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水利水 电技术 第 3 6卷 2 0 0 5年第 l l期
ArGi 9 0中基 于 D M 的水 文信 息提 取 方 法 c s. E
张 超 ,郑 钧 ,张 尚弘 ,王 兴 奎
10 8 ) 004 ( 华大 学 水 沙科 学教 育部重 点实验 室 ,北京 清
【 摘
要】 文 中详细介绍 了Ac i90中的水文分析工具箱的使 用方法 r s. G
,
包括 从 原 始 D M 数据 提 取 E
。
河 网的步骤 、应 注意的 问题 ,D M 数据 的快速 裁剪 ,不 同精度 D M 数 据拼接 的方 法和技 巧 E E
【 关键词】 Ac i90 E r s . ;D M;栅格数据 ;河网;水文信息;数据提取 ;拼接 G
中图分类号 :P 3 3 文献标识码 :A 文章编号 :10 。8 0 2 0 ) 10 0 .4 0 0 06 ( 05 1 .0 10
E t a t n o y r l gc li f r a i n f o i i lee a in mo e t c s9 0 x r c i fh d o o ia n o m t r m d g t l v t d l o o a o wih Ar Gi
.
Z HANG C a ,Z h o HENG J n,Z u HANG S a gh n ,W A h n —o g NG n —u Xigk i
( e aoa r r tr n eie t c ne , s gu nvrt, eig 10 8 ,C ia K yL brt yf e adSdm n i cs Ti haU ie i B in 0 0 4 h ) o o Wa Se n sy j n
Ab t a t h o l o n Ar Gi 9 0 frt e a ay i o e h d oo ia n o ma in i ito u e n d t i h ri whc n s r c :T e tob x i c s . h n lss ft y r lgc if r t s n r d c d i e al e en o h l o ih i .
,
cu e h r c d r s o xr c ig f e ew r r m a D M aa;p be o b o sd r d;f s c t n t o r D l d st e p e u e fe t t v rn t o k f o a n i o rw E d t o r lms t e c n i ee a t u t g meh d f EM i o d t ;mo a c meh d n e h oo is fr D M aa w t a o sp e iin . aa si t o sa d tc n lge E d t i v f u r cso s o h i Ke r s y wo d :Ar Gi 9 O; D c s . EM ;r se aa i e ewok;h d oo ia n o ain:d t xr ci n a tr d t ;f rn t r v y r lgc i r t l f m o aa e t t ;mo a c a o s i
1 引
言
2.1 Fi l l
原 始 的 D M 数 据 ( 为 R wD M) E 称 a E 中通 常都 有洼 地 (ik) Sns 或尖峰 ( ek) Pas 。它们 一 般 由采 样 时 的误 差
D M( it l ao oe E Dg a Ee tnM dl il v i ,数字高程模 型) 数 据 中包含了丰富的地形 、地貌、水文信息 ,它能够反 映各种分辨率的地形特征 ,通过 D M可 以提取大量 E 的地表形态信息 ,如流域网格单元 的坡 向、坡度以及 单元格之 间的关系等…。现在市场上 已经有较多 的 成熟软件来完成坡度、坡向、流向、汇流等信息的提 取工作 ,如 WM 、Ac i等 。Ac i9 0 E R 公 S r s G r s . 是 SI G
司 GS产 品的最新 版本 ,其新 集成 的水 文分 析工具 箱 I
造成 , 但也存在合理的洼地或尖峰的情况 ( 喀斯特 如 地形) 。其中,洼地是指一个单元格的高程低于与它 相邻 的 8 个单元格的高程。与此相反 ,尖峰是指一个 单元格的高程高于与它相邻的 8 个单元格的高程。洼 地单元格 中的水流只能流人而不能流出 ;尖峰单元格 中的水流则只能流 出而不能流人。它们是 D M数据 E 中的 “ 陷 ” I e etn) 缺 (mpr ci s ,会 给 流 向和 流域 边 界 的 f o 确定造成 困难 ,还有 可能导致 流 向计算失败 ,致 J 使其他信息无法提取 。为此 ,可 以利用 H d l 工 yro og y 具包 中的 Fl i 工具来填洼和削峰。经该工具处理后的 l D M数据称 为 D p sol sD M。F l E er s n s E e i e i 的工作原理 l 是 :扫描各个单元格的时候 ,比较该单元格与相邻的 8 个单元格的高程 ,如果是洼地 ,那么该单元格的高 程值将被赋予相邻 8 个单元格中最低的那个( pu 即 or pit,原 理见 图 1 o ) n 。削峰 的方法 与其 类似 。
