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ArcGIS中基于DEM提取沟道特征


2013 年 第 28 卷 第 3 期
文章编号: 1673-1522 (2013) 03-0311-04

海军航空工程学院学报
Journal of Naval Aeronautical and Astronautical
DOI: 10.7682/j.issn.1673-1522.2013.03.020

2013 Vol.28 No.3

ArcGIS 中基于 DEM 提取沟道特征
2 严建钢 1, 金复鑫 1, , 周小程 1, 马海洋 1

(1. 海军航空工程学院指挥系, 山东 烟台 264001; 2. 陆军航空兵学院, 北京 101123) 摘 要: 以陕西省延安市大南沟小流域5 m分辨率 DEM 数据为基础, 利用 ArcGIS9.3 的 grid 模块平台提取研究区的

沟道特征。在对原始地形数据进行填洼预处理后, 生成河道沟系走向栅格数据、 流域汇水面积栅格数据; 然后, 设 定合适的临界汇水面积值提取出河道沟系; 最后, 对河道沟系进行分级。结果显示, 提取出的沟道系统与实际基本 吻合。 关键词: ArcGIS; 数字高程模型; 沟道特征提取 中图分类号: TP391.41 文献标志码: A

从数字高程模型 (Digital Elevation Model, DEM) 生成的积水流域和河道沟系网络数据是大多数地表 水文分析模型的输入数据 [1]。因为 DEM 中包含有各 种分辨率的地形高程信息, 可以提取出大量地表形态 信息, 如流域的坡度、 坡向和流域单元格的流向等。 由 DEM 提取地形特征的研究在国外从 20 世纪 60 年 代就已经开始, 80 年代之前研究比较少, 范围也仅限 于分水线和山谷的识别和提取; 其高峰出现在 80~90 年代, 相继出现了各种提取河网、 流域边界以及划分 子流域的方法[1]。 随着流域特征提取研究方法的不断成熟, 各种专 业软件和计算机模型相继推出, 所有这些软件和模型 中, 尤以 ESRI 的 ArcGIS 最为成熟, 应用也最为普及。 因而本文以 ArcGIS9.3 为软件平台对研究区进行流域 沟道特征的提取。

本文用于提取流域特征的是大南沟流域 5 m 分辨 率的 DEM 数据[3]。在这里, DEM 数据是通过数字化研
? 究区 1 10 000 地形图, 再插值生成 TIN 数据, 然后由

TIN 数据生成 ESRI 的 grid 格式栅格数据而成。在 X 方
Z方向上 向上有 580 个栅格, 在Y 方向上有 519 个栅格,

有 1 个栅格。

1.3 提取过程
ArcGIS9.3 中没有可视化的水文分析模块, 其相 关的功能要通过在 Grid 模块中调用一系列函数来实 现。图 1 的流程图简要地说明了分析的过程。
流向 原始D E M 算法 栅格 扫描 流向栅格 流向生成 算法 是否填洼 否 无洼地D E M 是 填平 预处理 算法

流向追踪 算法

汇水能力累积 结合地形光 照晕渲图 阈值设置 二值化

1 资料与方法
1.1 研究区概况
大南沟流域地处陕北黄土丘陵沟壑区, 位于安塞 县城西北约 7.5 km 处, 属延河一级支流, 流域面积约 3.6 km , 海拔 1 100~1 327 m。流域属暖温带半干旱
2

水系提取 水系分 级算法 水系分级

图 1 ArcGIS 进行水文分析流程图

气候区, 年均温 9 ?, 年均降雨量 549 mm。流域内地 形破碎, 沟壑密度达 6.9 km/km2; 地势起伏率和坡度 大, 沟峁频繁相间, 土壤侵蚀强烈, 塑造成典型的梁状 黄土丘陵地貌和复杂多样的土地类型; 流域内部地势 相对开阔, 多平缓塌地, 有大面积的梯田。流域内绝 大部分土壤是黄绵土, 还有少量二色土和红胶土[2]。 1.3.1 数据预处理 预处理主要是对原始 DEM 中存在的洼地进行填 平处理。洼地是指高程低于周围栅格的一个栅格或 空间上相联系的栅格的集合, 洼地的出现可能是由 DEM 在数据采集和插值时的误差造成的, 也可能是真
[4] 实地形特征的反映 (如喀斯特地区、 采石场等) 。由

1.2 数据源
收稿日期:2013-01-20; 修回日期:2013-03-26 作者简介:严建钢 (1958-) ,男,教授,博导,博士。

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于洼地被较高的地形包围, 不能确定其水流方向, 因 而是进行水文分析的一大障碍, 必须将其填平 。
[5]

D为 2 个单元格中心的距离, 为 2 个单元格的高程值, D为栅格像元的尺寸, 当相邻栅格为共边时, 当相邻栅

在 ArcGIS 中对洼地的填平处理包括以下步骤 :
[6]

格为对角时, D为 2 倍的栅格尺寸。 在 ArcGIS 中调用 Flowdirection 函数生成流域 8 种方向值的流向数据, 函数的语句格式为 flowdirection (<elevation>) 。图 2 所示为流向栅格数据每个数 值所代表的方向。
6 4 3 2 1 6 1 2 8 x 8 1 2 4

