楊 松,王山東,卓中文,張曉平

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

基于數(shù)字化水系修正DEM提取流域河網(wǎng)研究

楊 松,王山東,卓中文,張曉平

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098)

基于DEM提取河網(wǎng)流域的基本原理以及將數(shù)字化水系的位置信息作為流域河網(wǎng)提取的限制條件,對主要河道的DEM值進(jìn)行修改,然后設(shè)定不同的集水面積閾值提取相應(yīng)的河網(wǎng)。根據(jù)河網(wǎng)密度與集水面積閾值的關(guān)系,利用均值變點分析方法,最終確定合理的集水面積閾值。結(jié)果表明使用該方法提取的河網(wǎng)流域更加接近真實水系。

DEM;數(shù)字化水系;河網(wǎng)提取;變點分析

0 引 言

基于DEM提取河網(wǎng)流域和匯流網(wǎng)絡(luò)是建立分布式水文模型不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),河網(wǎng)流域的提取精度直接影響著分布式模型對匯流過程的模擬。國內(nèi)外學(xué)者一直致力于如何提高精度,根據(jù)近年DEM提取河網(wǎng)流域的方法來看,一方面是基于DEM數(shù)據(jù)源本身,不斷優(yōu)化算法,以提高提取精度;孫崇亮[1]等提出了一些改進(jìn)算法,包括移動出口算法、坡面徑流模擬算法、谷線搜索算法、自動提取河網(wǎng)劃分子流域等。另一方面是加入實際河網(wǎng)或主干河道修正DEM[2-4]以及在計算流向時[5]進(jìn)行強(qiáng)制約束。俞雷[6]等將實際河網(wǎng)作為約束條件,進(jìn)行河網(wǎng)提取時得到較好效果。董有福[7]等采用緩沖分析和柵格疊置,在平坦地區(qū)得到了真實的水流方向,消除了偽河道,實現(xiàn)了河網(wǎng)的二次精確提取。Matthew等研究也表明,修正DEM可以有效地提高平原水系提取的精度,但目前的修正方法還不完善[8]。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上,首先從遙感影像數(shù)字化水系,采用Agree算法,迭加數(shù)字化水系并修正研究區(qū)域的DEM,然后采用均值變點分析法定量以及合理地確定區(qū)域內(nèi)的集水閾值,強(qiáng)制約束水流方向提取河網(wǎng)。最后結(jié)果表明附加該方法后提取的河網(wǎng)流域更加接近自然水系。

1 基于DEM提取河網(wǎng)的原理和方法

1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

DEM的預(yù)處理包括“burn-in”主干河網(wǎng)和填平洼地。“burn-in”主干河網(wǎng)是為了使自動提取的河網(wǎng)與實際河網(wǎng)相吻合,而將河道所在格網(wǎng)的高程值人為降低。由于DEM本身誤差以及一些特殊實際地形的存在,造成DEM表面存在許多洼地,從而在水流方向計算時,不能得到正確的流向,因此在流域河網(wǎng)水系提取時需要對原始的DEM進(jìn)行填洼處理,得到無洼地的DEM。

1.2 確定水流方向

流向算法采用了最成熟、最常用的D8算法。D8算法假設(shè)每個水流格網(wǎng)單元只有8種可能的流向,并用8個特征碼表示,如圖1所示。然后采用最陡坡度法計算水流的方向,即在3*3的DEM網(wǎng)格上,計算中心網(wǎng)格與各相鄰網(wǎng)格間的距離權(quán)落差(R),取最大落差為水流方向。計算公式為:R=H/L,H為相鄰網(wǎng)格中心點落差,L為兩中心點之間的距離。

圖1 水系流向編碼

1.3 計算流向累積柵格

流域匯流能力分析是提取河流網(wǎng)絡(luò)的前提和基礎(chǔ)。流域內(nèi)一個柵格的匯流能力反映了其匯聚水流能力的強(qiáng)弱程度,匯流能力特征值就表示水流能夠流入其中的周圍柵格的數(shù)目。具體計算方法為,以規(guī)則柵格表示數(shù)字高程模型每個點處有一個單位的水量,再根據(jù)區(qū)域內(nèi)柵格的水流方向數(shù)據(jù)計算每個柵格所流過的水量數(shù)值,得到該區(qū)域的匯流累積量。

1.4 流域河網(wǎng)柵格的提取及集水區(qū)閾值的確定

在水流集聚柵格中,每一個柵格的匯流特征值代表注入該柵格的所有柵格的數(shù)量。當(dāng)柵格的特征值大于某一給定閾值時,即匯流面積大于某一定面積時,認(rèn)為該柵格為河網(wǎng)柵格,然后采用二值化的方法提取河網(wǎng)柵格。集水面積閾值的選取對基于柵格DEM提取的流域河網(wǎng)及其特征影響很大。因此,必須根據(jù)實際流域情況設(shè)定一個比較合理的集水面積閾值。

