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ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取_以县南沟流域为例_王程_图文

2011 年 7 月 第 33 卷 第 4 期

地下水 Ground water

Jul. , 2011 Vol. 33 NO. 4

ArcGIS 环 境 下 基 于 DEM 的 水 文 特 征 提 取
— — —以 县 南 沟 流 域 为 例
王 程, 韩新海
( 西北大学 城市与环境学院 , 陕西 西安 710127 ) [摘 要] 选取黄 土 高 原 典 型 的 丘 陵 沟 壑 区 — — —陕 北 安 塞 县 县 南 沟 流 域 作 为 研 究 对 象 , 以 2. 5 m 高 分 辨 率 DEM 作为基础数据 , 应用 ArcGIS 软件进行流域 水 文 特 征 提 取 , 获取研究区汇流累积量、 水 流 长 度、 河网等一系列水 文特征信息 , 在 DEM 表面上还原水流的流动过程 , 完成水文分析 。 [关键词] GIS ; DEM ; 水文分析 [中图分类号] P641 . 6 [文献标识码] B [文章编号] 1004 - 1184 ( 2011 ) 04 - 0174 - 03 1. 3 水流长度计算 水流长度是 指 在 地 面 上 一 点 沿 水 流 方 向 到 其 流 向 起 点 ( 终点 ) 间的最大地 面 距 离 在 水 平 面 上 的 投 影 长 度 。 水 流 长 度直接影响地面 径 流 的 速 度 , 进 而 影 响 地 面 土 壤 的 侵 蚀 力。 水流长度的提取 方 式 主 要 有 两 种 , 一 种 是 顺 流 计 算, 一种是 逆流计算 。 1. 4 汇流累积量计算 在地表径流模拟过程 中 , 汇流累积量是基于水流方向数 据计算得到的 。 汇流累积量的 基 本 思 想 是 : 以 规 则 格 网 表 示 的数字地面高程模型每点处为一 个 单 位 的 水 量 , 按照自然水 流从高处流往低处的自然规律 , 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 , 便得到了该区域的汇流累 积量 。 1. 5 河网的提取 河网的提取包括河网的生成和河网的分类 。 河网的生成基于汇流 累 积 量 数 据 , 根据不同级别的沟谷 但是不同区域相 同 级 别 的 沟 谷 对 应 的 阈 值 设定不同的阈值 , 也是不同的 。 所 以 , 在 设 定 阈 值 时, 应通过不断地实验并且 利用现有的地形图等资料辅助检 验 的 方 法 来 确 定 阈 值 大 小 。 在 ArcGIS 软 件 中 , 利 用 Map Algebra 工 具 集 中 地 Multi Map Output 工具中的 Con 命 令 或 者 Setnull 命 令 进 行 有 条 件 的 查 询可得到栅格 河 网 。 它 的 思 想 是 根 据 所 设 定 的 阈 值 对 整 个 区域进行判断 , 其 中 汇 流 量 大 于 阈 值 的 栅 格, 其属性值赋为 1, 而小于或者 等 于 阈 值 的 栅 格 设 置 为 无 数 据 。 最 后 对 栅 格 河网矢量化 。 另外 ,对生成的矢量化河网数据还可用的高级 编辑工具进行平滑处理 。 河网分级是 对 一 个 线 性 的 河 流 网 络 用 数 字 标 识 的 形 式 划分级别 。 在地 貌 学 中 , 河 流 的 分 级 依 据 河 流 的 流 量、 形态 等因素进行 。 不同级别的河网所代表的汇流累积量不同 ,级 别越高的河网 ,其 汇 流 累 积 量 越 大 。 在 ArcGIS 提 供 的 水 文 分析中 ,有两种常用 的 河 网 分 级 方 法 : Strahler 分 级 和 Shreve 分级 。 两种分级方法如图 1 所示 :

