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ARCGIS环境下基于DEM的流域特征提取


第17卷第1期 2006年  2 月

水资源与水工程学报
Jou rna l of W a ter R esou rces & W a ter Eng ineering

. V o l 17 N o. 1 Feb. , 2 0 0 6

 

A RCG IS

D EM
赵 健1 , 贾忠华1 , 罗 纨2

( 1. 西安理工大学 环境科学研究所, 陕西 西安 710048; 2. 西安理工大学 水资源研究所, 陕西 西安 710048) : 研究选取位于陕西省延安城南 12 km 处的万花乡向阳沟小流域。采用 1∶10000 大比例尺的比

例尺 5 m 分辨率的D EM 作为基本的地形数据, 应用 ESR I 公司开发的A RCG IS 地理信息系统软件进行 流域特征的提取。 经分析得到了研究区域河网特征以及研究区其它常用的流域特征信息, 与实际河流水 系特征基本吻合, 认为应用D EM 划分的流域结果是合理的。
: A RCG IS; D EM ; 流域特征 : P333    : A      : 16722643X ( 2006) 0120074203

Extracted ca tchm en t properties from D EM us ing ARCG IS
1 1 2 ZHAO J ian , J IA Zhong - hua , L UO W an

( 1. Institu te of E nv ironm en ta l S cience, X i’an U n iv ersity of T echnology , X i’an , S haanx i 710048, C h ina; 2. Institu te of W a ter R esou rces, X i’an U n iv ersity of T echnology , X i’an , S haanx i 710048, C h ina )

  Abstract: T he p ap er stud ies how to u se A RCG IS, a Geog rap h ica l Info rm a t ion Sy stem softw a re, to

ex t ract the cha racters of w a tershed by a ssum ing D EM w ith 1 ∶ 10000 sca le and 5 m reso lu t ion. X iangyanggou, a w a tershed loca ted 12 km from sou thern of Yan’an city, is cho sen to lea rn the cha racters of w a tershed from D EM. W ith ana ly sis of A RCG IS, the da ta abou t the w a tershed, such a s flow d irect ion, st ream netw o rk s and o rther ca tchm en t p rop ert ies a re co llected. Com p a ring w ith the . actua l ca tchm en t p rop ert ies, they a re sam e and ra t iona l Key words: A RCG IS; D EM ; ca tchm en t p rop ert ies

  目前, 利用 D EM 进行流域分析的工具很多, A RCG IS 的水文分析模块 (H yd ro logy M odel) , 是 美国环境系统研究所公司 ( ESR I) 为 A RCG IS 推出 的一个水文分析模块, 主要用于地形和河流网系的 其强大的流域特 提取和分析, 实现地形模型可视化。 征分析功能可以满足各种流域 D EM 处理的需要。 本 文 运 用 A RCG IS 的 水 文 分 析 模 块 ( H yd ro logy M odel) , 利用 D EM 数据对陕西延安城南 12 km 处 的万花乡向阳沟小流域进行了流域特征提取。

1. 1 A RCG IS

水 文 分 析 模 型 主 要 由 地 形 处 理 ( T erra in 流域处理 (W a tershed P rocessing ) 、 P rep rocessing ) 、 网络 工 具 (N etw o rk Too ls ) 、 性 工 具 (A t t ribu te 属 Too ls) 四大部分组成。 其中: ( 1 ) 地形处理 ( T erra in P rep rocessing ) 工具实 现: D EM 再处理 (D EM R econd it ion ing ) 、 坑洼填平
( F ill Sink s) 、 流向确定 ( F low D irect ion ) 、 流量累积 ( F low A ccum u la t ion ) 、 系 定 义 ( St ream D efin i2 河 t ion ) 、集 水 区 栅 格 描 绘 ( Ca tchm en t s G rid 集水区矢量化 (Ca tchm en t s Po lygon D elinea t ion ) 、

1 A RCG IS 的水文分析介绍
水文分析模型 (H yd ro logy m odel) 的主要功能 是从数字高程模型 (D EM ) 中提取用于地表水文要 素特征信息, 并进行一系列的分析及可视化显示。

流径处理 (D ra inage L ine P rocessing ) P rocessing ) 、 等功能。    ( 2) 流域处理 (W a tershed P rocessing ) 工具实

