM 的一个重要用途就是提取地貌指数。

本文采用ArcGIS中的水文分析模块进行流域水文信息的提取。

流域水文特征提取的主要过程包括：DEM 的生成和预处理、水流方向的确定、汇流累积量的计算、河网的提取和子流域的划分。

2.1DEM数据的来源和预处理本文的栅格DEM数据采用国际科学数据服务平台（/index.jsp）提供的SRTM90米空间分辨率基础高程的数据。

根据闽江流域建溪水系的经纬度坐标,确定出该数据的列号为60行号为7。

首先利用ArcGIS软件切出建溪流域所在区域的DEM，其中包括崇安、建阳、浦城、松溪、政和、建瓯、南平七个县市，从而生成本实验所需的DEM数据，见图1。

图1切割出的建溪流域DEMDEM 被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插及一些真实地形的存在，使得DEM 表面存在着一些凹陷的区域，即洼地。

这些洼地将在水流方向计算时，造成有些水不能流出洼地边界，从而产生很大的误差或不能计算出合理的结果，因此必须对数据进行预处理即进行填洼处理。

通过进行填洼处理生成了无洼地的DEM，在无洼地DEM 中，自然流水可以顺利地流至区域地形的边缘，进而借助无洼地DEM 对原数字模型区域进行自然流水模拟分析。

在ArcGIS 中通过洼地提取和洼地深度计算得到填挖阈值，然后利用hydrology 中的fill 工具实现填挖，为了实现洼地的充分填挖，这个过程一般需重复进行几次。

如果分析时对下陷点没有要求，可以全部填挖，而不需要进行阈值设置。

利用DEM处理生成的闽江建溪流域河网见图2。

（a）处理前（b）处理后图2DEM 预处理前后生成的河网比较2.2水流方向与汇流累积量地表径流在流域内总是从地势高处流向地势低处，最后经流域出口排出流域。

流向的确定建立在流域3×3的DEM格网的基础上。

水流方向就是指水流离开格网时的指向，它决定着地表径流的方向及格网单元间流量的分配，是基于DEM 的分布式水文模型中的一个十分关键的问题。

目前，确定流向的算法主要有单流向算法(Simple Flow Direction，SFD)和多流向算法(Multiple Flow Direction，MFD)两种，因单流向算法简单方便而得到广泛的应用。

单流向法假定一个格网中的水流只从一个方向流出格网，然后根据格网高程判断水流方向。

目前应用最广泛的单流向法是D8(Deterministic 8)法，也为本文所采用。

此外，还有Rho8法、DEMON法、Lea法和D ∞法等。

D8算法的基本原理是：假设单个格网中的水流只有8种可能的流向，分别定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并用128、1、2、4、8、16、32和64这8个有效特征码表示，即流入与之相邻的8个格网中。

它用最陡坡度法来确定水流的方向,计算中心格网与各相邻格网间的距离权落差，取距离权落差最大的格网为中心格网的流出格网，该方向即为中心格网的流向。

被处理格网单元同相邻8个格网单元之问坡降的算法为：S=AZ／D，AZ为两个格网单元之间的高差，D 为两个格网单元中心之间的距离。

格网方向的编码如图3所示（如果格网X的水流流向右边，则其水流方向被赋值1）。

图3格网方向编码示意图流水累积量矩阵表示区域地形每点的流水累积量,可用区域地形曲面的流水模拟方法获得,即假设以规则格网表示数字地面高程模型每点处有一个单位水量,按水流从高处流向低处的规律,根据每点处流过的水量数值便可得到该区域水流累积数字矩阵。

假定降雨量未被地表截留、蒸发或损失,输出的流水累积量矩阵表示流经每个栅格的降雨量。

由水流方向数字栅格矩阵产生的流水累积量栅格矩阵见图4。

在ArcGIS中通过Fill Accumulation工具确定所有流入本单元格的累积上游单元格数目来生成流域汇流能力栅格图。

从每个栅格单元格出发依次扫描水流方向矩阵，沿水流方向追踪直到DEM边界。

当整个水流方向矩阵扫描完毕，就可以得到流域汇流能力的栅格分布图。

图4网格流向与流水累计矩阵2.3河网的提取当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，那么所有那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。