1

DEM 流域水文特征提取原理与方法
ArcGIS 软件下的水文分 析 模 块 ( Hydrology ) 是 根 据 DEM

格网特征提取原理来建立地表水 的 运 动 模 型 , 辅助分析地表 水流的流动过程 。 ArcGIS 下水文 分 析 中 对 DEM 流 域 水 文 特 征提取包括以下几点 : 1. 1 洼地填充 洼地指的是低于周围 栅 格 的 区 域 , 分为伪洼地和自然洼 地 。 伪洼地在 栅 格 DEM 中 普 遍 存 在 , 主要来自输入数据的 错误 、 不合适的插值方法和栅 格 大 小 等 方 面 。 大 多 数 研 究 者 假定所有的洼 地 都 是 伪 洼 地 。 自 然 洼 地 则 是 实 际 中 存 在 的 洼地 , 一般远少 于 伪 洼 地 。 研 究 者 普 遍 认 为 , 被高程较高的 区域围绕的洼 地 是 使 用 DEM 进 行 水 文 分 析 的 一 大 障 碍 , 因 为这些洼地的存 在 会 阻 碍 自 然 水 流 朝 流 域 出 口 流 动 , 因 此, 在 DEM 提取水系特征之前要进行“填洼 ” 预处理 。 现有的提取 水 系 特 征 的 方 法 的 基 本 思 想 是 将 洼 地 内 的 从 所有栅格单元垫高至洼地周围最 低 邻 接 栅 格 单 元 的 高 程 , 而消除洼地 。 对于复杂的地形 , 在处理洼地时应考虑洼地与 平地 , 洼地与洼地 之 间 的 相 互 嵌 套 的 复 杂 情 形 , 对于平地也 不能一概而论 , 应视其位置 、 形态和类型 的 不 同 , 有区别的加 以处理 , 强调处理 的 合 理 性 , 以使处理在效率和效果上满足 实用要求 。 1. 2 水流方向的确定 水流方向是 指 水 流 离 开 每 一 个 栅 格 单 元 时 的 指 向 。 流 向判断是建立在 3 ? 3 的 DEM 基 础 上 的 , 虽然进行流向的判 断方法有单流向法和多流向法之 分 , 但单流向法因其确定简 单、 应用方便而应用最广 。 目前应用最广泛的单流向法是 D8 法, 也就是最大距离权 落 差 ( 最 大 坡 降 法 ) 来 计 算 水 流 方 向 , 即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 。 该 方 法 对 自 然 状 态 的 水 流方向进行了极 大 的 概 括 , 认为网格的产流是点源( 即网格 中心点 ) 河道用 一 维 的 线 来 描 述 , 也删掉了水流方向的无穷 多种可能性 , 概括为 8 种可能流向 , 即东 、 东南 、 南、 西 南、 西、 西北 、 北、 东北 。 [收稿日期] 2011 - 03 - 28

[作者简介] 王程 ( 1986 - ) , 女, 广西桂林人 , 在读硕士研究生 , 主攻方向 : GIS 与遥感应用 。

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第4 期

地下水

2011 年 7 月

图1

河流分级方法 顺流水流长度 , 完成水流长度提取后 应用 D8 单流 向 算 法 , 计算汇流累 积量 , 对 DEM 进行河网的提 取 。 在 河 网 生 成 过 程 中 , 阈值的 通过 不 断 地 试 算 , 并利用现有的地形图等其他 选定是关键 , 数据辅助检验 , 本研究最 终 确 定 900 为 最 佳 阈 值 。 图 5 为 阈 值选定为 900 下所 生 成 的 县 南 沟 流 域 河 网 图 , 河 网 生 成 后, 根据研究区地形特点 , 本 实 验 采 用 Strahler 河 网 分 级 算 法 , 对 生成的栅格河网进行河网等级的划分 ( 图 6 ) 。 图4