H d ly yro 能够方便 的提取大量的水文信息并加 以直 og 观显示 。本文 旨在介绍利用 H d l y yro 来提取水文信 og 息 的方法 、步骤 和应注 意 的问题 。探讨 了对 特定 区域 D M数据的快速裁剪和拼接 的技巧。本文主要讨论 E D M的栅格( at ) E R s r存储形式。 e
2 河 网的提取 步骤
A c iD st . 提供了直观的工具操作界面, r s e o 90 G kp
还提供 了用 户创建 自己的工具 包功 能 ,可 以方便地 用
于其他工程。提取河网的步骤如下 ( 了特别注明位 除
置 的工 具 ,以 后各 步 骤 中列 出 的 工 具 均 在 H do g yro ly 工具包 中) 。
W a rReo r sa dHy r o rEn ie r g V 13 t e s uc n e d o we p g n ei o. 6No 1 n 1
收稿 日期 :20 —3 1 0 50 .4 基金项 目:国家 自然科学基金项 目(0 2 9 3 。 5 2 10 )
作者简介 :张 超 ,男 ,博士研究生。
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张 超, / r G 9 0中基于 D M的水文信息提取方法  ̄/A c i . S E
句的意义是? 流栅格个数超过某一阈值的即认为是河 [ 道 。阈值的选择视对待提取的河网的精度 、疏密的要
填 洼前 填洼后 削峰前 削峰后
求而定 。
2 5 St a t e t r . r m o F a u e e
图1 F Ⅲ工作原理示意 ( 自 A c sD s tpH l) 引 rGi e k ep o
以 S g u u M pAgb i l O t t a l r ne p e a生成 的栅格数据作
为“n u Sra at ” Ipt t m R s r的输 入 ,以步骤 ( ) e e 2 生成 的数
由于填洼或削峰计算是一个迭代的过程 ,该工具 运 行所 需 的时 间 较 长 ( D M 文 件 较 大 时 可 能 需 要 当 E 几个小时) ,而且临时文件需要 占用约 4倍 于原 D M E 数据 的空 间 ,所 以必 须考 虑预 留足 够 的磁盘 空 间 。 该工具有一个可选项 Zl i mt i ,其 数值决 定 了将 要被填平 的洼地的最深值 ,即小于该 深度 的洼地 才 会被填平 ,深度超过此数值 的洼地将 被视作合理存
在 而 不被 处 理 。Zl t的确 定 步 骤 如 下 。 ( ) l mi i 1 Fo w
据作为“nu Fo i co at ” I t l Dr t nR s r 的输 入,输 出矢 p w ei e 量化后的河网形文件( sae 即 hp 文件 ) 。至此就将河 网
提取 出来 了。
2 6 S ra O r e . te m d r
用于对河 网进 行分级 。其输 入项 与步骤 ( ) 5 相
同 ,河 流 的分 级 方 式 有 Srhe t l a r和 Srv hee可 以选 择 ,
根据图 2的 D M信息提取 出来的河 网见 图 3 E 。
Dr tn 以原始 D M数据作 为输入 ,计 算初 始流 i co : ei E 向。( ) i : 1 的结果作为输入 ,识别 出所有的 2 S k 以( ) n
洼 地 (ik) 3 Waese :用于 找 出洼 地 的影 响 区 S s 。( ) t hd n r 域 。 ( ) oa Fl 4 Z nl i:位 于 Acolo l rTo x\Saa A ayt b ptl nl i s
T os o a 、下 , 于找 出 洼地 最 深 深 度 。 ( ) oa ol、Z n l 用 5 Zn l Sai i 位 于 A c o lo S ai n ytT o t sc tts rT o x t p t lA a s cl t b a l Js
Z n \下 , oa l 用于 找 出洼 地最 浅 深度 。( ) ns 6 Miu :位 于
Acol x A a s To R s r a r o o 3 n yt olt a e M t f T b t D l s t h
求
图 2 D M 原 始数 据 E
最深与最浅洼地的差值 。 通过该值与实际地貌结合起来考虑 ,可以辅助判 断合理的洼地 的深度 ,从而确定 Zl i的取值。 mt i
2 2 F o Di c i n . l w r t e o
以 Fl i 工具 生成的无 凹陷栅格数 据 ( er s n D pe i . so 1 s E 作 为输入 ,输出流向的栅格数据。 e M) sD
2 3 F o A c m ua in . l w c u lt o
以 Fo i co l Dr tn生成 的栅 格数据作 为输入 ,输 w ei 出汇流计算数据 。可选项“nu We h R s r 用 于 Ipt i t at ” g e
施加降雨等外部因素的影响,如果该项为空 ,单元格
将被 自动赋值为 1 。
2 4 Sige O up tMa g b a . n l t u p Ale r
图3 提取 出的河网
3 流域及 子流域的提取步骤
3 1 确 定大 流域 .