: 2005201202;   : 2005204228 : 陕西省重点实验室基金项目 : 赵健 ( 19792) , 男 ( 汉族) , 湖北武汉人, 硕士, 主要从事流域 G IS 研究。

第 1 期            赵 健, 等: A RCG IS 环境下基于D EM 的流域特征提取

75

现: 分批流域描绘 (B a tch W a tershed D elinea t ion ) 、 分批子流域描绘 ( B a tch Sub w a tershed D elinea 2 确定排水区质心 (D ra inage A rea Cen t ro id ) 、 t ion ) 、 确定最长流径 (L ongest F low Pa th ) 等功能。
( 3) 网络工具 (N etw o rk Too ls) 实现: 水文网络 生成 (H yd ro N etw o rk Genera t ion ) 、 节点生成 (N ode

2 A RCG IS 的水文分析应用探讨
2. 1

研究地区位于延安市城南 12 km 处的万花乡向 阳 沟 小 流 域, 该 流 域 地 处 东 经 109° ′ ″ 18 45 ~
109° ′ ″北纬 36° ′ ″ 36° ′ ″ 26 15 , 32 30 ~ 35 00 。海拔 1 052 ~ 1 302 m , 相对高差250 m , 属陕北黄土高原梁峁丘陵 沟壑区 ( 沟口巴歇尔量水堰侧流断面控制面积 3. 5
2 km ) 。主沟长 2. 9 km , 干沟比降 6 % , 流域平均比降

存储流向 ( Sto re F low L ink Schem a Genera t ion ) 、 设置流向 ( Set F low D irect ion ) 等功能。 D irect ion ) 、
( 4 ) 属性工具 (A t t ribu te Too ls ) 实现: 查找下 一个下游流线 ( F ind N ex t Dow n st ream L ine ) 、 计算

8. 1 % , 沟壑密度 2. 48 km km 2 , 支毛沟 13 条。土壤

下 游 流 线 到 边 界 长 度 ( Ca lcu la te L eng th 计算下游流线到交汇点长 Dow n st ream fo r Edges) 、 度 (Ca lcu la te L eng th Dow n st ream fo r J unct ion s ) 、 存 储 流 域 出 口 ( Sto re A rea O u t let s ) 、属 性 确 定
( Con so lida te A t t ribu tes ) 、 性 积 聚 (A ccum u la te 属 显示时间序列 (D isp lay T im e Series) 等 A t t ribu tes) 、

由于受到地质、 地貌、 人 以黄绵土为主, 少量红胶土。 类活动、 气候等多种因素的影响, 流域水土流失严 重, 流失面积 3. 646 km 2 , 占流域面积的100 % 。该流 域延河的生态环境和地区经济的发展有着重大的意 义。
2. 2 D EM 数据源是由陕西省基础地理信息中心提

功能。
1. 2 A RCG IS

水流网络的 A rcG IS 作为提取研究地流域划分、 重要工具, 提供了一种描绘地表物理特性的水文分 析方法, 它以数字高程模型 (D EM ) 作为数据来源在 对排水系统进行分析后定量描绘该系统。 在描述这 些过程是有先后顺序的。 当描述流域或渠道网络时, 根据输入数据的特性某些步骤是必需的, 某些是可 选择的。 水流通过地表通常是流向最陡的方向, 一旦 水流流向被确定下来, 就可算出有多少网格的水流 流入给定的网格。 这一信息将决定流域边界和水流 网络。 rcG IS 中水文分析是以J en sen 与Dom in ique A ( 1988) 年提出的算法为依据进行计算。 图 1 的流程 图简要说明从D EM 中提取水文信息的步骤。

