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ArcGIS环境下基于DEM的流域特征提取


第 2 第 4期  8卷 21 00年 1 2月 

湖北 民族学院学报( 自然科学版 )  
Ju a o ue U i rtfr aoatsN t aSi c dtn  or l f bi n esy o  tnli ( a r c ne io ) n   H   v i  N i ie ul e E i

V l2   No 4 o _8 .  De . 0 0 c2 1  

A c I 境 下 基 于 D M 的 流 域 特 征 提 取  rG S环 E
王玉 富 , 王翰钊 
( 州测绘 学校 , 南 郑州 40 1 ) 郑 河 505 
摘 要: E D M分析可 广 泛 用 于诸如 土 方量 计 算 、 通视 分 析、 系网络 分析 等 领域. rG S的 水 文 分析 模 块  水 Ac I ( yrl yM d1 是 目前常用的功能全 面的流域分析 工具之 一, 绍 了 Ac I H do g  o e) o 介 r S环境 下基 于 D M进 行流域特 征提  G E
取 的 一般 方 法.  

关键 词 : E A c I ; yrl ; 域 特 征 ; 取   D M; r S H do g 流 G o y 提 中 图分 类 号 :33 P 3  文 献 标 识码 :   A 文 章 编 号 :0 8 82 (0 0 0 - 4 9 0  10 — 43 2 1 )4 03 — 4

DEM — s d W a e s e   ba e   t r h d Cha a t rsisEx r ci n r c e itc  ta to  

wi   c S En io m e t t Ar GI   vr n n   h
W ANG  Yu一 u. A G  n—z a     W Ha ho

( hnzo eh i l col f uvy gadMapn ,hn zo 5 0 5 C ia  Z e ghuT cnc   ho o  r i  n  p i Z eghu40 1 ,hn ) aS   S en g
Absr c :DEM  n lssc n b   e  n ma y a e s,s c   s e rh r   ac l t n,vsb l y a ay i , ta t a a y i  a   e us d i  n   ra u h a   a t wo k c lu ai o ii i t  n lss  i rv r Sn t r   n l ssa d S   n.Hy r lg   d lo  e S i  n   ft e c mmo l  e  ul e t e   ie ’   ewo k a ay i  n  O o d o o y mo e  fAr GI  So e o     o h n yus d f l—faurd wae s e  a ay i to s Th s a e i to uc s h  g n r l p r a h f tr h d n l ss o l. i p p r nr d e  te e e a a p o c  o  DEM — ba e  wae s e   sd t rh d

c a a tr t s e t c in w t  r GI   n i n n . h r c ei i   xr t   i A e S e vr me t sc a o h o  
Ke wo d DEM ; c S;h d o o y;wae s e   h r c eit s xr c in y  r s: Ar GI y r lg t rh d c a a trsi ;e ta t   c o

D M( it l ao  d1是 用一 组有 序数值 阵列形 式表示 地面点 的平 面坐标 ( Y 和高程 z的一 种  E Dga Ee tnMoe) il v i  ,)

实体地面模型. 它包含了大量的地理信息 , 其用途十分广泛, 可用于诸如土方量计算 、 通视分析 、 水流流量分 
析 、 系 网络分 析 、 水 降雨 量分 析等 , 甚至 移动通 讯基 站 的布设也可 以用 D M进 行分 析. E   目前 , 利用 D M 进 行 流域分 析 的工具很 多 ,rGS的水 文分 析模 块 ( yr  g  oe) E AcI H dol ym d1是美 国环 境 系统  o
研究 所公 司 ( S I 为 A c I 出的一个 水 文分析模 块 , 用 于地形 和 河流 网 系的提取 和分析 , 现地 形  ER ) rGS推 主要 实 模 型可视 化 , 强大 的流域特征 分析 功 能可 以满足 各种 流域 D M 处理 的需 要. 其 E  

1 D M 构 建 方 法    E
D M构 建 的数 学过 程是 : E 根据 区域 内所有 的高 程点 数据 , 傅 立叶级 数 和 多项 式 函数 拟合 地 面高 程 曲  用 面, 即用规则 的数学 曲面拟合不 规则 的实 际地 面 , 后再将 其分成 正方形规 则 区域 或 面积大致 相等 的不规则  然 区域进 行分块 搜索 , 根据 有限个 点进行 拟合 , 成详 细高程 曲面. 要模型 有 : 形 主 规则 格 网模 型 、 高线模 型 、 等 不 
规则三 角 网模 型 和层 次模 型等 .  