以 F wA cm li l cu u tn生成 的栅格数据作为输入 , o ao 输出单值化后 的栅格数据。在 M pAgb xr s n a l r E p s o ea ei 中填入 cn 即 C nio ) o ( od i 语句 ,语句格式为 tn
cn cn io o (< o dt n>, <t e E pes o i r _ x rs in>, u s
利用 bs ai n工具 ,以 Fo ici lwDr tn工具 生成 的栅 e o
格数据作为输入 ,输出已划分的大流域栅格数据。再 利用 A c o lo rT bx\C net nT os rm R s r a. ov ro ol\Fo at \R s i e t o gn e t Pl o 工具 ,可以将大流域 的栅格数据转换成 ro y 多边形的形文件。通过这些形文件可以方便的对感兴 趣区域进行提取操作。例如对某一个或者某几个流域 的 提取 ,统计 各 流域 的面 积等 。
3 2 确 定子 流域 .
i ?,{ l — xr s n ) . } fs E p so } _ ae ei 其中 { f s ep so <a e xr s n>} l— e i 为可选项。可选项为 空时 ,如果 < od i 语句返 回的值为假 ,那么单 cnio tn> 元格将被默认赋值为 N L 。 U L 例如 : o ( f w acm li ] C nt ) cn [ o — cu uao > os,1 表示 l tn 将栅格数据 fw acm li l —cu u tn中的汇流的值大于某一 o ao 常数 的全部赋值为 1 ,其余赋值 为 N L 。该示 例语 UL
2
( )igeO tu a l ba 1 Snl uptM pAg r。可 以输 出新 的栅 e
格数据。它 以 F wA cm li 生成 的栅格数据作为 l cu u tn o ao
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张 超, A c i . 基于 D M  ̄ rG 9 0中 s E 的水文信息提 取方 法
输入,写 cn o 语句 :cn [ o —cu u t n > os. o ( fw acm li ] Cnt l ao 1 ,生成单值化后的栅格数据。常数 C nt ) os的取值依 据划分到第几级子流域来决定 。
( ) ta ik 以步 骤 ( ) 成 的 数 据 和 Fo 2 S em Ln 。 r 1生 l w
Dr tn i co 生成的栅格数据作为输入 ,输出记录各流域 ei 出 E(or o t的栅格 数据 。 lpu i ) pn
( ) tse 。 以 步 骤 ( ) 成 的 数 据 和 Fo 3 Wa r d eh 2 生 l w
Dr tn i co 生成的栅格数据作为输入 ,输出划分了各子 ei 流域的栅格数据 。以图 2的原始数据划分的子流域见
图 4 。
() : a l 5万 D M ,深灰色区域表示数据缺失部分 ,其高程值为 0 E
() b 1:2 5万 DE , 数 据 完 整 , 浅 灰 色 透 明 区 域 待 提 取 M
图 5 待拼接 的两幅 DE 栅格数据 M 图 4 划分的子流 域
的最低( 最高) 高程值 。( ) 2 替代值等于有效数据 的最 高( 或最低 ) 高程值 ,仍用前 面的 cn语 句,但此时 o
抽 取 出来 的 区 域 不 可 避 免 的包 含 一 部 分 有 效 数 据 区
域。
4 2 Ra t r o P lg n . se oy o t
4 D M 数据的裁剪和拼接 ( si) E Moa c
现 有 1: 的 D M 数据 ,但 由于某 些 原 因 ,部 5万 E
分区域的高程值缺失 ,被某一常数值替代而不是空值 ( U L ,欲用 1 2 万的 D M数据进行填补 ,但要 N L) :5 E 求对高精度数据 的影响尽可能小。待处理的 D M数 E
据见 图 5 a 和 ( ) () b 。
在步骤 ( ) 1 第一种情况下 ,数据缺失 区域完全被
提取 出来 ,可 以直接 进入 步骤 ( ) 3。