1.5 矢量河網(wǎng)的提取

將提取的柵格河網(wǎng)沿著河道轉(zhuǎn)換成矢量即得到了矢量河網(wǎng),再根據(jù)水流方向,沿著矢量河網(wǎng),建立了能夠表達(dá)河網(wǎng)上下游關(guān)系的拓?fù)?最終提取了整個流域的河網(wǎng)。

2 引入數(shù)字化水系進(jìn)行DEM修正提取流域河網(wǎng)

本文采用分辨率為30 m ASTGTM2-GDEM的安徽省新安江流域地區(qū)的DEM為研究數(shù)據(jù)來源。根據(jù)該地區(qū)的影像圖,由于分辨率的限制,只對主要的河道進(jìn)行數(shù)字化,作為修正DEM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采用“Agree”算法在ArcGIS軟件下按照如圖2所示確定整個流域匯水柵格,并利用均值變點分析方法定量地確定合理的集水面積閾值,使得在數(shù)字化水系的基礎(chǔ)上使得提取的河網(wǎng)能夠準(zhǔn)確地模擬自然水系。

圖2 基于數(shù)字化水系修正DEM提取流域河網(wǎng)的流程

2.1 集水面積閾值的確定

由于集水面積閾值將流域劃分為坡地和河道,與河道中的水流特性不同,坡地上的水流以坡面流的形態(tài)進(jìn)行匯集,故集水面積閾值的選擇會影響流域匯流過程,進(jìn)而影響到流域出口斷面的徑流過程[9]。因此,對以數(shù)字水系和匯流網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的分布式水文模型而言,只有選擇合理的閾值,才能使所提取出的水系更好代表流域中實際水系和匯流網(wǎng)絡(luò)的匯流作用,減小徑流模擬過程中匯流網(wǎng)絡(luò)帶來的不確定性。

本文依次設(shè)定集水面積閾值為3 km2、4 km2、5 km2、…、31 km2、32 km2、33 km2提取流域河網(wǎng),分別計算河源密度(表1),得出集水面積閾值與河網(wǎng)密度的關(guān)系(圖3)。

如圖3顯示了河網(wǎng)密度與集水面積閾值的關(guān)系,從圖3中可以看出當(dāng)集水面積閾值比較小時,河網(wǎng)密度很大;隨著集水面積閾值變大,河網(wǎng)密度開始有一個大的降低趨勢,使得河網(wǎng)密度變化變得平緩。這是因為,集水面積閾值越大,在水流累積柵格圖層中超過集水面積閾值的柵格就少,河道起始點的位置會向流域地勢平坦處“退縮”,坡地上的河網(wǎng)外鏈逐漸從河網(wǎng)中消失,偽河道被刪除,當(dāng)全部的坡地河網(wǎng)外鏈被移除時,偽河道也就全部被刪除,此時的集水面積閾值是一個臨界值[10]。

以往的研究中多為人工判斷曲線上由陡變緩點的位置,這種方法中人的主觀性影響較大。本次實驗采用統(tǒng)計學(xué)上的均值變點分析法科學(xué)地計算出擬合曲線上由陡變緩的點位。

圖3 河網(wǎng)密度與集水面積閾值的關(guān)系

表1 河源密度與集水面積閾值的關(guān)系

均值變點分析法計算過程大致如下[11]:設(shè)有樣本序列H0

(2)計算總體樣本的統(tǒng)計量:

均值變點法原理,即變點的存在會使原始樣本的統(tǒng)計量S與樣本分段后的統(tǒng)計量Si之間的差距增大。

按照上面的步驟,根據(jù)表1中河網(wǎng)密度與集水面積閾值之間的關(guān)系,在處理樣本序列時,對河網(wǎng)密度值乘以1 000,將單位化為1,然后利用均值變點法的公式計算樣本序列的統(tǒng)計量S和Si的值,其兩者的差值變化擬合曲線見圖4。

由圖4可以容易得到,在集水面積為10 km2的時候,差值最大。因此,本文經(jīng)過統(tǒng)計理論方法計算,基于分辨率為30 m的DEM,適合安徽省新安江流域地區(qū)的集水面積閾值為10 km2,此時提取的河網(wǎng)更加接近實際水系。

