張力，朱思蓉，曹曦，甘拯

(長江空間信息技術工程有限公司，湖北武漢 430013)

1 前言

近幾年，GIS技術和空間信息技術在數(shù)據(jù)處理、空間分析及可視化方面的應用為水文分析、水資源管理方面提供了有效的解決方法和科學的手段。目前，水資源模型的研究重點已從單純的函數(shù)模擬統(tǒng)計的數(shù)學模型轉(zhuǎn)到與成熟的GIS軟件相結合的具備空間分析能力的水文地理數(shù)據(jù)模型，其中基于DEM提取流域水文信息技術是這種研究的關鍵基礎之一。

城市區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)及森林、交通道路、流域規(guī)劃管理及工程設計等許多領域，需要了解所涉區(qū)域內(nèi)的真實地形，進行水文分析研究地表水體在區(qū)域的空間分布及不同時間流經(jīng)的狀態(tài)，以便于規(guī)劃設計工作中各種工程的合理布置、管理工作中高效便捷規(guī)則的制定運作。在基礎地形圖缺乏的情況下，GIS可以利用表示地形地表的數(shù)字高程模型(DEM)來提取水系和劃分水系子流域，作為支持水文模擬分析的重要工具。

2 水文地理數(shù)據(jù)模型Arc Hydro

目前，與GIS結合的水文地理數(shù)據(jù)模型研究有很多，如美國地質(zhì)調(diào)查局和環(huán)境保護局(USGS and EPA)開發(fā)的美國水文地理數(shù)據(jù)模型，美國陸軍工程師兵團(U．S．Army Corps of Engineers)水文工程中心開展的水文水力學GIS工具的建模方法研究，丹麥水利研究院(DHI)的水與環(huán)境部開發(fā)的地理空間水文模擬模型MIKE BASIN，美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(Esri)和美國得克薩斯州奧斯汀大學水資源研究中心(CRWR)研發(fā)的應用于水資源流域的數(shù)據(jù)模型 Arc Hydro等。其中，MIKE BASIN與Arc Hydro兩種模型都有基于ArcGIS軟件的擴展模塊工具為水文分析提供支持。

Arc Hydro是ArcGIS中用于水資源地理空間和時態(tài)數(shù)據(jù)描述的模型，擁有一套由Esri和CRWR共同搭建的工具集，該工具將要素屬性存儲于Geodatabase數(shù)據(jù)框架中，關聯(lián)到不同的空間數(shù)據(jù)圖層中的要素，通過和獨立的水文水力學模型間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對水文模擬模型的支持。

該模型關注描述自然地表水水文和水文地理方面的內(nèi)容，主要應用地理基礎資料輔助分析地表水流從哪里產(chǎn)生以及要流向何處，再現(xiàn)水流的流動過程，以獲取更多的水文信息，從而達到輔助水系統(tǒng)和水資源管理的水文分析工作，但是Arc Hydro并沒有為水的管道系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)提供具體的數(shù)據(jù)結構。

Arc Hydro工具集主要包括地形預處理(Terrain Preprocessing)，地形形態(tài)初步分析(Terrain Morphology)，流域處理(Watershed Processing)，屬性讀寫(Attributes Tools)和網(wǎng)絡分析(Network Tools)等工具，可以在對DEM進行平滑和填洼處理后，實現(xiàn)水流的地表模擬過程中的水流方向確定、匯流累積量及河流長度的計算、河網(wǎng)生成以及流域自動劃分等功能，通過這些工具提取和分析水文因子，在DEM表面再現(xiàn)水流的流動過程。

本文結合尼加拉瓜某工程項目實例，采用Arc Hydro從DEM中提取河網(wǎng)、并計算河流某點所控制的流域面積作為水文分析的數(shù)據(jù)基礎，同時介紹實際使用的一些經(jīng)驗。

3 項目實例

尼加拉瓜是中美洲的一個瀕臨太平洋與大西洋的國家，地跨中美地峽。尼加拉瓜某工程項目實施前期需要掌握工程范圍內(nèi)基本的水文地理情況，為進一步深入的水資源狀況分析及設計工作做準備。由于缺乏當?shù)氐幕A地形資料，采用Arc Hydro作為提取河網(wǎng)和計算河網(wǎng)上某點控制的流域面積的工具。

