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1、第 15卷第 3期 湖 泊 科 学 Vol.15, No.3 2003 年 9 月 Journal of Lake Sciences Sep., 2003流域水系自动提取的方法和应用*李昌峰1 , 2冯学智3 赵 锐1( 1 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京 2 1 0 0 0 82 中国科学院研究生院北京 1 0 0 0 3 9 3 南京大学城市与资源学系南京 2 1 0 0 9 3 )提 要 讨论由栅格数字高程模型( D E M ) 自动提取流域水系的原理和方法并以西苕溪中上游流域为研究区进行了河网生成实验. 研究表明在山地丘陵区和平均地形坡度不小于 3的区域所生成河网具有很高的可靠性.
2、 为了解决在平均地形坡度小于 3 的平坦区域河网生成中产生的虚拟河网与自然水系偏差较大的问题提出了利用主干河道和平原水系数字化作为约束条件的生成河网的方法取得了与实际情况比较接近的结果从而使水文要素的模拟更具有实际意义.关键词 水系 D E M 自动提取 集水区面积阈值 流域分类号 P334+.911 基于D E M 的流域水文建模研究从 2 0世纪 8 0年代后期以来数字技术就促使一切科学技术发生着一场深刻的变革水文科学也正在经历着这样一场前所未有的洗礼水文科学与计算机及信息科学的交叉就 形成了当前研究比较活跃的数字水文学1. 随着描述流域下垫面空间分布信息技术的日 益完善流域地形分水线河网
3、子流域的表达和集水面积的计算都能用数字技术来实 现 流域水文模拟的研究方法也开始产生了根本性的变化 分布式物理模型被广泛研究. 当 前基于数字流域模型的产汇流理论的应用构成了数字降水径流模型模型的基本地形参数可以自动计算而且还可以方便的使用具有空间分布特征的遥感信息大大提高了水文 模拟的效率丰富了模型的信息能够充分反映下垫面的空间分布不均匀对水文循环的影 响2. 在流域水文模型的构建中利用数字高程模型( D i g i t a l E l e v a t i o n M o d e l ) ( D E M ) 进行流域水文模拟并提取水文要素信息得到了众多学者的关注.D E M是描述地面高程值空
4、间分布的一组有序数组能够反映一定分辨率的局部地形特 征是目前用于流域地形分析的主要数据因此也就能根据地形的局部特征借助一定的 算法 进行一定地理空间范围内的水文模拟. D E M 通常有格网( G R I D ) 不规则三角网( T I N s )和矢量( 数字划线) ( D L G s ) 3 种形式3其中栅格 D E M 比较普遍计算处理方法简单有效且和遥感数据在结构上容易匹配在流域水文模拟中得到普遍应用2. 当前许多学者* 中国科学院知识创新工程重大项目KZCX1-SW-12-1-2领域前沿项目CXNIGLAS- A02- 11联合资助. 2002-12-15 收稿2003-05-19收
5、修改稿. 李昌峰男1972 年生博士研究生. E-mail: 206 湖 泊 科 学 15 卷都致力于从栅格 D E M 中提取流域河网和分水线这两大地貌特征因为这两大特征是流域水文建模的主要参数是实现流域空间离散化的有效途径. 在 D E M 的基础上有多种比较成熟 的提取流域水文要素信息的方法4所提取流域的数字特征包括确定单元格网的流向 汇流路径河网间的拓扑结构等过程从而为水文模型提供下垫面数据的输入. 基于格网的地形分析技术在流域水文建模中的应用一般采用了 O C a l l a g h a n和 M a r k的坡面径流模拟方法5J e n s e6, G a r b r e c h
6、t7等在此基础由做了进一步的改进这种算法通常被称为 D 8算法后又有许多学者提出了多种确定水流流向的算法8如 R h o 8 , F R h o 8 ,T A P E S - C 算法等. 不同的算法会产生不同的结果D 8 是比较传统的算法得到了较为广泛的应用. 基于 D E M生成数字流域有多种成熟的软件可用通过这些软件可以方便的实现上 述的一系列算法并可形成数字水文的地形基础. 常用的软件有E S R I 提供的 G r i d 模块 可以在 A r c / i n f o , A r c v i e w中直接调用美国陆军工程公司研制的 G R A S S G e o g r a p h
7、i cR e s o u r c e s A n a l y s i s S u p p o r t S y s t e m 系统9R S I 提供的 R i v e r T o o l s 目前发展到 2 . 4版本它的一个特点是可以处理很大的 D E M 数据G a r b r e c h t J . , M a r t z L . W . 的 T O P A Z1 0 ( T O p o g r a p h i c P A r a m e t e r i Z a t i o n ) 工具美国 B r i g h a m Y o u n g 大学环境模型研究实验室开 发的 W M S1 1
8、( W a t e r s h e d M o d e l i n g S y s t e m ) 软件以及 A r c V i e w + S p a t i a l A n a l y s t1 2等 软件. 这些软件都可以进行空间任何地点的水流流向分析计算上游集水区面积生成流 域河网进行流域分割及其它水文建模分析. 不同的软件包含着不同的算法生成的数字 流域具有一定的差别. R i v e r t o o l s A r c V i e w + S p a t i a l A n a l y s t在可视化分析上要明显的 优于其它软件但对大块平坦区的处理不尽人意. T O P A Z 算