Strahler 分级是将所有河网弧段中没有支流河网 由图 1 可知, 1 , 弧段分为第 级 两个 1 级河网弧段汇流成的河网弧段为第 2 级, 依次下去分别为第 3 级, 第 4 级, 一直到河网出水口。Shreve 分级 的第 1 级河网定义与 Strahler 分级相同, 所不同的是第一级以后 的分级,Shreve 分级定义两条 1 级河网弧段汇流而成的河网弧段 对于以后更高级别的河网弧段, 其级别的定义 为 2 级河网弧段, 是由其汇入河网弧段的级别之和。

2
2. 1

研究内容及分析
数据源与研究区概况

— — 本研究的试验区选择为黄土高原典型的丘陵沟壑区 — 陕北安塞县县 南 沟 流 域 。 用 于 提 取 水 文 特 征 的 基 础 数 据 是 县南沟流域分辨率 为 2 . 5 m 的 DEM ( 图 2 ) , 该 DEM 是 基 于 1 ? 1 万数字地形图 ( 包括等高线 、 高程点和河流 ) , 在 ANUDEM 软件平台下生成的 , 具有较高精度和对形的表现能力 。 县南沟位于 黄 土 高 原 中 部 , 是 延 河 的 一 个 小 流 域, 属于
2 典型的黄土丘陵沟 壑 区 , 地 形 复 杂, 总 面 积 为 119 . 5 km , 海 地面相对起伏达 200 多米 , 地面坡度 拔高度 1 010 1 440 m ,

30 ? 以上达一半 以 上 。 此 流 域 是 土 壤 侵 蚀 、 水土流失的严重 区域 。

图5

县南沟流域河网的生成

图6 图2 2. 2 县南沟流域 2 . 5 m 分辨率 DEM 2. 3 结果分析

县南沟流域河网 Strahler 分级

流域水系特征提取 根据 DEM 流域 水 文 特 征 提 取 原 理 , 首先对县南沟流域

水流长度直接影响地 面 径 流 的 速 度 , 进而影响到地面土 。 壤的侵蚀力 水流 长 度 的 提 取 和 分 析 在 水 土 保 持 工 作 中 有 很重要的意义 。 通过计算得到的县南沟流域水流长度 ( 顺 流 或逆流长度 ) , 其最大水流长度为 18 595 . 8 m , 也证明了此流 水土流失的严重区域 , 与实际情况符合 。 域是土壤侵蚀 、 将研究区的纸质河网 分 布 图 进 行 扫 描 , 并通过几何纠正 配准到同一投 影 坐 标 系 下 , 与 利 用 DEM 自 动 提 取 的 河 网 分 布图进行空间 对 比 分 析 。 为 了 检 验 计 算 机 自 动 提 取 的 流 域 和实际流域之间的误差 , 将地形图 和 遥 感 影 像 经 过 几 何 纠 正 结 合 已 有 的 DEM 生 成 三 维 流 域 配准到同一投 影 坐 标 系 下 , 地貌图 , 并将其 与 利 用 DEM 自 动 提 取 的 流 域 进 行 了 空 间 对 比分析 , 结果表明 , 两者基本吻合 。 本实验的结果基本令 人 满 意 , 与参考的实际地形图与遥 。 感影像的水文 分 布 特 点 基 本 一 致 利 用 该 方 法 来 提 取 小 流

2 . 5 m 分辨率 原 始 DEM 进 行 填 洼 处 理 , 生 成 新 的“无 洼 地 ” DEM , 应用无 洼 地 DEM 生 成 水 流 方 向 矩 阵 , 生成水流长度 图, 根据两种不同的水流长度计算 方 式 分 别 生 成 顺 流 水 流 长 度图和逆流水流长度图 ( 图 3 , 图 4) 。