根 据工作 目的 、 信息 源情况 和数据 采 集设备 情况 , 目前 构 建 D M 主要有 以下三 种方 法 : 影像 数 据源 ; E ①   ② 地形 图数据 源 ; 地 面实i记 录 ¨ . 于前 两 种方 法 的 D M 构建 , 要将 栅 格数 据 处 理 为矢 量 数据 , ③ 受 0  J基 E 需 并  对 矢量 数据进 行检查 后方 可进行 D M 模 型生 成 ; 三种则 可直接进行 D M模型 构建 , 要实 测 的数据量  E 第 E 但需 大 , 应 的工 作量 也很 大. 相 目前 多用 前两种 方式 进行 D M 构建 , E 其流程 如图 1 示. 所  
收 稿 日期 : 0 0 1 - 2  21-0 0.

作 者简 介 : 宝 富 ( 9 8 ) 男 , 王 15 一 , 高级 讲师 , 要 从 事 空 问 分 析 的 研 究 . 主  

湖北民族学 院学报 ( 自然科学 版)  

第2 8卷 

2 AcI   rG S下 D M 流 域 特 征 提 取  E
梆 格  }

通过 D M 特征提 取进行 流域特 征分 析 , E 主要 有两 个 
过程: 一是地 形特征 的提取 , 二是 水系 特征 的提 取 J .  
2 1 地形特 征的提 取  . r  

地形特 征点 主要 包 括 山顶 点 ( ek 、 点 (ig )  洲   pa ) 脊 r e 、  I d 谷 点 ( h n e) 凹 陷 点 ( i) 鞍 点 ( as ca n1 、 pt 、 p s)和 平 地 点 

矗 .  墓
图 1 D M 构 建流 程    E
F g 1 DEM  u l  rce s i.  b id p o s  

L  

卤 庙  

(l e 等 . pa ) 利用 D M提 取 地形 特 征点 , 通过 一 个 3 3 n E 可 × 
或更 大的栅格 窗 口, 过 中心 网格 与 8个 相 邻 网格 的 高  通 程关 系来进行判 断后 获取.  

对 D M提取 的地形 特征 点进行 数学分 析 , 以获 得相应 区域 的坡 度 、 向等参数 . E 可 坡 坡度 与坡 向是互相 联 

系 的两个 参数 , 度反 映斜坡 的倾斜 程度 , 向反 映斜坡 所 面对 的方 向. 坡 坡 当基 于 D M计 算坡 度 、 向时 , 常  E 坡 通
采用拟合 曲面法求 解 JA c I , rG S的水 文模 块也是 采用 的这种 方法 .   设拟合 曲面的方程 为  ,) 则其 在点 ( 。Y ,。 处 的切平 面方程 为 : Y,   ,。Z)   ( 0Y )  — )+ ( 0Y ) Y—Y )一(  o =0   ,o (  o     ,o ( 0  一 )   其 中  ( ,o  ( 。Y )   Y )   ,。 分别 为 函数 z f x Y 对 , = ( ,) Y的偏 导数.   该点 的坡度 为 :  
O/ = arccos,

f (o 0 +   , ) .    , )  (0 0 +1 Y Y  

坡 向为 :  
3= ac o rc s

畿等.  

除坡度 、 向的计算外 , 坡 地形 特征 的提取 还有表 面积 的计 算 、 网点坡 度 变化率 的计 算 以及 地 表粗 糙 度 的  计算 等. 中 Ac I 其 rGS在进 行表 面积 的计算 时 , 将 D M 格 网分解成三 角 网 , 用海伦公 式 : 是 E 使  
S=, ( / p一0 ( p ) p一6 ( ) p—c . )  

计算 三角形 的面积 , 中 abC 三角形 的三条 边 的长度 ,:( + + )2 其 ,,是 P a b c/.  
从 而求得地表 面积.   在计算任 一 网格点坡度 变化 率时 , 取该 网格点 相邻所 有 网格 点坡 度变 化率 中绝 对值 最 大 的一个 网格  是 点 的值 和它 的符号.   网格表 面的地表 粗糙度 : 网格 实 际表 面积 J s 表与其水 平投 影面 积 J s 投之 比, 记为 :  
CZ =.表 / s S投.  
、 ●● ●● ●●)f  ,j  

t  

2 2 水 系特征 的提取  .

