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ArcGis 9.0中基于DEM的水文信息提取方法


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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
水 利水 电技术 第3 6卷 20 0 5年第 儿 期 

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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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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 )  





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    



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  
水利水 电技术 第3 6卷 20 0 5年第 1 I期 


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