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基于ArcGIS环境下DEM流域特征提取及应用


第 30 卷

增刊 2

















Vol. 30, Supp. 2 Nov. , 2008

2008 年 11 月

JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY

基于 ArcGIS 环境下 DEM 流域特征提取及应用
孙庆艳
1

余新晓

1

胡淑萍

1





1

李金海

2





2

( 1 北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室

2 北京市园林绿化局防沙治沙办公室 )

摘要 : 该文详细介绍了 ArcGIS 91 2 中的水文分析工具箱的使用方 法 , 包括从原始 DEM 数据提取河网的步骤、 应注意 的问题等。研究区域选取位于北京山区的红门川小流域 , 采用 1B10 000 的比例尺、 10 m 分辨率的 DEM 作 为基本的 地形数据 , 应用 ESRI 公司开发的 ArcGIS 91 2 地理信息系统软件 进行流域水 文信息特征 的提取 ; 并利用 SWAT 模型 运行 水文响应单元 (HRUs) 的生成 , 共生成了 25 个子流域和 92 个 HRUs 。经分析 , 得 到的研究 区域河网特 征以及研 究区其他常用的流域特征信息 , 与实际河流水系 特征基本吻合 , 因此应用 DEM 划分的流域结果是合理的。 关键词 : ArcGIS; 数字高程模型 ; 流域特 征 ; 水文信息 ; 提取 中图分类号 : S771
1

文献标识码 : A
1

-1522( 2008) 增刊 2 -0144 - 04 文章编号 : 1000
1 1 2 2

SUN Qing - yan ; YU Xin - xiao ; HU Shu - ping ; XIAO Yang ; LI Jin -hai ; WU Jun . Extraction and application of hydrological information based on DEM in ArcGIS environment . Journal o f Beijing -147[ Ch, 15 ref. ] Forestry University ( 2008) 30( Supp. 2) 144 1 Key Laboratory of Soil and Water Conservation & Desertificat ion Combating of Ministry of Education, School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, P. R. China; 2 Sand Prevent ion and Control Off ice, Beijing Gardening and Greening Bureau, 100029, P. R. China. This paper introduces the using method of the toolbox in ArcGIS 91 2 environment in analysing hydrological information, including procedures of extract ing river network from raw digital elevation model ( DEM) data and problems to be considered. Hongmenchuan watershed located in Beijing mountain areas was chosen to learn watershed characterist ics from DEM with 1B10 000 scale and 10 m resolution. With the analysis of ArcGIS 912, watershed data such as flow direction, stream networks and other catchment propert ies were collected. Using SWAT model to generate hydrologic response units, 25 sub - watersheds and 92 HRUs were obtained. Compared with actual hydrological characteristics, the results are rational. Key words ArcGIS; digital elevat ion model ( DEM) ; watershed characteristics; hydrological information; extraction 数字高程模型 ( Digital Elevation Model, DEM) 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 DEM 可以提取大量 的地表形态信息 , 如流域网格单元的坡向、 坡度以及 [ 1] 单元格之间的关系等 。DEM 是 地理信息系统的 基础数据 , 也是目前用于流域地形分析的主要数据。 基于 DEM 提取流域的数字特征有多种比较成熟的 [ 2] 算法 。 现在市场上已 经有较多的成 熟软件来完成坡
- 06 - 15 收稿日期 : 2008 http:P P www . bjfujournal. cn, htt p:P P journal. bjf u. edu. cn 基金项目 : / 十一五0 国家科技支撑计划项目 ( 2006BAD03A02) 、 北京市科委科技计划重大项目 ( D0706001000091) 。 - 62338846 第一作者 : 孙庆艳。主要研究方向 : 林业生态工程、 森林水文与水资源。电话 : 010 林业大学水土保持学院。 - 62338846 责任作者 : 余新晓 , 教授 , 博士生导师。主要研究方向 : 水土保持、 生态学、 生 态水文。电 话: 010 地址 : 同上。 Email: yuxinxiao@ bjfu. edu. cn Email: sunqy102@ 126. com 地址 : 100083 北京