Ac I rG S中使 用的 D M水 系特 征提取方 法基 于 O’ al hn与 Mak ( 9 4 提 出 的坡 面 径流 模拟 方 法 , E C lga a rs 18 。 )  

该方 法 的原理 是先计 算 出各 个 网格单元上 的 汇水 面积 , 然后 结合 汇水面积 阈值 的设定 来判 定河 网. 该方 法使 
用 了水 文学 中汇流 的概念来 判断地 表径 流的路 径 , 而且 能够 生成连 续 的流路 , 因此被认 为是 水系 提取 中较 好  的一种方法 . rG S将水 系特征 提取 的相关命令 集成 在 H do g AcI y rl y菜单 中 , o 使用时可 直接调 用相应 的函数 .  

3 流域 特 征 提 取 过 程 
3 1 洼地填 充处理  .

洼 地一般是 由采样 误差 造成 的 , 也有 的洼地是 地 表形态 的真实 反映 . 因此 , 在洼 地 填充 前 要先 计算 洼 地  深度 , 由此来判 断洼地 是 由数 据误差 造成 的还是地 表 的真实反 映 , 而在进行 洼地填 充时设 置合理 的 阈值 . 从  

洼地填充的原理是 : 扫描每个网格时 , 比较该网格与相邻 的 8 个网格的高程, 如果中心网格的高程 比相  邻 的 8个 网格 的高程都低 , 则将 相邻 8个 网格 中高 程最低 的那 个 网格 的值赋予 中心 网格.   Ac I rG S中洼地填 充 步骤 如下 : 选择 H do g 工具 中的 Fl工 具 , 用可 选项 Zi t 定 要被 填平 的洼  yrly o i l 使 l 确 mi
地 的阈值 , 步骤如 下 :  

1 Fo Drci : ) l i t n 以原始 D M 数据作 为输人 , w e o E 计算 初始 流 向 ;  

第 4期 

王玉富等 : rGS环境下基于 D M的流域特征提取  AcI E

4   4l

2 S k以() ) i : 1 的结果 作为输人 , n 识别 出所有 的洼地 ( ik)  Sns ; 3 Waese : 出洼地 的影响 区域 ; ) t hd 找 r   4 oa Fl 位 于 Acolo\ptl nls ol\oa\ )用 于找 出洼地 最深 深度 ; )Znl i(   l rTobx Saa A a t osZ nl下 : i  y T   5 oa ttts位 于 Acolo\ptl nl t ol\oa\ ) 用 于找 出洼地最 浅深 度 ; )Z nl asc( S ii rT bxSai  ay   osZnl下 : a A sT   6 Mns位 于 Aeolo\DA a sTo \ at M t\下 : 出最深 与最浅 洼地 的差值 . ) iu( rTo x3   nl t ol R s r a ) 求 b y  s e h   进行完 以上操 作后 , 即可完成 洼地填 充 的处 理 , 成 的数 据称 为无 凹陷栅 格数据 ( ersi l sD M) 生 D pes ne   E . o s  
3 2 水流 方 向计 算  .

对 于每个 网格 , 水流方 向 是 指水 流离 开 此 网格 时 的指 向. 定 流 向 的算 法 主要 有 单 流 向算 法 ( i l 确 Smp   e

F wDr tnS D 和多流向算法(M l l F wDr tn M D 两种 , l   ico , ) o ei F ui e l  i co , F ) t  o p ei 其中单流向算法因其简单方便而得 
到广泛 的应用 . 单流 向法假定一 个 网格 中的水 流 只从一 个方 向流 出网格 , 后根 据 网格 高 程判 断水 流 方 向. 然   目前应 用最广 泛 的单 流 向算法 是 D 8算 法. 8算法 中 , 水 流离 开每 一 网格 的方 向简 化 为正东 、 南 、 D 对 东 正南 、   西南 、 正西 、 西北 、 正北 、 东北 8个方 向 , 依次用 代码 l248 1 ,26 18来 表示 , 图 2所示 . 洼地 的  并 ,,,,63 ,4,2 如 无