9、法完善但程序必须在 D O S下运行运行结果必须导入到 G I S 系统里进行可视化显示程序操作比较复杂. 国内学者在基于D E M 的数字水文建模研究中也作了大量的工作 任立良等人利用T O P A Z 进行了史灌河流域的水文模拟研究1 3李清河等人利用 D 8算法进行了径流路径的模拟1 4台湾学者廖学诚等人利用 D E M进行了森林区径流路径的模拟1 5闾国年等人提出 了基于栅格 D E M 利用地貌形态组合的方法提取流域河网和分水线的新方法1 6等.2 基于栅格D E M 提取流域自然水系2 . 1 基本原理 从 D E M中自动提取流域自然水系是依据水总是沿斜坡最陡方向流动的原理确定
10、D E M 中每一个高程数据点水流方向然后根据高程数据点的水流方向数据来计算每一个高程数 据点的上游集水区 再根据上游集水区的高程数据 用阈值法确定属于水系的高程数据点 最后根据水流方向数据从水系源头开始将整个水系追索出来1 7同时进行子流域的划分并对河网与子流域进行编码构建河网结构拓扑关系. 由 D E M 自动提取流域自然水 系的模块化流程见图 1 .2 . 2 栅格D E M 数据预处理 上述从 D E M中自动提取流域自然水系的前提条件是在 D E M中不能存在小平原和洼地等地形所有的地形都必须由斜坡构成. 否则所提取的水系通道是断断续续的. 而从 地形图上数字化得到的栅格 D E M
11、包含有小平原和小洼地 D E M数据的预处理就是将数据中的小洼地和小平原改造成斜坡的延伸部分 1 8 . 在 D E M中水流可以由一栅格点流入相3 期 李昌峰等: 流域水系自动提取的方法和应用 207邻某一栅格点再由该栅格点流向另一个相邻的栅格点如果水流流入某栅格点后不能流向其他相邻栅格点 那么该点即为D E M 中的渗坑. 在实际操作中 采用3 3 模板( 图2 ) D E M 中的渗坑即将模板沿扫描线方向移动如果模板中心栅格高程值满足条件p0pk( k = 1 , 2 , 8 )( 1 )则 p0即为渗坑. 将以上操作针对 D E M中的所有扫 描线逐条进行 则可以检测出D E M 中的
12、所有渗坑. 对 所有的渗坑采用填充和平滑处理的方法使凹陷点的高程值等于周围点的最低点的高程值同时消除 栅格化和投影转换过程中高程数据重采样而产生的无值格网和凹陷点. 通过上述高程值修改过程 D E M中所有栅格点的高程值均大于或等于最低出水口点的高程值这样就创建了一个具有水文学意义 的 D E M 保证了从 D E M数据中提取的流域自然水系 是连续的. 2 . 3 格网流向及水流聚集格网点的确定 经过预处理的D E M 就可以用来计算格网内部的 水流流向以及水流集聚点的上游集水区格网数算 法一般采用传统的D 8 算法1 9. D 8 算法可以这样描述依据水流总 是沿斜坡最陡方向流动的原理一个
13、栅格单元的水流流向可以定义为与之相邻近的8 个格网点中坡度最陡的单元( 图3 ) . 坡度按下式计 算Dhhji ij= arctg 2式中hi是栅格单元高程hj是相邻栅格单元高程D 为两个栅格中心之间的距离若两栅格单元为水平或垂直方向相邻则D 为单元格长度若为对角线方向则D 为2单元格长度( 图4 ) 流动的8 个方向分别用不同的代码编码. 为了具体说明建立了一个5 5 的 栅格数据模型( 图5 ) 图中数字表示格网单元的高程值用以上计算坡度的方法循环处理 每个格网点直到每个栅格点的水流流向都得到确定这样表示整个流域栅格单元之间连 通性的水流方向栅格数据模型就建立起来了( 图6 ) . 图6
14、 中的箭头表示格网内水的流向( 为了直观用不同方向的箭头代替了编码值)2 0. 在每个栅格点流向确定的基础上通过 计算汇聚到每个栅格点上的上游水流直接或间接流向该栅格点的栅格数目就确定了该栅格点的上游集水区面积从而建立了水流聚集点数据模型( 图7 ) . 2 . 4 生成流域河网当栅格流向格网数据模型和水流集聚栅格数据模型建立之后就可以用来生成流域 河网了. D E M 中某一个栅格点若能够形成水系则必须存在一定规模的上游给水区因此可以根据研究区的气候特征选择适当的上游给水区面积阈值并将上游集水区面积数值大P4P3P2P5P0P1P6P7P8图 2 3 3 模板F i g . 2 3 3 t
15、e m -输入 D E M数据预处理栅格单元流向设定单元集水面积生成流域分水线判别河网生成河网节点编码河网特征值计算河网结构拓扑关系生成图 1 D E M自动提取流域水系流程图 F i g . 1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f a u t o - m a t i c a l l y e x t r a c t i n g s t r e a m n e t w o r k208 湖 泊 科 学 15 卷于 或等于上游给水区面积阈值的栅格点标上水系栅格点标记( 图8 ) . 然后可以按S t r s h l e r 的 水系系统分级方案2 1对整个水系进行追索与分级. 流域内上游集水区面积等于上游集水 区面积阈值的格网点生成为水道的起始点大于上游集水区面积阈值的格网点生成为水道 2 2从水系起始点开始根据水流方向数据向下游逐步追索级水系每追索出一个 水系栅格点就将S