首先, 基于原始 DEM 数据生成流域的流向数据; 然 后, 结合流向数据调用 SINK 函数对洼地进行标定。 SINK 函数的功能就是标定出流域内高程低于周围的 封闭区域。语句格式为 SINK (<flowdir>) , flowdir 为 流向数据。 标定出洼地之后要确定洼地的影响区域, 即有多 少栅格的汇水到达这些洼地中。本步骤的实现调用 Watershed 函数, 该函数需要流向数据和上一步中的洼 地 作 为 输 入 。 语 句 格 式 为 watershed(<flowdir>, < sinks>) , sinks 为标定的洼地栅格。 下一步要结合高程数据和影响面积数据分别确 定洼地的最低高程 (洼地底部) 和最高高程 (洼地边缘 的最低高程) , 需要分别调用 zonalmin 和 zonalfill 函 数。函数的语句格式分别为 zonalmin (<sink_areas>, < elevation>) 和 zonalfill (<sink_areas>, <elevation>) 。 完成上一步之后要确定需要填充洼地的最深值, 即超过这一深度的洼地被认为是合理的地形特征, 而 不再进行填充, 在此深度范围内的洼地才填充, 该值 用洼地最高高程栅格减去最低高程栅格即得。 最后一步就是根据以上步骤的结果对原始数据 进行填洼, 调用的函数是 Fill。 Fill 的工作原理是: 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 个单元格中高程最低的那个; Fill 函数的 语 句 格 式 为 FILL<in_grid><out_grid>{SINK|PEAK} {z_limit}{out_dir_grid}, in_grid 为待处理 DEM 数据, out_grid 为处理后 DEM 数据的路径和文件名, SINK PEAK 是选择填洼或是削峰, 在此处选择填洼, z_limit 即为填充洼地的最深值, 超过此深度不再填充, out_dir_grid 为生成的新流向数据。 因为在填洼的同时改变了原有的栅格高程, 可能 在洼地的边缘处产生新的洼地, 所以以上填洼过程要 反复进行, 直到用 SINK 函数标定不出洼地时才可以 认为填洼完成, 生成了无洼地 DEM 数据。 1.3.2 流向数据的生成 完成原始 DEM 数据的填洼预处理之后, 则可基 于无洼地 DEM 数据生成流向数据。 在 ArcGIS 中生成流向数据用的是 D8 算法 [7], 该 方法假设单个网格中的水流只有 8 种可能的流向, 用 最陡坡度法来确定水流的方向, 每个栅格单元水流的 流向为其邻近 8 个栅格单元中坡度最大的那个单元 格, 坡度的计算公式为θ = arctan[(h i - h j )/D], 其中h i和h j

图 2 栅格流向示意图

1.3.3 累积汇水面积数据生成 每个栅格单元的累积汇水面积表现了该栅格汇 集上游来水的能力, 汇水能力越大的栅格就越可能是 河道。在 ArcGIS 中, 这一过程被称为求栅格的累计流 量 [8], 通过调用 Flow accumulation 函数来实现。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, 其移动经过 的网格则使其累积流量值提升一个单位, 因而每一网 格都能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[9]。函数的语句格式为 flow accumulation (flowdir) 。 1.3.4 临界汇水面积的确定和沟道提取 临界汇水面积, 即 CSA (Critical Source Area) , 是 区分河道栅格和流域内非河道栅格的临界值, 大于该 数值的栅格被赋值为 1 (沟道) , 小于该数值的赋值为 NULL。这一值在不同的气候带和土壤覆盖条件下是 不同的, 如果取值太小, 则会在提取中出现大量伪沟 道, 如果取值太小则会忽略真实水系。国内外很多学 者对 CSA 的取值进行了研究, 有些学者认为在地形复 杂区应根据地貌特征选择不同的值, 国内一些学者采 取与光照晕渲图拟合的方法确定 CSA 取值[10], 本文即 采用此种方法来确定临界值。 确定出汇水临界面积之后, 要构造条件语句进行 流域汇水能力数据的二值化, 即流域沟道的提取。在 Grid 中调用 con 函数, 语句格式为 con (<condition>, <
? true_expression>, {<condition>, <true_expression>},

{<condition>, <true_expression>}, {false_expression}) 。其中 {false_expression} 为可选项。可选项为 空时, 如果 <condition> 语句返回的值为假, 那么单元

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格将被默认赋值为 NULL。例如: con (flow_accumulation>Const, 1) 表示将栅格数据 flow_accumulation 中 的汇流的值大于某一常数的全部赋值为 1, 其余赋值 为 NULL。 1.3.5 沟道的分级 对沟道的分级有 2 种方案 [10]: Strahler 水系系统分 级方案和 Shreve 水系系统分级方案。前者的原理是 以源头沟道开始为第 1 级, 相同级别的沟道相交后级 别增 1 级, 不同级别沟道相交后级别不增, 保持原沟道 中较高的级别, 依次向下游追踪; 后者考虑河网中所 有的结点, 最外层沟道赋级别为 1, 向下游追索到的结 点级别为上游级别的累加。分级要调用 streamorder 函数, 语 句 格 式 为 streamorder(streamnet, flowdir, strahler/shreve) , streamnet 为河道数据, flowdir 为流向 数据。strahler/shreve 为提供备选的分级方案, 本文选 择 Strahler 方案。