为了使重叠区域低精度的 D M数据不影响到高 E 精度的数据 [ 5 a 右下 部分 ] 图 () ,要求 将 1 2 : 5万 D M 中的浅灰色区域提取 出来 ,然后镶嵌到 1 5 E : 万
D M 的相应 位 置 ,采 用 以下方 法 。 E
4 1 S n l t u a g b a . ige Ou p tM p Ale r
在步骤 ( ) 1 第二种情况下 ,必须用数据转化工具 将步骤( ) 1 生成的栅格数据转换为多边形形文件( o Pl —
yo hp i ) gnSaeFl ,在转 化时 注意 将 S lyPl o e i i o gn选 mpf y 项 的勾去 掉 ( 项 默认 选 中 ) 该 ,否 则 对 边 界 的近 似 处
理将造成最后拼接的图形有明显的缝隙。由于部分有 效 区域也 被转 化成 了多边 形 ,还 必须用 Ac i E — rGs中 d
ir 具条对 形文 件 进行 手工 编 辑 ,删 除 那 些 被错 误 t 工 o 提取 出来 的有效 数据 区域 。
4 3 E t c y M a k . xr tb s a
利用 c 语句中c di 条件返回假值 目<aee o n oin nt o . fs x l_ — p so > r sn 为缺省时 ,单元格将被 赋值为 N L ei U L的特 点,可以将缺失部分 的数据提取出来 ,生成新 的栅格 数据文件。而在存在数 据缺失 的 1 5万 D M数据 : E 中, 数据缺失区域的常数高程值与有效数据区域的高 程值比较,一般 出现两种情况 :( ) 1 替代值未包含于 有效数据 区的高程值域中,即利用高程值 的差异可 以 明确区分数据有效部分和数据缺失部分 ,此时用 cn o ( D M R s r <Cnt 1 或 cn 『 E a e] I E a e l os ) o ( D M R s r > t , t Cnt 1 os, )可以将缺失部分完全抽取 出来而不会抽取 出有效数 据 的区域 ,其 中 C nt os是有 效 数 据单 元 格 中
水利水 电技术 第 3 6卷 2 0 年第 1 05 1期
以步骤( ) 1 提取 出来 的栅格数据或者步骤 ( ) 2中
生成 的多 边 形 形 文 件 作 为 蒙 板 ( s ) 1:5万 的 Mak 从 2
D M数据 中将相应形状的栅格数据提取出来 。 E
4 4 Mo a c t w s er . s i o Ne Ra t
将 1 5 D M数据和步骤( ) :万 E 3 提取 出来的 1 2 :5 万 D M 数 据 拼 合 起 来 ,拼 合 时 应 该 注 意 两 者 的顺 E 序 ,以及几个关 于拼合方式 ( oa e o ) M si M t d 的可选 c h 项的选择 :如果 拼合方式 选 的是 M x u 或 M n ai m( m i一 i
3
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张
超, / r G 9 0中基于 D M的水文信息提取方法 等/A c i . S E
m m) u ,那么可 以不 必 考 虑 D M 数 据 的顺 序 问题 E
( 即谁 在 上 层 ) ;如 果 选 择 的 是 Frt Ls则 需 要 i 或 at s
据的影响降到了最小 。
考 虑 顺 序 问 题 ;Men是 指 对 重 叠 区 域 取 平 均 , a Bed l 是指对重叠 区域求 和 ,它们在 这里都 显然 不 n
5 结
语
Ac i9 0中的 H do g 工 具 包 为 水 利 工 作 者 rGs . yrl y o
适用。如果拼合 后 的栅 格 图有缝 隙,还可 以用 Fl i l 工具对缝 隙进行修正 。图 5 a 和 ( ) ( ) b 拼接后 的效果 见图6 ,图中的实 线为拼合接 口。从 图中可 以明显
看 出两 幅 D M 的精 度 差 异 ,但 拼 接 效 果 还 是 比 较 E
提供了强大 的水文信息提取功能 ,可 以方便快捷完 成河网提取 、流域划分 、水文信息统计 、D M 数据 E 裁剪及拼接等任务 。该工具包 中各工具所 采用的算
法 出 自于众多科 技工作 者的不懈努力 和他们对 已有
