基于空间信息技术的湖泊流域信息提取研究

基于空间信息技术的湖泊流域信息提取研究作者：魏志忠任春涛曹有玲李卫平

来源：《城市建设理论研究》2013年第10期

摘要：数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM)是地形表面形态属性的数字化表达，被广泛应用于流域水文模拟中河网水系的提取研究。从DEM直接提取的河网水系及相关的流域地理空间信息，是分布式水文模拟的地理信息平台。通过对SRTM数据处理，运用SWAT模型对呼伦湖流域的DEM进行水文特征提取，分析流域分布情况。呼伦湖全流域面积为25.6万km2，蒙古国部分为16.3万km2，约占总面积的63.7%。呼伦湖的主要水源、产汇流条件较好克鲁伦河和哈拉哈河，其产流区大部分位于蒙古国境内。两国应加强流域综合管理，合理配置水资源，以保证下游入湖的水量来防止呼伦湖的持续萎缩。

关键词：DEM，SRTM数据，SWAT模型,呼伦湖流域

1 引言

数字高程模型(Digital Elevation Model,简称DEM)是地形表面形态属性的数字化表达，被广泛应用于流域水文模拟中河网水系的提取。从DEM直接提取的河网水系及相关的流域地理空间信息,是分布式水文模拟的地理信息平台[1]。

湖泊及其流域是人类主要的生境所在，但随着社会经济的发展，湖泊水环境恶化和流域生态退化等问题也随之出现[2]。而目前对湖泊和流域的研究也大多将二者割裂，忽视了湖泊-流域的生态系统完整性[3]。同时流域管理也采取的是一种分散化、以行政辖区为基础的管理模式，对于一些跨国界的湖泊流域所面临的问题更为复杂。

本文利用空间信息技术及计算机地理信息系统软件，通过对SRTM数据处理，对呼伦湖整个流域的DEM进行水文特征提取，分析流域水文特征。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

呼伦湖位于内蒙古自治区呼伦贝尔市境内，介于116°58’-117°48’ E，48°33’-49°20’ N之间。湖面呈不规则斜长方形，轴向为东北至西南方向，长度为93km，最大宽度为41km，湖水多年平均面积在2000km2左右，平均水深5.7m。

呼伦湖属于额尔古纳河水系。流域地处中温带半干旱大陆性季风区，多年平均降水量为268mm。湖水的补给除大气降水外，主要来自发源于蒙古国肯特山脉的克鲁伦河；连接贝尔湖和达赉湖的乌尔逊河；以及湖东北部的新开河。新开河是一个吞吐性河流，海拉尔河水大时，顺该河流入呼伦湖，呼伦湖水大时又顺此河流向额尔古纳河(见图1)。

2.2 数据来源

本文使用的DEM为SRTM数据。SRTM是世界上第一套高分辨率海拔高度模型，公开发布的数据分辨率为3弧秒（经度和纬度的1/1200），长度相当于90m，可免费下载使用 [4]。

登陆美国地质勘探局数据库网站（），输入呼伦湖流域的坐标范围（107°00’-123°00’ E，45°30’-50°30’ N）后获取SRTM数据。下载后数据为格栅图像，椭球体坐标系统为WGS_1984。因流域东西跨度大，为减少因变形而产生的面积计算误差，本文所有图件均采用阿尔伯斯双标准纬线多圆锥投影系统，双标准纬线选取40°N与50°N，中央经线选取115°E。

3呼伦湖流域数字分析

3.1 水流方向计算

从栅格DEM上提取流域信息，首先必须确定各个栅格单元的水流方向。判断流向的方法也比较多，目前应用广泛的为单流向法。

单流向法假定一个网格中的水流只从一个方向流出网格。D8算法是较早提出并得到广泛应用的一种单流向算法[5]。它用最陡坡度法来确定水流的方向，在3×3的网格中，计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差，即相邻网格与网格中心点的高程差除以与网格中心点之间的距离，然后取距离权落差最大的网格作为中心网格的流出网格，而该方向即为中心网格的流向。这种方法对自然状态的水流方向进行了极大的概括，认为网格的产流是点源(即网格中心点)，河道则用一维的线来描述，也删掉了水流方向的无穷多种可能性。

3.2 数字河网与流域边界的确定

河网生成需要先对DEM数据进行填洼处理。洼地是高程小于相邻周边的点，它们的存在会阻碍自然水流朝流域出口的流动。因此对每一个格网点进行查找，找出凹陷点并使其高程等于周围点的最小高程值，生成新的无洼地DEM。然后按最陡坡度原则确定水流路径，并计算每一个网格单元上的上游集水面积。集水面积的量纲以网格数目(投影后可使用面积单位作为输入值)的多少表示，从而产生包含每个网格单元上坡面汇水面积的新矩阵，把它定义为最小河道集水面积阈值。当网格的上游集水面积超过此阈值时，这些网格点就定义为河道[6]。

流域边界确定与子流域划分是在确定流域出口断面位置后，以流域干流上的每个支流为单元划分子流域，即一旦河网定下来，子流域也就确定了。通过沿流向前进的方法确定每个网格汇入哪个支流，即属于哪个子流域，从而将整个流域划分为若干片子流域。

图2表示了基于DEM提取河网的主要步骤的简单示意图，图2(1)表示的是原始DEM数据；图2(2)表示的是利用原始DEM通过D8算法计算得到的每个格网的流向数据；在此基础

之上，进一步计算得到每个格网的汇水面积矩阵，如图2(3)所示，若将最小河道集水面积阈值定义为5个网格，即可最终提取图2(3)中灰色区域表示的河网网格。

(1) (2) (3)

图2 DEM提取河网的主要步骤

4 结语

充分利用了空间信息技术的大范围、高时效等特点，使用SRTM数据对湖泊流域水文特征提取研究，尤其对跨国界的流域研究中有很好的作用，弥补了因国界阻隔、地区偏远无法到达所引起的数据收集困难等问题。

通过SWAT模型的数字水文分析及Arc GIS的空间分析，得出呼伦湖流域面积为25.6万km2，在蒙古国境内的面积为16.3万km2，约占63.7%，我国境内的面积为9.3万km2，约占36.3%。

呼伦湖的主要水源克鲁伦河和乌尔逊河的大部分均位于蒙古国。蒙古国流入我国的水量多少在很大程度上决定了呼伦湖的扩张与萎缩的命运，当前急待解决的问题为加强上游水资源的合理配置，以保证下游入湖的水量来防止呼伦湖的持续萎缩，两国政府部门应加强联系，重视国际协商和流域综合管理。

参考文献

[1] 万民,熊立华,卫晓婧. 数字高程模型预处理方法的研究进展[J].水文, 2008,28 (5): 25-30.11-17,42.

[2] 吴贻名,李元红. 干旱区流域生态环境质量现状评价研究[J]. 中国农村水利水电, 2001 (1): 25-30.

[3] 张步翀,李凤民,成自勇,等. 河西内陆河流域生态环境综合治理研究[J]. 中国农村水利水电, 2001 (1):43-45.

作者简介：魏志忠,男，（1976-）,鄂尔多斯人，工程师，从事市政工程和城市给排水研究。

资助基金项目：内蒙古自然科学基金项目（2011BS0604，2010MS0611）。