D M上每一个网格的水流方向都是唯一的, E 一个 网格的水流方向编码取且仅取这 8 个数字中的 1   个. 水流 的流 向是通 过计算 中心 网格与邻 域 网格 的最 大 距离 权落 差 ( 大坡 降法 ) 确  3   6   l 8 最 来 2 4 2 
定. 距离权 落差是 指 中心 网格 与邻域 网格 的高 程 差 除 以两 网格 问 的距 离 , 网格 间 的距 离  与方 向有关 , 如果邻 域 网格对 中心 网格 的方 向值 为 14 1 , ( ,,66 即平行 于 坐标 轴 的 4个  4
.  

● —    

1 \I 6 / 


l  

方向) 则规定两网格的距离为 1其他方向的距离为  , , 其具体计算步骤如下 :   8   1 在 A c p中用 左键单击 A e ol x图标 , 动 A e olo ; ) rMa rT ob o 启 rT obx  2 打开水 文分 析模 块 . 动 A c olo , 开 A ayi T os 具 箱 , 开 hdo g  2 ) 启 r obx 展 T n s   ol 工 l s 打 yrl y 图 o
工 具集 ;  

/I \ 
●  
4  

、  
2  

水 流 方 向 编码 

Fg 2 T e dr cin i.   h   i t   e o
o o e c dn   m w  n o i g


3 双击 F w Dr tn ) l   ico 工具 , o ei 打开水流方 向( l   i co ) F w Dr tn 计算对话框. nu o ei ①I t p  ? ?  0 } ?-    1   sr c dt文本框中选择输入数据 dm; u u fw d etnr t 文本框 中命名  u ae a f   a e ②O t t o ico  s r p  l r i ae 计算出来的水流方向文件名 为 fw i 并选择保存路径; l d, o r ③在 Fr  leg es o 一 — o ea de l     - c l c lt ●   ◆   l  uw r( poa) fwotad O tn1前 的复选框 前打 钩 , 有在 D M 数据 边 缘 的 网格 的水 流 方 向  ,   ◆   o i 所 E  ,  ‘ 全部是 流 出 D M数 据 区域 . E 默认为 不选择 ; rprs r 出.rprs r @do  t 输 ae do  t 是该 网格在  ae 其水 流方 向上 与其 临近 的网格之 间的高程 差与距 离 的 比值 , 以百分 比的形 式记 录. 它  '   、    ,  0 反映 了在整个 区域 中最大坡 降的分 布情况 ; ⑤单击 O 进行水 流方 向计算 过程 . K,   3 3 汇集累积 量计算  .




 



在地 表径 流模拟 过程 中 , 汇流 累积量是 基 于水 流方 向数据 计算 而来 的. 对每 一个 
网格来说 , 汇流累 积量的大 小代表 着其 上游 有 多少 个 网 格 的水 流方 向最 终 汇 流经  其 过 该 网格 , 流累积 的数值越 大 , 区域越 易形成 地表径 流. 汇 该  


个 流域 的汇流 累积 量计算是 提取该 流 域河 流 网络 的基 础 . 域 内一 个 网格 的  流

汇 流量反 映 了其 汇聚水 流能力 的强弱 . 一个 网格 的汇流 累积量越 大 , 汇流 能力也 就  其

越强, 该网格所代表的地形特征就有可能是河谷 ; 反之 , 汇流累积量为零 的地方则可  能代 表流域 的分水 岭. 流累积 量计 算 的基 本 思 想是 , 设 以规则 格 网表 示 的 D M 汇 假 E  上每个 网格 有一个 单位水 量 , 照水往 低处 流的 自然 规律 , 按 根据 区域地 形 的水 流方 向 
数据计 算每 点处所 流过 的水 量数值 , 而得 到该 区域 汇流 累积量 . 从  
通 过水 流方 向图能够计 算 出所 有 网格 的 汇流 累积 量 , 出 的汇 流 累积量 图上 每  输


