面向ArcGIS环境下DEM流域特征提取及运用_论文

Technology Forum 面向 ArcGIS 环境下 DEM 流域特征提取及运用 王丽萍 中煤航测遥感局，陕西 西安 710100 摘要： DEM 为数字的调和模型，有着大师的地理信息，用途广，在很多领域中均有运用，如水流的流量分析、水系的网络分析等等。 ArcGIS 的水文分析模型是一种常用的流域分析工具， 其功能全面。 在本案， 笔者主要探讨 ArcGIS 环境下基于 DEM 的流域特征提取与运用。 关键词： ArcGIS；DEM；流域特征；提取与运用 中图分类号：P237 文献标识码：B 文章编号：1006-8465（2017）05-0370-01 引言 ArcGIS，即地理信息系统，水文分析模型由 DEM 模型提出关于 地表水文特点，加工后进行可视化的显示，这一模型包含了流域及 地形处理等。在流域水文分析内，面向 DEM 流域特点，提取包含了 地形以及水系的特点。以地表特点提取为例，对流域数字地形进行 分析可获得每一个点向的坡向和坡高、坡高等，包括相应的变化率 也可获得。对于提取水系特征，其运用的是 DEM 网格特征的提取原 理。在本案，笔者选取的是 GIS 产品是 ArcGIS9.2，其水文分析工 具箱对提取、显示水文信息提供了极大的便利。下面，笔者首先阐 述基于 DEM 的流域特征提取原理，具体谈及提取水系、地表特征两 个方面；其次，举例探讨 DEM 的应用。 1 基于 DEM 的流域特征提取原理 ArcGIS 环境中，提取命令主要是通过水文分析数据库中，由其 河网重点中提取，所以在使用时可以感觉到比较方便。对于水系特 征的提取，从 DEM 的网格特征提取原理来看，可采取下列步骤：洼 地填补（运用 Fill 工具，填平 DEM 的洼地、凸起）→生成水流方向 栅格（分析 DEM 的流向）→流向累积栅格（运用流向累积命令，计 算流向累积栅格）→设置流向雷击栅格的阈值（运用定义河系，设 置流向累积栅格的集流阈值）→提取河系（依据集流阈值，运用流 径处理命令完成河系网格图层的提取）→提取子流域（运用集水区 的矢量化命令与栅格描绘，划分子流域） 。 1.1 计算坡度与坡向 某坡度是地面在一点的倾斜度，解法是拟合曲线面法，具体的 是二次曲面，可根据以下公式来计算得现： 2 2 ? ?S ? tan S x ? S y ? ? ? A ? S y / Sx 在提取流域水系中，首先，融合 DEM，并通过填洼处理生成无 洼地 DEM；其次，先采取 bum-in 算法对 1:10 000 水系进行数字化 处理，再转化成 10×10m 格栅形式，之后在投影转换后，一起并入 至无洼地 DEM 的坐标系中。三是在 DEM 中，融入实际的水系，但对 河道所处网络高程不变，而非河道所处的网络添加上微值；最后以 D8 作为算法，生成更加准确流域水系。 2.2 刻划子流域 子流域的划分依据是整个流域的地形特征，而对于其边界的确 定，则通过分析 DEM 的数字地形来实现。根据生成的流域水系与起 始河道，沿分水线从最低级别的河道交叉点开始勾画起始子流域， 并类推至整个流域。图 1 所示是研究区子流域的划分图。 图 1 子流域的划分图 其中，S-坡度（°） ；A-坡向； S x 、 S y -x、y 向上的坡度。 1.2 计算坡度与坡向的变化率 格网内任何一网格点为直接选取相邻点坡试变化率绝对值最 大，以此作为本身坡度的一项变化率，并且符号也是相同的。当网 格点处在四角时，其坡度变化率视相邻点的坡度变化率而定。当网 格点沿边分布（除四角）时，其坡度变化率视相邻点的坡度变化率 而定。通常而言，坡度与坡向变化率的算法类似。 1.3 计算表面积 鉴于所用 DEM 规则格网，可先根据三角形，分解网格，再通过 海伦公式得出面积，最后计算出整体区域的地表面积。 1.4 计算地表粗糙度 每一网格的表面粗糙度 CZ 都可表示为： CZ ? S表 / S 投 S投 -DEM 上对应的表面积及水平投影面积。 S表 、 其中， 如若 ZC=1， 表明粗糙度最小及地表是水平面。 2 应用案例 利用 DEM 提取的流域特征，可为模拟与预测分布式水文模型 SWAT 的径流提供可靠的数据支撑。在本案，笔者选取的研究区面积 2 128km ，其网格 10×10m、DEM 比例尺 1:10 000。利用 SWAT 模型与 Arcswat 模块，通过分析研究区 DEM 的水文，得到表 1 所示的局部 地形特征值。 表 1 DEM 的局部地形特征值 项目名称 高程（m） 坡度（°） 最低值 1121 72.83 最高值 155 0 平均值 441.2 24.54 2.1 提取流域水系 在研究区范围内，划分的子流域共计 25 个，且通过检验其准确度 可得，DEM 提取结果与实际的相对误差是 1.95%，表明两者非常接近。 2.3 生成水文响应单元 SWAT 模型的基本模拟单元的水文响应单元（HRUs） ，这是一种 土地单元水文意义和地面覆盖，土壤类型和管理模式。在亚流域划 分中，土地利用类型、土壤类型、植被和土壤组合的水文响应是多 样的。因此，通过叠加土壤类型统计分析、土地利用和流域面积， 确保相应的栅格地图投影类型、范围和网格的大小，以确保其所产 生的一个单一的植被和土壤成分。利用上述方法，对整个流域的总 推力为 92，这是使用 SWAT 模型的径流模拟。 3 讨论 综上研究可知，一是在 ArcGIS 环境下，基于 DEM 的流域面积提 取结果接近实际面积，相对误差仅为 1.95%，且平坦地区刻划的精 度不及山地丘陵地区，究其原因如下：在平坦地区，随机因素的影 响无法考虑到位，则提取的水系较为平直，但自然水系流经平原区 时具有随机性， 这便增加了流域分布与面积计算的误差； 二是从 SWAT 模型的要求出发，子流域的水文响应单元可叠加生成 92 个 HRUs， 可为研究水文、地形打下基础。总而言之在 ArcGIS9.2 中其水文分 析工具箱内水文信息提