王 奎，林孝松

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地理信息產(chǎn)業(yè)獲得了重要的發(fā)展機(jī)遇。目前，在國(guó)家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，1∶50 000和1∶10 000比例尺地形圖在全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)普遍建設(shè)完成［1］。利用1∶10 000大比例尺地形圖生成高精度DEM，進(jìn)而進(jìn)行小流域的自動(dòng)提取研究，可以直觀地觀察與分析小流域不同部位的地形特征、水系特征和坡面、溝谷演化規(guī)律，定量地對(duì)地形特征進(jìn)行量測(cè)，以此節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力。本文采用ESRI的ArcGIS的水文分析模塊(hydrology model)結(jié)合DEM進(jìn)行流域分析，選取重慶市巴南區(qū)安瀾鎮(zhèn)作為研究區(qū)進(jìn)行流域特征信息的提取，為小流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與山洪災(zāi)害防治工作提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)是重慶市巴南區(qū)西南部的安瀾鎮(zhèn)(見(jiàn)圖1)，面積為122.42 km2，東、南、西、北方向分別毗鄰跳石鎮(zhèn)、綦江縣、江津市和一品鎮(zhèn)。安瀾鎮(zhèn)轄區(qū)地處丘陵，山巒起伏，地勢(shì)東南西偏高，北部略低，安瀾河貫穿全境，交通方便。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

目前常利用等高線地形圖獲取高程數(shù)據(jù)。根據(jù)研究需要，首先將收集的1∶10 000地形圖利用ArcGIS獲取等高線，利用MapGIS進(jìn)行高程自動(dòng)賦值，最后將MapGIS格式轉(zhuǎn)化為shp格式，得到研究區(qū)等高線。對(duì)等高線數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插生成TIN模型，對(duì)TIN數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，生成研究區(qū)所需的DEM柵格數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖2)。筆者采用的柵格大小為10 m×10 m，共得到2 571 574個(gè)柵格。

圖2 研究區(qū)流域DEM圖

1.2.2 數(shù)據(jù)處理軟件

軟件平臺(tái)采用ArcGIS 10.2，使用ArcGIS的水文分析模塊Hydrology對(duì)研究區(qū)水文特征信息提取并進(jìn)行一般研究。

采用Microsoft的Excel獲取數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息。

2 水系信息提取

流域河網(wǎng)水系是重要的基礎(chǔ)地理因素之一，也是描述地理地貌和水文特征的基本水文參數(shù)。通過(guò)提取河網(wǎng)水系深入了解水資源的空間分異格局以及時(shí)空演變規(guī)律，挖掘水資源的潛力，充分利用和合理調(diào)配水資源。

隨著空間和地理信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字高程模型作為存儲(chǔ)和操作十分方便的地形信息表達(dá)方式，常被應(yīng)用于提取流域河網(wǎng)、劃分流域等。利用DEM生成的水系河網(wǎng)和集水流域是大多數(shù)地表水文分析模型的主要輸入數(shù)據(jù)。

2.1 洼地填充

洼地是指一個(gè)或多個(gè)柵格單元被周圍較高海拔的柵格單元所圍繞，因而代表一個(gè)內(nèi)排水區(qū)域。在實(shí)際地形中，洼地是真實(shí)存在的，但DEM數(shù)據(jù)因精度不足或數(shù)據(jù)異常也會(huì)產(chǎn)生洼地，即假洼地。假洼地可能導(dǎo)致生成河網(wǎng)時(shí)的不合理中斷，降低河網(wǎng)生成的準(zhǔn)確性，所以應(yīng)先作填洼和平地抬升處理。簡(jiǎn)而言之，就是從高程里除去這些不合理的數(shù)據(jù)［2］。但在洼地填充之前，首先要計(jì)算洼地深度，由此來(lái)判斷洼地是由數(shù)據(jù)誤差造成的還是地表的真實(shí)反映，從而在洼地填充時(shí)設(shè)置合理的閾值。

洼地填充的原理是:掃描每個(gè)網(wǎng)格時(shí)，比較該網(wǎng)格與相鄰的8個(gè)網(wǎng)格的高程，如果中心網(wǎng)格的高程比相鄰的8個(gè)網(wǎng)格的高程都低，則將相鄰8個(gè)網(wǎng)格中高程最低的那個(gè)網(wǎng)格的值賦予中心網(wǎng)格［3］。在 ArcGIS10.2 中選取Hydrology模塊中的Fill工具得到無(wú)洼地的DEM。

2.2 水流方向提取

對(duì)于每個(gè)網(wǎng)格，水流方向是指水流離開(kāi)此網(wǎng)格時(shí)的指向。計(jì)算流向的算法主要有單流向算法和多流向算法兩種。單流向算法里D8［4］應(yīng)用最為方便，其原理是假定一個(gè)網(wǎng)格中的水流只從一個(gè)方向流出，然后根據(jù)網(wǎng)格高程判斷水流方向。在D8算法中，只有8種流向，即正東、東南、正南、西南、正西、西北、正北、東北8個(gè)方向，并分別用l，2，4，8，16，32，64，128 依次表示。水流方向的確定采用最陡坡降法，即計(jì)算中心網(wǎng)格與各相鄰網(wǎng)格間的距離權(quán)落差，取距離權(quán)落差最大的網(wǎng)格為中心網(wǎng)格的流出網(wǎng)格，該方向?yàn)橹行木W(wǎng)格的流向，也就是計(jì)算出每個(gè)柵格單元與相鄰單元之間的坡度，選取最陡的坡度作為流向［5－6］。需要指出的是，如果鄰域?qū)χ行木W(wǎng)格的方向值為1，4，16，64(即平行于坐標(biāo)軸的4個(gè)方向)，則規(guī)定兩網(wǎng)格的距離為1，其他方向的距離為。在 ArcGIS10.2中選取Hydrology模塊的Flow Direction工具得到流向圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 研究區(qū)流域水流方向