度、 坡向、 流向、 汇流等信 息的提取 工作, 如 WMS、 [3 - 5] ArcGIS 等 。运用 GIS 中栅格系统的 空间分析方 法来提取水系 , 研究地表水文特性 , 国内外在这方面 已开展了大量的工作 。ArcGIS 912 是 ESRI 公司 GIS 产品的最新版本, 其新集成的水文 分析工具箱 Hydrology 能够方便的提取大量的水文信息并加以直 观显示。本文旨在介绍利用 Hydrology 来提取水文 信息的方法、 步骤和应注意的问题。
- 10] [6

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1

基于 GIS 的 DEM 流域特征提取原理

1) 洼地填补: 利用 ARCP INFO 的 Fill 指令, 处理 DEM 的洼地以及突起, 在进行这个指令之前可以先 利用洼地 , 找出洼地以及突起的所在地 , 或者可以利 用 Fill 后的影像与原始影像相减, 即可得到洼地填 补的位置以及填补量。 2) 生成水流方向栅格: 对 DEM 进行流向分析。 应用水文分析库下的流向确定命令 , 生成 8 方向水 流流向。ArcGIS 的流向分析是比较网点与周边 8 个 网点间的高程大小与落差, 将高程下降最大的方向 视为该网点的流向, 因此产生的流向网格图层为 8 方位的分析结果。 3) 流向累积栅格 : 根据无坑洼 DEM 水流方向栅 格图层, 应用水文分析库下的流向累积命令进行流 向累积栅格的计算。此功能的原理是假想在集水区 的每一网格上降下 1 单位的水量 , 而后按网格的流 向来向下移动 , 其移动经过的网格则使其累积流量 值提升 1 个单位 , 因此, 每一网格皆可计算出其所累 积的上游流量值; 由于投入每一网格的水量皆为 1 单位 , 故流量累积值亦代表各网格的上游集流网格 数量 , 将之乘上网格面积便可得到每一网点的上游 集水面积。 4) 对流向累积栅格设置阈值 : 应用水文分析库 下的定义河系命令对流向累积栅格设置集流阈值。 [ 12] 集流阈值是河系网络提取的关键因子 , 用累积流 量值 ( 或称为集水面积) 作为河道认定的门槛标准。 初始进行分析时, 可选择自小至大的几个集流阈值, 以便观察最适河系提取集流阈值大致的坐标范围。 5) 河系提取 : 以设定的集流阈值为标准, 利用流 径处理命令自流量累积值网格图层中提取河系网格 图层 , 凡是累积流量大于等于集流阈值的网格即被 定义为河道。 6) 子流域的提取 : 利用集水区栅格描绘、 集水区 矢量化命令进行子流域划分。ArcGIS 根据水流网络 上每条流径的分叉和水流方向决定子流域边界。每 一条子流域上只有一条流径, 同时该子流域内的所 有栅格都应指向流径。

通过 DEM 特征提取进行流域水文分析 , 最重要 的有两个部分: 一是地形特征的提取; 二是水系特征 的提取 111
[ 11]



地表特征的提取 通过对研究流域的数字地形分析, 可以获得模

型所需流域各点的坡度、 坡向及其变化率、 高程 , 每 个 DEM 网格单元的地表粗糙程度、 流域的地表面积 等; 并可根据其水文分析所产生的流域水网进行河 道表面性质的提取, 如长度、 河宽、 河床粗糙度等。 1111 1 坡度、 坡向的计算 地面上某点的坡度是表示地表面在该点倾斜程 度的量 , 因此 , 它是一个既 有大小、 又 有方向的量。 GIS 软件 ArcGIS 912 的水文模块就是采用拟合曲线 面法求解坡度, 这也是 目前求解坡度 的最佳方法。 拟合曲线面法采用二次曲面, 求每点坡度、 坡向的公 式如下: S = tan S + S
2 x 2 y