图3

逆流水流长度

域的水文特征不仅大大提高了工 作 效 率 , 而且从提取的数据

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第 33 卷

第4 期

地下水

2011 年 7 月

精度上来说是可以保证的 。

3

结论与讨论

分布计算带来一定的误差 , 因 此, 在 基 于 DEM 的 地 形 特 征 的 还需要进一步的研 提取以及它在水文学中的应用这 一 领 域 , 究和讨论 。 参考文献
[ 1]汤国安 , 杨昕 . ArcGIS 地理信息 系 统 空 间 分 析 实 验 教 程[M]. 北 京 : 科华出版社 ,2006 . [ 2]乌伦 , 刘瑜 . 地理信息 系 统 原 理 、 方 法 和 应 用[M]. 北 京 : 科 学 出版社 ,2004 . [ 3]陈 述 彭 ,鲁 学 军 . 地 理 信 息 系 统 导 论[M]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,2000 . [ 4]赵健 ,贾忠华 ,罗纨 . ArcGIS 环境下基于 DEM 的流域特 征 提 取 [J] . 水资源与水工程学报 ,2006 ,17 ( 1 ) : 74 - 76 . [ 5]唐从国,刘丛强. 基于 ArcHydro Tools 的流域特征自动提取—以贵州 J] . 地球与环境, 2006 , 34 ( 3 ) : 30 - 37. 省内乌江流域为例[ [ 6]孙艳玲 ,刘洪斌 ,谢 德 体 , 等 . 基 于 DEM 流 域 河 网 水 系 的 提 取 研究[J]. 资源调查与环境 ,2004 ,25 ( 1 ) : 19 - 22 . [ 7]叶爱中 ,夏军 ,王 纲 胜 ,等 . 基 于 数 字 高 程 模 型 的 河 网 提 取 及 子流域生成[J]. 水利学报 ,2005 ,36 ( 5 ) : 531 - 537 . [ 8]张超 ,郑钧 ,张尚弘 ,等 . A rcGIS9 . 0 中基于 DEM 的水文信 息 提取方法[J]. 水利水电技术 ,2005 ,36 ( 11 ) : 1 - 4 . [ 9]李丽 , 郝振纯 . 基于 DEM 的流域 特 征 提 取 综 述[J]. 地 球 科 学 进 2003 , 18 ( 2 ) : 251 - 256 . 展, [ 10]黄娟 , 申双和 , 殷剑 敏 . 基 于 DEM 的 江 西 潦 河 流 域 河 网 信 息 提 2008 ,31 ( 1 ) : 49 - 53 . 取方法[J]. 气象与减灾研究 ,

DEM 在水利科学方面的应用 , 其突出优势是描述流域地 形, 包括流域边界 、 坡度 、 坡 向、 河 网 识 别 等 。 利 用 DEM 提 取 流域水文特征在提高效率的同时 可 以 保 证 数 据 提 取 的 精 度 , 对水资 源 的 管 理 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 但 是 不 同 分 辨 率 DEM 本身数据来源具有误差 , 因此 , 高精度 DEM 对于流域水 文特征的提取精度也存在很大的影响 。 ArcGIS 软件中的 Hydrology 工 具 为 水 利 工 作 者 提 供 了 多 种水文信息提取的功能 , 可以完成累积 量 、 水 流 长 度、 河网提 取、 流域划分等多项水文分析 任 务 。 该 工 具 模 块 下 各 水 文 处 理工具所采用的 算 法 是 科 技 工 作 者 共 同 努 力 和 他 们 对 已 有 知识的继承和发展的结果 。 通 过 不 断 地 实 践 应 用 证 明 , 这些 算法都是相对成熟 、 有效的 , 并 且 随 着 基 于 DEM 提 取 流 域 特 征技术的不断发展和完 善 。 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 。 随着 DEM 提取流域特征技术的不断发展和完善 , 今后利 用 DEM 提取河流 特 征 的 精 度 也 会 提 高 , 尤其是在平坦地区 因为在平坦的地区现有的 的提取精度将会有进一步的提高 , 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

櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎
( 上接第 168 页 ) 北岸设有两个大 型 滨 水 平 台 , 平 台 可 作 为 小 船 停 泊 港 湾, 游 人也可以下水摸鱼 。 D —F 段 草芳推岸 碧水芙蓉 鳞波映翠 全长约为 670 m , 本区段景观带设 计 以 自 然 生 态 为 主 , 整 治 为 辅, 在考虑到保 持原生态景观廊道的前提下 , 重新 整 治 河 段 植 物 带 还 原 生 态 环境景观 。 草芳推岸 : 现 状 有 大 片 植 物 和 野 草 , 如 银 芽 柳、 胡 腿 子、 鱼腥草等 , 为了体 现 原 生 态 而 稍 加 改 动 , 栽植一些具有野趣 的植物 。 住宅被 布 置 在 湿 地 北 面 , 背 山 面 水, 将湿地水流因 势引入整个住宅景观环境中 , 利用 河 道 水 位 的 涨 落 灌 溉 湿 地 景观植物 , 恢复白杨林的再生 。 碧水芙蓉 : 沿堤岸种 植 荷 花 、 水 葱 等 水 生 植 物, 可以增加 水面的色彩 , 丰 富 水 面 的 层 次。设 置 曲 折 形 的 平 桥, 延长游 形 成“步 移 景 异 ” 的 效 果。 览者的行程和时间以 扩 大 空 间 感 , 同时还设置高低大小不同的汀步 , 在变化中求得统一 。 鳞波映翠 : 此 景 区 地 势 落 差 较 大 , 同时平面形似一条鲤 鱼, 所以设计为 水 梯 田 。 同 时 借 山 体 之 景 , 将山体上郁郁葱 葱的树木倒影在层层叠波中 , 鹅卵 石 擦 过 亮 的 河 水 像 绸 缎 一 样, 表现出水的生动之美 。 学精神 , 极大地满足了人们安慰心灵的精神需要 。 中国山水画体现的是 人 与 自 然 和 谐 的 共 存 法 则 , 将山水 画美学机理运用 于 现 代 滨 水 景 观 设 计 创 造 出 意 境 深 远 内 涵 丰富的滨水景观 , 是 对 现 代 滨 水 景 观 营 造 新 方 法 的 探 索, 有 着理论和实践 相 结 合 的 重 要 意 义 。 因 此 深 度 拓 宽 山 水 画 美 学机理在滨水景观表现中的研究 , 是一项新的景观领域的课 题, 有待于进一步探索 。 参考文献
[ 1]麦克哈格 · I · L. 设 计 结 合 自 然[M]. 芮 经 伟 , 译. 北 京: 中 国 建 1990 . 筑工业出版社 , [ 2]郝 海 波 . 论 传 统 中 国 山 水 画 的 美 学 意 蕴[J]. 济 南 大 学 学 报 . 1998 . 48 - 50 . [ 3]杨国光 . 水墨艺术 元 素 在 平 面 设 计 中 的 应 用 研 究 [D]. 河 北 大 学 . 硕士论文 . 2008 . 25 - 30 . [ 4]陶艳萍 . 当代中国招贴设计对中国水墨画的借鉴 研 究[D]. 苏 州 大学 . 硕士论文 . 2009 . 17 - 24 . [ 5]岳原 . 李嘉华 . 中国山水画景 观 构 成 模 式 的 启 示[J]. 华 中 建 筑 . 2008 . 158 - 160 . [ 6]杨智 勇 . 金 萍 . 当 代 城 市 滨 河 景 观 规 划 探 析 . [J]. 现 代 农 业 科 技 . 2010 . 212 - 213 . [ 7]杨鑫 . 张琦 . 小清 河 ( 济 南 河 段 ) 的 河 道 景 观 规 划[J]. 园 林 规 划 与设计 . 2007 . 24 - 26 .

5

小结

中国山水画作为一种 审 美 的 产 物 和 审 美 对 象 , 所显现出 的那份超越尘嚣的宁静 、 从容和折 射 出 的 人 与 自 然 和 谐 的 美

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