合较好 (图 5 白色线状部分为提取的沟道) , 可以把二 值化得出的数据作为最终的沟道提取结果。

图 4 流域累积汇水面积图

2 结果与分析
在本次研究中自动统计生成的关键的数据有 3 个: 填洼之后生成的无洼地 DEM 数据, 基于无洼地 DEM 数据生成的流向数据和流域累计汇水面积数据。

2.1 无洼地 DEM
在预处理中通过扫描原始 DEM 数据标定了 5 处 洼地区域, 最低的洼地底部高程为1 145 m, 最高的洼 地底部高程为1 195 m。计算得出的填充洼地的最深 值为 1, 以此值为限制用 Fill 函数进行填充, 对填充后 的 DEM 高程数据用 SINK 函数查找洼地得到空值, 说 明流域中影响流向确定的洼地已经被移除, 见图 3。

图 5 沟道与地形晕渲图叠加示意图

2.3 沟道分级结果
通过对提取出的流域沟道数据进行 Strahler 方案 水系分级, 可将流域内的沟道系统分为 4 级, 其中从源 头开始的 1 级水系有 58 条, 一级水系交汇而成的 2 级 水系有 15 条, 3 级水系有 3 条, 4 级水系有 1 条。水系 的分级基本符合流域沟道的实际分布特征, 见图 6。

图 3 流域无洼地 DEM 图 图 6 沟道分级图

2.2 累积汇水面积分析
流域累积汇水面积数据 (见图 4) 是进行沟道提取 的基础, 本文结合生成的地形光照晕渲图来设定合适 的 CSA 值, 经过多次选值与晕渲图叠加分析, 认为当 CSA 取 300 时, 所提取的沟道与晕渲图的地形特征吻

3 结论
? 通过与大南沟小流域 1 10 000 地形图所反映的实

际流域特征对比分析, 可以认为提取出的沟道特征基

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本符合实际, 即用 ArcGIS 的水文分析功能可以进行流 域沟道特征的提取, 这在水文分析和沟道系统研究领 域有着重要的意义。 但在分析中也存在一些问题有待于做进一步的 研究和探讨, 主要有以下几方面: 1) 填洼预处理过程有可能会导致实际地形的改 变。在 ArcGIS 中把洼地的成因归为是由于对地形的 过低估计而致, 故而采用增加高程的填平方案, 而实 际上洼地还可能是由于周围高程过高估计而成, 或是 (有坡度地区) 被高地阻挡而成 (阻挡型洼地) , 单纯的 填平会导致这类洼地实际地形被改变。 2) 对平地的处理效果不明显, 在地形起伏小的地 区, 沟道的模拟会出现误差, 尤其是在填平处理后产 生的平坦地区, 流向的确定仍不理想。 3) CSA 值的选取, 本文采用地形光照晕渲图做参 照的方法来确定临界汇水面积值, 但这种方法的主观 性太强, 缺乏定量的数学基础, 且光照晕渲图只能模 糊地反映地形起伏特征, 以其为参照会产生误差, 故 需要进一步讨论更好的方法, 以使提取的沟道能正确 地反映实际状况。

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Prospect of the Self-Determination Celestial Navigation Technology with Daytime SWIR
HAN Yan-li, GUO Xiao-jun, LOU Shuo-li
(Department of Control Engineering, NAAU, Yantai Shandong 264001, China) Abstract: Through these factors of the distribution of stars observed in daytime, sky background radiation and at? mospheric transmission, CCD characteristics, the size of the filed-of-view , the advantage of short wavelength in? frared light for celestial navigation system was analyzed based on 2MASS point sources catalog demonstrated working in both nighttime and daytime on the ground or the sea by utilizing observations of stars, and the pros? pect of the self-determination celestial navigation technology daytime with SWIR is analyzed. Key words: two micron all days patrol; SWIR; PSC; celestial navigation (上接第 314 页)

Channel Characteristics of Extraction Based on DEM in ArcGIS
2 YAN Jian-gang1, JIN Fu-xin1, , ZHOU Xiao-cheng1, MA Hai-yang1

(1. Department of Command, NAAU, Yantai Shandong 264001, China;
2. Army Aviation Institute, Beijing 101123, China) Abstract: In this paper, it was based on digital elevation model (DEM) data of 5 meter resolution, which is from DaNangou area, Yan’ an, Shanxi. Using the grid module platform of ArcGIS 9.3, the channel systems of research area was extracted. Raster data of canal direction and watershed water catchment area were formed after the original terrain data were pretreated. Then it set the appropriate critical water catchment area value, and extract? ed the river canal system. Finally, it graded the canal system. The results showed that the extracted channel sys? tem was generally consistent with the actual one. Key words: ArcGIS; DEM; channel characteristics ofd extraction


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