3.1 基礎數(shù)據(jù)準備

在測繪基礎數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)資料不全的前提下，DEM數(shù)據(jù)源可以采用SRTM DEM數(shù)據(jù)。SRTM(shuttle radar topography mission)由美國航空航天局(NASA)、美國國家圖像測繪局(NIMA)以及德國與意大利航天機構共同合作完成，2000年2月，通過裝載于“奮進號”航天飛機的干涉成像雷達數(shù)天的全球作業(yè)，得到全球表面近80%面積的三維雷達數(shù)據(jù)，然后對雷達數(shù)據(jù)進行相應的處理，生成精度較高的數(shù)字高程模型。在SRTM的官方網(wǎng)站上可以免費下載到90 m分辨率的高程數(shù)據(jù)。

本例基礎數(shù)據(jù)源DEM采用由NASA提供的SRTM數(shù)據(jù)，空間分辨率為 90 m，平面坐標系統(tǒng)采用NAD_1927_UTM_Zone_16N，水準面為 D_North_American_1927，研究區(qū)域范圍跨越北緯 09°45'～ 13°45'，西經(jīng)83°15'～88°00'。

3.2 填充洼地

DEM是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內(nèi)插以及一些真實地形(如喀斯特地貌)的存在，使得DEM表面存在一些凹陷的區(qū)域。這些區(qū)域由于低高程柵格的存在，使得計算水流方向時得到錯誤的方向。假洼地導致在河網(wǎng)生成過程中可能會造成不合理的中斷，降低了生成河網(wǎng)的準確性。所以應該在河網(wǎng)提取前對DEM數(shù)據(jù)進行填洼和平地抬升處理以生成無洼DEM。

Arc Hydro的地形預處理工具中有專門針對DEM錯誤評估的功能，包括洼地預篩選(Sink Prescreening)、洼地/塌陷評價(Sink Evaluation，Depression Evaluation)和洼地選擇(Sink Selection)，通過上述系列操作選擇出可能的洼地，然后利用填洼(Fill Sinks)來得到無洼的DEM。

篩選和填充洼地的算法思想是通過水流方向來判斷哪些地方是洼地，如果某一柵格單元的高程低于周圍柵格單元的高程，則增加該柵格單元的高程，直到水流可以流到相鄰單元。

3.3 計算水流方向

Arc Hydro的地形預處理工具中的計算水流方向(Flow Direction)可以通過計算每個柵格單元水流的方向，最終得到整個關注的范圍中水流方向的柵格文件。

水流方向是指水流離開每個柵格單元時的指向。Arc Hydro模型中利用D8算法，即最大距離權落差或最大坡降法，來計算每個柵格與鄰接柵格的最大距離權落差來確定最陡方向，計算出來的最陡方向即為水流方向，距離權落差是指中心柵格與領域柵格的高程差除以兩柵格間的距離，如圖1所示。

圖1 D8算法原理

3.4 計算匯流累積量

Arc Hydro的地形預處理工具中的計算匯流累積量(Flow Accumulation)基于水流方向進行，每一格網(wǎng)的匯流數(shù)據(jù)是按上游水流方向流經(jīng)此格網(wǎng)的所有格網(wǎng)數(shù)之和，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成河流，如圖2所示。

圖2 計算匯流累積量原理

3.5 提取河網(wǎng)及河網(wǎng)分段

河道中有一定的水量才能叫河流，匯流累積量的結果包括了有水而稱不上是河流的水流。所以，當匯流累積量大于一定的流量(積水面積閾值)即可提取河網(wǎng)。

提取河網(wǎng)(Stream Definition)功能中設置的默認閾值是最大匯流累積量的1%，更小的閾值會提取到更密集的河網(wǎng)、更多的集水區(qū)(Catchment)，需要更長的運行時間。

河流分段(Stream Segmentation)結合提取的河網(wǎng)和水流方向按上下游對每個河段進行編號，分為源頭和中間河段，得到河段的柵格數(shù)據(jù)，每個河段中的柵格值代表其所屬河段。