圖4 分段后的樣本統(tǒng)計量與原始樣本的統(tǒng)計量差值變化

2.2 結(jié)果分析比較

根據(jù)文中確定的合理閾值,在ArcGIS軟件下的水文模塊分析方法[12],沒有加入數(shù)字化水系圖修正DEM的情況下,依據(jù)提取河網(wǎng)的流程,得到的流域河網(wǎng)并與數(shù)字化水系對比分析如圖5,可以看出一方面河網(wǎng)密度比數(shù)字化水系增加,因為遙感影像分辨率限制,數(shù)字化水系不能準(zhǔn)確反映實際的流域河網(wǎng)形態(tài),另一方面在平原地區(qū),容易出現(xiàn)平行河道以及偽河道。

經(jīng)過加入數(shù)字化水系修正DEM后,選擇確定好的集水面積閾值,提取的河網(wǎng)如圖6所示,一方面能夠真實地反映實際流域河網(wǎng),另一方面在平原地區(qū)能夠較好地與數(shù)字化水系的形態(tài)一致,消除了平行 的偽河道。

圖5 數(shù)字化水系圖(左圖)以及ArcGIS軟件下沒有修正DEM提取的河網(wǎng)圖(右圖)

圖6 數(shù)字化水系圖(左圖)以及加入數(shù)字化水系修正DEM后提取的河網(wǎng)圖(右圖)

3 結(jié) 語

本文基于在數(shù)字化水系的基礎(chǔ)修正研究區(qū)域內(nèi)的DEM,同時定量地確定合理的集水面積閾值,從而提高流域河網(wǎng)算法的提取精度。通過引入數(shù)字化水系信息,可以對DEM本身的誤差和分辨率的限制對流域河網(wǎng)提取所帶來的部分誤差進(jìn)行消除,并通過均值變點分析的方法確定合理的集水面積閾值,提取的河網(wǎng)更加接近自然水系,最終能夠為準(zhǔn)確地計算流域河網(wǎng)匯流模擬提供基礎(chǔ),為分布式水文模型的研究和發(fā)展提供了更高精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[1]孫崇亮,王卷樂.基于DEM的水系自動提取與分級研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2008,27(1):118-124.

[2]郝振純,李 麗.基于DEM的數(shù)字水系的生成[J].水文,2002,22(4):8-10,52.

[3]王加虎,郝振純,李 麗.基于DEM和主干河網(wǎng)信息提取數(shù)字水系研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,33(2):119-122.

[4]李 麗,郝振純,王加虎.復(fù)合信息提取流域特征及其應(yīng)用[C]//夏軍主編.水問題的復(fù)雜性與不確定性研究與進(jìn)展.北京:中國水利水電出版社,2004:196-205.

[5]鄭子彥,張萬昌,邰慶國.基于DEM與數(shù)字化河道提取流域河網(wǎng)的不同方案比較研究[J].資源科學(xué),2009,31(10):1730-1739.

[6]俞 雷,劉洪斌,武 偉.基于DEM的重慶三峽庫區(qū)水系提取試驗研究[J].地理科學(xué),2006,26(5):616-621.

[7]董有福,湯國安,羅明良.DEM水文分析中一種有效消除偽水道的簡易方法[J].測繪通報,2008,12:53-55.

[8]Matthew E Baker,Donald E Weller,Thomas E Jordan.Comparison of automated watershed delineations:effects on land cover areas,percentages,and relationships to nutrient discharge[J].Photogram Metric Engineering&Remote Sensing,2006,72(2):159-168.

[9]李 麗.分布式水文模型的匯流演算研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

[10]易衛(wèi)華,楊 平.基于DEM數(shù)字河網(wǎng)提取時集水面積閾值的確定[J].江西水利科技,2008,34(4):259-262.

[11]項靜恬,史久恩.非線性系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)計方法[M].北京:科學(xué)出版社,1997.

[12]石春力,李 雪,孫 韌,等.Arc Hydro模型在流域水文特征提取中的應(yīng)用-以薊縣沙河流域為例[J].水資源與水工程學(xué)報,2012,23(1):73-80.

Research on Extraction of Watershed River Network Based on DEM Enhanced by Digital River System

YANG Song,WANG Shan-dong,ZHUO Zhong-wen,ZHANG Xiao-ping
(College of Earth Science and Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

According to the basic method for extracting the river channel network of watershed based on DEM and taking the digital river system's catchment properties as controlling factors,the DEM values of main river channels are revised.In addition,the different DEM-based river network is extracted by varying catchment area threshold.At the same time,based on the relation of the river network density and catchment area threshold,the method of change-point analysis is used to produce an ideal catchment area threshold.The results show that the river network watershed extracted by this method would fit well with the actual river system.

DEM;digital river system;river network extraction;change-point analysis

P343

A

1672—1144(2013)02—0123—04

2012-10-01

2012-12-30

楊 松(1987—),男,河南南陽人,碩士研究生,研究方向為GIS二次開發(fā)、水文分析等。