王敏嬙

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

水資源是我們地球上寶貴的資源，更是我們賴以生存的基礎(chǔ)，而現(xiàn)如今水資源一度缺乏和水量分布嚴(yán)重不均成為我們必須要重視的問題。ArcGIS的水文模擬分析功能為研究水流方向提取、河網(wǎng)提取、流域分割等提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析工具。實(shí)驗(yàn)主要旨在介紹基于DEM并結(jié)合ArcGIS9.2中的水文分析的方法，通過對(duì)基本水文特征的提取和基本水文分析，在DEM的基礎(chǔ)上形成水流的運(yùn)動(dòng)走向，最終完成區(qū)域的水文分析過程。

1 分析數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)軟件

近十幾年來，隨著3S技術(shù)在水文模擬研究中的應(yīng)用，流域水文模擬的研究方法發(fā)生了改變其特點(diǎn)是通過GIS等空間分析技術(shù)計(jì)算流域的基本地形參數(shù)，從而使水文模擬效率得以顯著提高。國(guó)外研發(fā)了許多能生成數(shù)字流域的成熟算法和軟件，如 ESRI提供的 Arc Hydro Tools模塊，RSI提供的River Tools，Garbrecht J，Martz W的TOPAZ工具等。在國(guó)內(nèi)由于GIS起步稍晚一些，但水文與3S技術(shù)的結(jié)合是我國(guó)水文模型研究的必然發(fā)展趨勢(shì)，并且能否善于利用較成熟軟件也是一個(gè)影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和精準(zhǔn)度的重要條件。本文重點(diǎn)利用ArcGIS的水文分析模塊和DEM數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)河流地區(qū)進(jìn)行流域分析和模擬的過程。

數(shù)字高程模型DEM作為4D(DEM、DLG、DOM、DRG)產(chǎn)品中的一種，其應(yīng)用非常廣泛。其中柵格型DEM是比較普遍的格式，計(jì)算處理簡(jiǎn)單有效，且和遙感數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)上容易匹配，因此在水文領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 水文分析的實(shí)現(xiàn)過程

2.1 無洼地DEM 生成

DEM被認(rèn)為是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內(nèi)插的原因以及一些真實(shí)地形(如喀斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在著一些凹陷的區(qū)域，在進(jìn)行水流方向計(jì)算時(shí)，其表面存在的一些凹陷區(qū)域會(huì)影響到研究結(jié)果。因此，在進(jìn)行水流方向的計(jì)算之前，應(yīng)該首先對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無洼地的DEM。利用ArcGIS中的Hydrolody模塊，通過Sink函數(shù)和Fill函數(shù)將洼地填充，根據(jù)洼地深度確定合理填充閾值，生成無洼地的數(shù)字高程模型，使水流能暢通流至河口，實(shí)際上這一步是為了替換掉不好的柵格點(diǎn)數(shù)據(jù)，例如有些中心點(diǎn)的高度高于周圍鄰域點(diǎn)的值，致使水無流向方向，則要修改這些點(diǎn)。如圖1和圖2所示為填洼前后的對(duì)比。

圖1 DEM原圖

圖2 經(jīng)過填洼后的Filled DEM

2.2 水流方向分析

在ArcGIS中采用的就是D8算法，在Filled DEM中由于有無洼地區(qū)域的存在，使得自然流水可以暢通無阻地流至區(qū)域地形的邊緣。因而，經(jīng)洼地填充之后，河流區(qū)域的河口就能顯示出來了。在上一步生成的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用Flow Direction命令便可進(jìn)行水流流向分析，如圖3所示。

圖3 經(jīng)過水流方向計(jì)算后的柵格圖

2.3 匯流累計(jì)量

在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算而來的。對(duì)每一個(gè)柵格來說，其匯流累積量大小代表著其上游有多少個(gè)柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過該柵格，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成地表徑流。在實(shí)驗(yàn)中由于缺少當(dāng)?shù)氐木唧w資料，故所有的柵格配以相同的權(quán)值，計(jì)算出來的匯流累積量的數(shù)值就代表著該柵格位置流入的柵格數(shù)的多少。

2.4 河網(wǎng)提取分析

河網(wǎng)提取分析也就是河網(wǎng)的生成，一般分為3個(gè)步驟:

1)閾值的設(shè)定

在設(shè)定閾值時(shí)，應(yīng)該充分對(duì)研究區(qū)域和研究對(duì)象進(jìn)行分析，通過不斷的實(shí)驗(yàn)和利用現(xiàn)有地形圖等其它數(shù)據(jù)輔助檢驗(yàn)的方法來確定能滿足研究需要并且符合研究區(qū)域地形地貌條件的合適的閾值。河網(wǎng)級(jí)別不同所代表的匯流累積量也不同，河網(wǎng)級(jí)別越高，匯流累積量越大，根據(jù)柵格匯流能力的分析結(jié)果，將匯流能力超過一定閾值(本文值大于1 000 000)的柵格作為水道，將小于該閾值的柵格作為產(chǎn)流區(qū)，從而劃分河流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2)柵格河網(wǎng)的生成

利用map algebra工具集中的con命令，它是基于柵格進(jìn)行有條件的查詢并將查詢結(jié)果賦予新的柵格數(shù)據(jù)中。也可以利用Spatial Analysis分析模塊下的Raster Calculator來計(jì)算出所有大于設(shè)定閾值的柵格，這些柵格就是河網(wǎng)的潛在位置。根據(jù)所設(shè)定的閾值對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行判斷，匯流累積量大于閾值的柵格，采取重分類將其屬性值賦為1，小于或等于閾值的柵格設(shè)置為無數(shù)據(jù)，最終形成河網(wǎng)水系。