预先设定一阈值,以水流累计矩阵数据(水流累计量)为标准,高于此阈值的网格就会连接起来,这样便产成了河网经络。

阈值的设定在河网的提取过程是很重要的，并且直接影响到河网的提取结果。

在设定阈值时，应充分对研究区域和研究对象进行分析，通过不断的实验和利用现有地形图等其它数据辅助检验的方法来确定能满足研究需要并且符合研究区域地形地貌条件的合适的阈值。

本文以闽江流域建溪的DEM数据为基础，分别将提取河网的阈值设置为1000，2000，5000。

利用上述过程得到不同尺度的河网(如图5)。

通过对比可以发现，当阈值设为5000时得到的流域较为合适。

这种方法通过不同阈值的改变即可得到相对合理的河网提取结果。

（a）阈值：1000326412816X 1842（b）阈值：2000（c）阈值：5000图5不同阈值下提取的河网2.4河网的分级生成整个流域的河网系统后,不同的支干流连接怎样用数字表示带入分布式水文模型计算,即河网计算优先顺序问题,就要考虑河网分级问题。

河流分级是对一个线性的河流网络以数字标识的形式划分级别。

在ArcGIS的水文分析中，提供两种常用的河网分级方法：“STRAHLER分级”与“SHREVE分级”。

Strahler分级是将所有河网弧段中没有支流河网弧段分为第1级，两个1级河网弧段汇流成的河网弧段为第2级，如此下去分别为第3级，第4级，一直到河网出水口。

在这种分级中，当且仅当同级别的两条河网弧段汇流成一条河网弧段时，该弧段级别才会增加。

而对于Shreve 分级，两条1级河网弧段汇流而成的河网弧段为2级河网弧段，那么对于以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是由其汇入河网弧段的级别之和。

一般来说，“SHREVE ”分级较“STRAHLER”分级更为细致，可以表达一种渐变的效果；而“STRAHLER”分级则比“SHREVE”分级更能反映河流的等级状况。

具体使用哪种分级方式，应视具体的应用要求而定。

利用上述两种方法得到不同的河网分级结果(见图6)。

本文采用阈值为5000并用Strahler分级方法提取的河网。

（a）河网的Strahler分级结果（b）河网的Shreve分级结果图6不同方法的河网分级结果2.5子流域的划分根据提取的河网信息可划分子流域,即以干流上的每个支流为单元划分子流域,根据子流域矩阵可得每个子流域的范围,再找出所有子流域的边界点,通过GIS 控件生成子流域图。

生成子流域后，需要用ArcGIS软件中的ArcMAP模块检查一下子流域划分的是否合理,如不合理还要重复以上的生成河网的步骤，直到子流域合理为止。

图7为通过DEM生成的闽江建溪河网与子流域合并图,共计生成261个子流域。

由图7可看出,生成的水系能较好地模拟该区域的实际水系,同时通过生成水系的属性可确定每一河段两岸的集水面积、河道上游末端节点,从而建立河网节点和河段的拓扑关系。

图7根据DEM提取的建溪流域水系与子流域图3结果与分析将研究区的纸质河网分布图进行扫描，并通过几何纠正配准到同一投影坐标系下，与利用DEM自动提取的河网分布图进行空间对比分析。

为了检验计算机自动提取的流域和实际流域之间的误差，将地形图和遥感影像经过几何纠正配准到同一投影坐标系下，结合已有的DEM生成三维流域地貌图，并将其与利用DEM自动提取的流域进行了空间对比分析，结果表明，两者基本吻合。

生成的水系分级图(基本反映出了南部山区水系河网的分布特征和流向趋势。

本实验的结果基本令人满意，与参考的实际地形图与遥感影像的水文分布特点基本一致。

利用该方法来提取流域的水文特征不仅大大提高了工作效率，而且从提取的数据精度上来说是可以保证的。