理想 的,并且精度 的差异不会影响到河 网、流 域等 信息的提取。
知识 的继承和发 展。实 际应 用证 明了这些算法是成
熟而且有效的。本文主要介绍 了 Ac iD st . rGs ek p9 0 o 中水文分 析模 块 的应用方法 、使用 时的注意事 项 , 以及一些特殊 问题 的处理技 巧 ,期望 能够对其他水
利工作者提供一些帮助并且起到抛砖引玉的作用 。
参考 文献 :
[] 李 1 舯,杨大文 . 基于栅格数字高程模型 D M 的河网提取及实 E
现 [] 中国水利水电科学研究院学报 , O4 ( ) 28 1 J. 2O ,2 3 : 0 - 4 2 . [ ] 徐新 良,庄大方 ,贾绍凤 ,等 . I 环境下基 于 D M的 中国流 2 GS E 域自 动提取方 法 [ ] J .长 江 流 域资 源 与环 境 ,2 0 ,1 ( ) 04 3 4 :
3 3 3 8 4 -4 .
[ ] J snS K o i u O E t c n p g p i s ut e f m 3 e o ,D mn e J . x at gt or h t c r r n g r i o a c r u o
分 界 线 的左 上 角 为 1: 5乃 敢 据 ,右 F角 为 1:5乃 敢 据 2
d i l l a o a r eg p i i o a o s t a s [ ] it e h dt f o ah f m t n y e a l i J . ga ev n a og r cn r i s m n y s
P o ga mer gneigadR m t Snig 9 8 4 1 ) htr m tcEnier n e oe es ,18 ,5 ( : o i n n 1
l5 3 l6 0 9 一 0 .
图 6 拼 接 效 果
如果不采用这种方法 , 则蒙板 图形 的边界需要用 手工描绘 。手工描绘边界不仅工作量大 ( 有时可能大 得 只能 粗略 描绘边 界 ) 且 相 当不 精 确 。通 过 本 文 提 而 供的拼合方法可以省去大量的手工操作而且对精确数
[ ] B d . o o ah ap rt n f a r es i it eao 4 a E Tp g p i t o t s d t d a e vt n n L r c a i o w e h w h gl l i l i i m d l J. t e u e R sa h 9 6 2 :1 - . oe [ ]Wa r s r s e r ,18 ,( ) 52 s eR o c ec 4
( 责任 编辑
聂 建平 )
啬
封
封
圊
后 插二 :洛 阳大华 重型机 械 有 限公 司 暗 19 4 :北京 中纺纤建科 技 有 限公 司
二 :无锡 双 帆钻 凿设备 有 限公 司
三 : 重庆永 固实业有 限公 司
封
底 :成都 安 特力 边坡 防护有 限公 司
北京硕发科技有限公司 暗 10 水利水电技 术》 5 :《 杂志订 阅
暗 11 5 :启 东双剑 电子 有 限公 司
前插 一 : 阿特拉 斯 ? 科普柯 ( 上海) 贸易有 限公 司 前 插二 :二 滩水 电 开发 有 限公 司 前 插 三 : 南京优 凝舒 布洛 克公 司 前 插 四 : 南京 南瑞 集 团公 司 大坝 工程监 测分 公 司 前 插五 : 南京 南瑞集 团公 司 大坝工程 监测 分公 司 前 插 六 :湖 北金 津矿 山机械 有 限公 司 前 插七 : 欧特 克远 东有 限公 司
目次 页 : 山推 工 程机械 股份 有 限公 司
后 插 一 : 杭 州 国电水利 电力工程 有 限公 司
4
暗 12 5 :上海地学仪器研 究所
暗 13:湖 北地 大金 石地 质 工具有 限公 司 5
暗 14 5 :浙江合力新型建材有限公 司 暗 15 5 :浙江三狮集团特种水泥有限公 司
暗 16:安庆 恒特 工程 机械 有 限公 司 5 暗 17 5 :南京金 路友 科技 有 限公 司
暗 18 5 :深圳 市 帕斯卡 防 水 系统有 限公 司
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