3)柵格河網(wǎng)矢量化

在hydrology工具集中提供了將生成的柵格河網(wǎng)進(jìn)行矢量化，就可以得到矢量形式的河網(wǎng)圖。圖4是本實(shí)驗(yàn)區(qū)域矢量形式的河網(wǎng)圖。

圖4 矢量化后的河網(wǎng)圖

圖5 流域的盆地

2.5 河網(wǎng)分級(jí)

河網(wǎng)分級(jí)是對(duì)一個(gè)線性的河流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分級(jí)別的數(shù)字標(biāo)識(shí)。在ArcGIS的水文分析中，提供兩種常用的河網(wǎng)分級(jí)方法:Strahler分級(jí)和Shreve分級(jí)。結(jié)合實(shí)際情況，本次分析采用了Shreve的分級(jí)方式，得到河流分級(jí)疊加在填充后的DEM。

2.6 河流流域盆地確定

流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域。任何一個(gè)天然河網(wǎng)都由大小不等、形態(tài)不一的水道聯(lián)合而成，每個(gè)水道都有其匯水范圍和流域面積，這樣就形成了子流域，較大的流域通常由這些子流域聯(lián)合而成。通過Basin命令，可確定流域盆地，圖5為該區(qū)域的流域盆地。

確定流域的出水口位置，即將所有水系最終注入該點(diǎn)的所有子流域重新生成為一個(gè)流域，而流域邊界即為全流域分線，利用watershed工具，得到出水點(diǎn)的匯水區(qū)域。而對(duì)于匯水區(qū)出水口的確定，用hydrology工具集中的snap pour point工具尋找匯水區(qū)出水口。那些屬性值存在的點(diǎn)作為潛在的出水點(diǎn)，在指定距離內(nèi)于匯流累計(jì)量數(shù)據(jù)層上搜索那些具有較高匯流累計(jì)量柵格點(diǎn)的位置，這些搜索到的柵格點(diǎn)就是小級(jí)別流域的出水點(diǎn)，也可以利用已有的出水點(diǎn)的矢量數(shù)據(jù)。如果沒有出水點(diǎn)的柵格或矢量數(shù)據(jù)，則可以用已有河網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)一步生成stream link數(shù)據(jù)，作為匯水區(qū)的出水口數(shù)據(jù)。根據(jù)出水口的位置確定的匯水區(qū)域如圖6所示。最后疊加河網(wǎng)層，得到出水口流域地表模擬圖，如圖7所示。

圖6 出水點(diǎn)的匯水區(qū)域

圖7 最終得到的出水口流域地表模擬圖

2.7 精度校驗(yàn)

如果對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果不確定時(shí)，可以手動(dòng)提取流域邊界，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。這種校驗(yàn)一般使用定量分析提取誤差，即將自動(dòng)提取的子流域面積與結(jié)合手工量測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。具體做法是:將地形圖和遙感影像經(jīng)過幾何糾正配準(zhǔn)到同一投影坐標(biāo)下，結(jié)合已有的DEM生成三維流域地貌圖，以此為基礎(chǔ)，手工提取了流域邊界，劃分了子流域，并將其與利用DEM自動(dòng)提取的流域進(jìn)行空間對(duì)比分析。DEM在水文模擬中的應(yīng)用主要應(yīng)用時(shí)描述流域地形，包括流域劃分和子流域邊界的確定、河網(wǎng)的識(shí)別和提取、坡度、坡向的確定等等，從而為流域分布式水文模型的構(gòu)建提供下墊面參數(shù)。通過離散點(diǎn)數(shù)據(jù)修改DEM后，利用填洼算法再次對(duì)DEM進(jìn)行修正，由此提取的流域特征比較符合實(shí)際。

3 結(jié)論與思考

基于DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件的水文分析模塊，確定了某處河流流域水文方向，提取了流域河網(wǎng)水系和流域盆地，模擬了出水口的地表流域模型。研究結(jié)果表明，采用該方法模擬的河流數(shù)字流域水系及面積與水利部門提供的數(shù)據(jù)及真實(shí)地形基本相符，但不完全吻合?？陀^的反映了河流流域水系空間分布狀況。該研究成果將為流域植被與生態(tài)環(huán)境演變過程的進(jìn)一步研究和分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為獲取該流域水系空間分布狀況提供了一種新的方法。而對(duì)于不符合的地方進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)誤差的產(chǎn)生主要原因分析是，可能是由于水流出河口后發(fā)生漫散，因此DEM在處理河口地帶精度受到影響，容易造成流域分水線在河口處計(jì)算的誤差，從而造成流域面積計(jì)算的誤差。由于面積誤差發(fā)生在流域出口位置，因此這種面積誤差對(duì)以后的流域分析產(chǎn)生影響較小。在此基礎(chǔ)上，采用更高空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)，并融入遙感影像等其它空間信息，將會(huì)提高河網(wǎng)、流域范圍等相關(guān)水文信息的質(zhì)量，為流域分析計(jì)算、流域生態(tài)環(huán)境演變等后續(xù)的研究提供參考，這些將是以后研究的一個(gè)重點(diǎn)。

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