A = S yP Sx 式中, S 为坡度, A 为坡向, Sx 为 x 方向上的坡度 , S y 为 y 方向上的坡度。 1111 2 表面积的计算 由于使用的是规则格网的 DEM, ArcGIS 912 将 DEM 的每个网格分解成三角形, 使用海伦公式计算 三角形的面积, 进而求和得到整个区域的地表面积。 1111 3 坡度变化率 、 坡向变化率的计算 在格网内部 , 任一格网点的坡度变化率取该网 格点相邻 8 个格网点坡度变化率中绝对值最大的一 个, 并与它有相同的符号。位于四角的格网点 , 它的 坡度变化率根据相邻 3 个格网点 的坡度变化率确 定; 位于沿边但非四角的格网点, 根据它对相邻 5 个 格网点的坡度变化率确定。坡向变化率的求法与坡 度变化率类似。 1111 4 地表粗糙度计算 每个格网表面的粗糙度定义为对应的 DEM 上 的表面积 S 表 与其水平投影面积 S 投 的比 , 记为 CZ : CZ = S 表 P S投 当 CZ = 1 时, 粗糙度最小 , 地表实际为水平面。 112 水系特征的提取 ArcGIS 91 2 不仅提供了直观的工 具操作界面 , 还提供了用户创建自己的工具包的功能, 可以方便 地用于其他工程。ArcGIS 环境下河网特征提取的有 关命令集成在水文分析库 ( Hydrology) 菜单中 , 使用 起来方便。根据 DEM 格网特征提取原理, 提取过程 须按一定程序进行。

2 DEM 的应用实例
从 DEM 提取的地形特征、 集水流域和水流网络 信息, 将 为分 布 式水 文模 型 SWAT ( Soil and Water Assessment Tool) 进行径流模拟与预测提供高效的地 形与水文基础数据。 211 研究区概况 研究区为红门川小流域 , 位于密云县东部山区, 流域面积 128 km 。DEM 比例尺为 1B10 000, 网格大
2

小为 10 m @ 10 m( 图 1、 2) 。

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图3 图1 FIGURE 1 红门川流域 DEM 图 DE M of Hongmenchuan Watershed

红门川流域水系图

FIGURE 3 M ap of water streams in Hongmenchuan Watershed

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子流域的刻划

子流域是根据流域整体的地形特征划分的, 类 似于地理、 地貌研究中的实际子流域的概念。其边 界通过 DEM 的数字地形分析来确定 , 按照生成的起 始河道和流域水系 , 从最低一级的河道交叉点沿分 水线勾绘出起始子流域, 如此类推到高一级河道直 至全流域。整个研究区域共划分出 25 个子流域( 见 图 4) 。通过对研究区域子流域准确度的检验, 得知 DEM 提取结果与实际非常接近( 见表 2) 。

图2

红门川流域坡度图

FIGU RE 2 Gradient map of Hongmenchuan Wat ershed

在 SWAT 模型与 ESRI 公司的 ArcGIS 软件集成 模块 Arcswat 的支持下 , 对研究区 DEM 进行流域的 水文分析 , 得部分地形特征值 ( 见表 1) 。
表 1 红门川流域 DEM 的部分地形特征值 TABLE 1 Some topographic characteristics of DEM in Hongmenchuan watershed
高程 P m 最高值 最低值 平均值 1 121 155 44112 坡度 P ( b) 72 1 83 0 24 1 54

图4

红门川流域子流域划分图

FIGURE 4 Part it ion of sub -wat ersheds in Hongmenchuan Watershed

表2

红门川流域内实际流域与 DEM 提取流域面积比较

TABLE 2 Comparison of actual watershed area with area extracted watershed area from DEM in Hongmenchuan Watershed
实际流域面积 Pkm2 128 DEM 提取的流域面积P km2 12515 相对误差 P% 1195