艰 儿 }水 洫 疗 向编 鹞  苦
p  

O   0   0  

0   3   l  

l   4   3  

2   0   6  

O   4   7  

O   l   O  

个网格单元的值就代表着注入该 网格单元 的单位水量的数量, 其值越高注入水流 

0   0   0  

0   1   1  

0   4   0  

1  9 2  6 1  

1   3   3  2

O   0   0  

越多. 由水流方 向数据到汇流累积量计算的过程如图 3 所示.   Ac I rGS中汇流 累积量计算 步骤 为 : 打开 FlA cm ltn工具 , Fo  i co  i  cu uai l o 以 l Dr tn w ei 工具 生 成 的栅 格 数 据 作 为输 入 , 可 得 到 汇 流 累 积 量 数 据 . 中 , 选 项 “ n u 即 其 可 Ip t  
Wegt at ” 于施 加 降雨量 、 发量 等外部 因素 的影 响 , i   s r用 hR e 蒸 默认 赋值 为 1 .  
3 4 对 汇流设 置 阈值  .

图 3 I 累积 计算 过 程    - 流
Fi.   Cu l t e g3 mu ai   v c lwlto   o v re e ae a in c n e g nc  

在 汇流 累积 图中 , 每一 个 网格 的汇 流 累积量 代 表着 能 够 注入 该 网格 的所 有 单位 

42 4 

湖北 民族学院学报 ( 自然科学版)  

第2 8卷 

水量 的数量 ,当网格 的汇流 累积量大 于某一 给定的 阈值 时 , 为该 网格位 于水道 上. 流 阈值是 河 系 网络 提  认 汇 取 的关 键参数 , 也是 河道认 定 的 门槛. 用 H dooy中定 义河 系 的命 令 可 以设 置 汇 流 阈值 . 始分 析时 , 利 yrl g 初 可 
选择 自小至大 的几个 阈值 , 以便 观察最 可能 的河 系的大致 范 围.  

设 置阀值 的步骤 为 : Fo   cu uao 以 l A cm li w tn生成 的栅格数 据作 为输人 , 出单 值化 后 的栅 格 数据 . Ma  输 在 p
AgbaE prsi ler x  s n中填 人 cn( C n io )   e o o 即 o dt n 语句 , 句格式 为 : i 语   cn(<cn io , re E pesi , . o odt n> <t — x rs o i u s n> {一}, f s— x rs o }) { l E pes n   ae i

其 中 { a eepes n 为可选项 , { a eepes n } <fs_xrso>} l i 当 <fl —xrsi > 为空且<odtn 语 句返 回的值 为假 时 , s o cnio > i 网格将 
被 赋予默认 值 N L . U L  阈值 的选择 视对 待提取 的河 网的精度 、 密 的要求 而定 . 疏  
3 5 河流 网络提 取  .

以设定 的 汇流 阈值 为标 准 , 利用 流径处理命 令从 汇流 累积栅格 图层 中提取 河系栅格 图层 , 凡是 累积量或  大 于等于 汇流 阈值 的栅 格 即被定义 为河道 .   Ac I r S中河流 网络提 取步骤 为 : G 分别 以 Sn l O tuMa  l ba生成 的栅格数 据 和 Fo   i ci ig   up t pAg r e e l Dr t n生成  w e o

的数 据作 为“nu t a   at ” Ipt r m R s r 以及 “Ipt l   i co  at ” Se e nu  o Dr tnR s r 的输 入 , 出 的文件 即是矢 量化 后 的河  Fw ei e 输
网文件 .  

4 结 语 
Ac I rGS中的 H do g 工具包 提供 了强 大 的水 文 信息 提 取功 能 , 以快 速完 成 河 网提取 、 yro ly 可 流域 划分 、 水  文信 息统计 、 E D M数 据 的裁剪及拼 接 等任 务  . 文 在分 析 D M原 理 的基 础上 , 用 H dooy 具 包进  本 E 使 yrl 工 g
行 了流域特征 中的河 网提 取 的实验 , 阐述 了河 网提取 的一 般过程 .  
参考 文献 :  
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