供的 1 ∶ 10000 数字高程模型, 栅格大小为 5 m × 5 2 栅格数据形式采用ESR I GR I , 横纵 m , 即为25 m 。 D 坐标的分辨率均为 5 m , X 方向上共有栅格 1 144 个, Y 方向上共有栅格 952 个, Z 方向上共有栅格 1 个。 2. 3 A rcG IS 环境下河网特征提取的有关命令集成 在水文分析库 (H yd ro logy ) 菜单中, 使用起来方便。 根据 D EM 格网特征提取原理, 提取过程须按一定 程序进行。 ( 1) 洼地填补: 利用A RC I FO 的 F I N LL 指令, 处理D EM 的洼地 ( sink ) 以及突起 (p eak ) , 在进行这 个指令之前可以先使用 S I K, 找出 sink 以及 p eak N 的所在地, 或者可以利用F I 后的影像与原始影像 LL 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 D EM 进行流向分 析。 应用水文分析库 (H yd ro logy ) 下的流向确定 ( F low D irect ion ) 命 令, 生 成 8 方 向 水 流 流 向。
A rcG IS 的流向分析是比较网点与周边八个网点间

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八方位之 分析结果。 ( 3) 流向累积栅格。 根据无坑洼D EM 水流方向 栅格图层, 应用水文分析库 (H yd ro logy ) 下的流向累 积 ( F low A ccum u la t ion ) 命令进行流向累积栅格的
1 A rcG IS

计算。 此功能的原理是假想在集水区的每一网格上 降下一单位的水量, 而后按网格的流向来向下移动,

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其移动经过的网格则使其累积流量值提升一个单 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一单位, 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并进行水流网络 的提取。 应用水文分析库 (H yd ro logy ) 下的定义河 系 ( St ream D efin it ion ) 命令对流向累积栅格设置集 流阈值。集流阈值 ( th resho ld of flow accum u la t ion ) 为河系网络提取的关键因子, 利用所订定的累积流 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落范围, 本研究最终确定 2 895 为集流域值。 ( 5) 河系提取。以设定的集流阈值为标准, 利用 流径处理 (D ra inage L ine P rocessing ) 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 (Ca t 2 chm en t s G rid D elinea t ion ) 、 集 水 区 矢 量 化 (Ca tchm en t s Po lygon P rocessing ) 命令进行子流域 划分。A RCG IS 是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。

2

由于提取出的水流网络与向阳沟流域治理措施 图中的河流水系基本吻合, 可以认为应用 D EM 划 分的流域结果是较为合理的。

4 结 语
目 前, 利用D EM 数据, 在 G IS 平台支持下可以 快速准确地获取流域的河网结构, 并可以根据汇流 累积单元数的阈值来生成不同密度的河网。但D EM 的空间分辨率、 EM 资料生产方式, 以及不同地形 D 特色等因素对提取结果有一定影响, 同时选取适当 阈值对集流面积的大小以及提取空间正确性也需要 进一步的相关探讨。
:
[ 1 ] 陈述彭, 鲁学军, 等. 地理信息系统导论 [M ]. 北京: 科学

3 结果分析
本研究中采用地理信息系统 (A rcG IS 软件) 将 数字高程模型 (D EM ) 作为基本的地形数据处理后 将向阳沟地区划分为 27 个子流域, 一条主渠道、 若 干条支渠作为水流网络。 研究区其它常用的流域特 征信息见表 1, 研究区域河网特征见图 2。
1

出版社, 2000. 1.
[ 2 ] 曾彬, 冯险峰, 等. A RC I FO 空间分析实用指南 [M ]. N N A RC I FO 中国技术咨询与培训中心, 2002. . [3 ] 詹仕坚, 孙志鸿 网格式数值高程模型提取河系集流阈

值之探讨 [J ]. 台湾大学地理学报, 2000, 28: 27- 45. 地面 起伏
m 250 251

出口 高程
m

流域 面积
km
2

支沟 数量 个
13 16

最长 河道
km 2. 90 3. 31

河网 密度
km
- 1

干沟 比降
% 6. 00 3. 42

. [ 4 ] 李丽, 郝振纯 基于D EM 流域特征提取综述 [J ]. 地球科

学进展, 2003, 18 ( 2) : 251- 256.
[ 5 ] 易红伟, 汤国安, 刘咏梅, 等. 河网径流节点及其基于 D EM 的自动提取 [J ]. 水土保持学报, 2003, 19 ( 3 ) : 113 - 118.

实际值 1052 3. 646 模拟值 1050 3. 631

2. 480 2. 251


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