212

流域水系的提取 先对融合 好的 DEM 进 行填洼处理 , 生成新的

/ 无洼地0 DEM 。考虑到 / 无洼地0 DEM 中可能存在 平坦区域或河道 , 实际工作中, 采用 / burn - in0 算法 , 将实际 1B10 000 的水系经过数字化后转化成栅格 形式 ( 栅格大小为 10 m @ 10 m) , 经过投影转换与/ 无 洼地0 DEM 纳入到统一 的坐标系中; 然后将实际水 系叠加到该 DEM 上 , 保持 DEM 中河道所在格网的 高程值不变 , 而其他非河道所在格网整体增加 1 个 微小值, 这样再用 D8 算法就可以比较准确地生成 流域水系 ( 见图 3) 。

214

水文响应单元的生成

SWAT 模型以水文响应单元 ( hydrologic response units, HRUs) 作为基本模拟单位。HRUs 是流域内单 一地面覆盖、 单一土壤类型和管理方式的具有水文 意义的地块单元。在划分出的每个子流域中, 可能 存在多种土地利用方式和多种土壤类型, 不同的土 壤与植被组合也具有不同的水文响应。为了进一步 反应这种子空间内部的类型差异 , 通过对子流域及

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其内部土地利用和土壤类型的叠加统计分析 ( 必须 保证 3 幅栅格图的网格大小、 投影类型和范围都一 致) , 就 可以 生 成由 单 一土 壤与 植 被 组合 而 成的 HRUs。基于 以 上方 法, 最 终 将流 域划 分 出 92 个 HRUs 用于 SWAT 模型的径流模拟。

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3

结论与讨论
ArcGIS 91 2 中的 Hydrology 工具包为水利工作者

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。随着基于 DEM 提取流 域特征技术的不断发展和完善 , 今后利用 DEM 提取 流域特征的精度 , 尤其是在平坦地区的提取精度将 会有进一步的提高
[ 15 - 16]

。利用 DEM 提取流域水文

特征在提高工作效率的同时可以保证数据提取的精 度, 这对于数字流域的建设、 农业工程的规划和水资 源管理等方面都具有十分重要的指导意义。 应用 DEM 进行径流模拟所需的地形与水文信 息提取 , 主要体现在流域水系和子流域面积的准确 性上, 这是进行径流模拟和流域控制的地形与水文 数据基础。 ? 在研究过程中发现, 基于 G1S 在 DEM 中自动提取的流域面积与实际流 域面积比较接近 ( 相对误差在 2% 以内) , 在山地丘陵占优势的地区 刻划的效果和精度要高于较平坦地区。这主要是由 于在平坦地区现有算法无法考虑随机因素对河流的 影响 , 提取的水系一般比较平直, 而自然水系往往是 随机地流过平原区, 这就给流域的分布和面积量算 [ 3] 带来一定的误差。许 新良等 对中国流 域的 DEM 提取研究也证实了这一观点。 ? 结合 SWAT 模型要 求, 基于在子流域进行水文响应单元的叠加生成, 共 形成 92 个 HRUs, 为本流域径流模拟的下一步研究 奠定了地形与水文基础。

[ 1] 李







, 杨大文 1 基于 栅格数 字高程 模型 DEM 的河 网提取 及

实现 [ J ] . 中国 水利 水 电科 学 研究 院 学报 , 2004, 2( 3) : 208 214. LI C, YANG D W. Deriving drainage networks and catchment boundaries from Grid Digital Elevation Model [ J] . Journal of China Institute of Wat er Resources and Hydropower Research , 2004, 2( 3) : - 214. 208 [ 2 ] TRIBE A. Automated recognit ion of valley l ines and drainage networks from grid digital elevat ion models: A review and a new - 293. method[ J] . Journal of Hydrology , 1992, 139( 1 P 4) : 263 [ 3 ] 徐新良 , 庄大方 , 贾绍凤 , 等 . GIS 环 境下 基于 DEM 的中 国流 域自动提取方法 [ J] . 长江流域资源与环境 , 2004, 13 ( 4) : 343 348.

( 责任编辑

李文军)


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