如果在實際工程中可以收集到實際湖泊、河流或者已經(jīng)確定的較大的流域邊界，可以利用Arc Hydro的地形預處理工具集中專門針對DEM操作(DEM Manipulation)的一系列功能將真實水系融入DEM信息中。DEM抬升DEM(Level DEM)工具給湖泊面覆蓋的DEM柵格單元相應的高程值進行抬高，分配并賦予DEM河流坡度(Assign Stream Slope/Burn Stream Slope)計算輸入河段起點與終點的相對高程，并根據(jù)河段的坡度值給河段覆蓋的DEM柵格單元重新賦值，DEM重建(DEM Reconditioning)則是利用已有河流線和河流面及指定的緩沖區(qū)重構河流經(jīng)過的柵格單元高程值。筑墻(Build Walls)將已有的內(nèi)外邊界信息加高。利用已有的水系及流域信息對DEM進行處理，可以加強DEM中的真實河網(wǎng)信息，以保證河流計算的準確性，這一步有利于生成的河網(wǎng)、劃分的集水區(qū)(流域及子流域)更加真實準確。

3.6 劃分集水區(qū)

基于水流方向和河網(wǎng)分段，集水區(qū)柵格提取(Catchment Grid Delineation)和集水區(qū)多邊形處理(Catchment Polygon Processing)功能可以劃分水系的集水區(qū)，每一個河段對應一個集水區(qū)，其屬性信息中會自動生成流域周長和面積，集水區(qū)的多少與提取河網(wǎng)時的閾值相關。

在缺乏實測地形資料的情況下，以上自動提取功能可以給水文學家提供水文分析可利用的數(shù)據(jù)。在有基礎地形資料的情況下，也可以大大節(jié)省水文學家從等高線上手動提取流域信息的時間。但因為匯流模式非常復雜，且DEM只是近似地表地形的模型，自動劃分的集水區(qū)邊界有時可能需要手動編輯和修改，特別是在地形平坦地區(qū)，有許多人工渠道而非自然河流時，手動進行修正也是必要可行的手段。

3.7 河網(wǎng)上某點控制流域面積的統(tǒng)計

在實際工程中，有時并不需要所有集水區(qū)的劃分與分布，而更加關心河網(wǎng)上某點所控制的流域面積的范圍及大小，比如已有或規(guī)劃中的水文站、水庫、水電站和河道斷面，用于作水文分析計算的條件。

基于水流方向和河網(wǎng)數(shù)據(jù)，標注河網(wǎng)上關注點的正確位置并設置為出水口，采用Arc Hydro的流域處理工具中的批量提取子流域(Batch Subwatershed Delineation)可獲取所標注出水點所控制的上游流域面積。計算思想是結合水流方向的數(shù)據(jù)，分析搜索出該出水點上游所有流過該點的柵格，即確定了該點所控制流域的邊界位置。

因為自動提取的河網(wǎng)并非真實的水系，所以在標注關注點時，需要一些關注點的已知資料來做支撐，比如周邊的水系分布、所在干流或支流的名稱，根據(jù)這些已知資料與提取的河網(wǎng)對比來判斷標注出水口的位置。

圖3 得出河網(wǎng)的流域邊界及面積

4 結語

在流域規(guī)劃項目和水利樞紐設計工程中，都需要水文分析計算工作提供各種水文情勢數(shù)據(jù)，來合理地確定工程措施的位置及規(guī)模，在基礎資料不是很全面的情況下，基于DEM提取流域水文信息的方法可以為水文分析工作提供重要的支持，為水利工程和水資源管理工作帶來便利的基礎信息，提高工作效率，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。

Arc Hydro除了基于DEM提取水文信息的功能之外，提供的地理空間數(shù)據(jù)模型可以輕松地表示和維護水文、水利對象之間的空間關系，可進行河網(wǎng)的追蹤分析，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)增量更新，已經(jīng)被應用于全國水利普查數(shù)據(jù)建庫。在本文中被用于工程設計前期的水文分析工作，隨著越來越多的水文學家對于GIS技術和Arc Hydro數(shù)據(jù)模型的理解，越來越多的GIS專業(yè)人員對于水文分析工作的熟悉，Arc Hydro可以滿足更多水利行業(yè)的需求，也可以開發(fā)定制特殊的應用。

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