2.3 匯流累積量計(jì)算

在地表徑流模擬過(guò)程中，匯流累積量是根據(jù)水流方向計(jì)算得出［10］。對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格來(lái)說(shuō)，其匯流累積量的大小代表著上游有多少個(gè)網(wǎng)格的水流方向最終匯流經(jīng)過(guò)該網(wǎng)格，匯流累積的數(shù)值越大，代表該區(qū)域越易形成地表徑流。一個(gè)流域的匯流累積量的計(jì)算是提取該流域河流網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。流域內(nèi)一個(gè)網(wǎng)格的匯流量反映了其聚集水流能力的強(qiáng)弱。一個(gè)網(wǎng)格的匯流累積量越大，其匯流能力越強(qiáng)，該網(wǎng)格所代表的地形特征就有可能是河谷;反之，匯流累積量為零的地方則可能代表流域的分水嶺［3］。在 ArcGIS10.2中選取Hydrology模塊的Flow Accumulation工具提取匯流累積量柵格。

2.4 匯流閾值設(shè)置

對(duì)于每一個(gè)網(wǎng)格，匯流累積量代表著流入該網(wǎng)格的所有單位水量的數(shù)量。當(dāng)網(wǎng)格的匯流累積量大于某一設(shè)定的閾值時(shí)，認(rèn)為該網(wǎng)格位于水道上，定義為河道。匯流閾值是河網(wǎng)提取的關(guān)鍵［7］，對(duì)于同一個(gè)流量累積柵格，閾值越大，河網(wǎng)密度越小，內(nèi)部流域越少。該值的設(shè)定具有主觀性，通常可以先設(shè)定幾個(gè)值進(jìn)行試驗(yàn)，以確定能提取出合適河網(wǎng)的閾值。筆者采用3種匯流閾值來(lái)進(jìn)行河網(wǎng)的提取，分別為10 000(集水面積 1 km2)，15 000(集水面積 1.5 km2)，20 000(集水面積2 km2)。

2.5 水系提取

以設(shè)定的匯流閾值為標(biāo)準(zhǔn)，從匯流累積圖中提取水系河網(wǎng)［8］。在ArcGis10.2中，使用Map Algebra進(jìn)行地圖代數(shù)運(yùn)算，利用表達(dá)式con(Flow Accumulation＞x，1)(x為設(shè)定閾值)提取河網(wǎng)柵格，將得到的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行平滑處理得到矢量河網(wǎng)。集水面積閾值的設(shè)定和河網(wǎng)的提取結(jié)果有直接的關(guān)系。閾值越大，提取的河網(wǎng)密度越小;反之亦然。在集水柵格分別為10 000，15 000和20 000時(shí)，將提取的河網(wǎng)與實(shí)際河網(wǎng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)集水柵格取150 000(集水面積閾值1.5 km2)時(shí)與實(shí)際河網(wǎng)最接近。3種集水面積閾值提取的河網(wǎng)對(duì)比如圖4所示。

3 流域分析

3.1 河網(wǎng)分級(jí)

河網(wǎng)分級(jí)是一種根據(jù)支流數(shù)對(duì)河流類型進(jìn)行識(shí)別和分類的方法。僅需知道河流的級(jí)別即可推斷出河流的某些特征。

ArcGIS中有兩種劃分河網(wǎng)等級(jí)的工具，分別是 Strahler和 Shreve［9］(見(jiàn)圖5)。

圖4 不同集水柵格生成的河網(wǎng)對(duì)比

圖5 ArcGIS中的兩種河網(wǎng)分級(jí)

Strahler河流分級(jí)法中，所有沒(méi)有支流的連接線都被分為1級(jí)，它們稱為第1級(jí)別。當(dāng)級(jí)別相同的河流交匯時(shí)，河網(wǎng)分級(jí)將會(huì)升高。級(jí)別不同的兩條連接線相交不會(huì)使級(jí)別升高，但會(huì)保留最高級(jí)連接線的級(jí)別。

Shreve河流法考慮網(wǎng)絡(luò)中的所有連接線。與Strahler法相同，所有外連接線都被分為1級(jí)。但對(duì)于Shreve法中的內(nèi)連接線，級(jí)別是兩條支流等級(jí)之和，所以劃分的河流等級(jí)也較多。

在 ArcGIS10.2 中，點(diǎn)擊 Stream Order命令，以集水面積閾值為1.5 km2河網(wǎng)數(shù)據(jù)為輸入，分別用兩種方法得到河網(wǎng)分級(jí)(見(jiàn)圖6)。

圖6 研究區(qū)河網(wǎng)分級(jí)對(duì)比

通過(guò)圖6可以看到:Strahler分級(jí)法將研究區(qū)河網(wǎng)分成了3個(gè)等級(jí)，最高等級(jí)為3級(jí)，即只有當(dāng)相同河流交匯時(shí)河網(wǎng)等級(jí)才會(huì)提升。Shreve方法將河網(wǎng)分為20級(jí)，最高等級(jí)為20級(jí)。這種方法的干流等級(jí)是支流之和，所以隨著河網(wǎng)數(shù)量的增多河網(wǎng)等級(jí)也會(huì)不斷提升。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需要可以選用合適的河流分級(jí)方法。

3.2 小集水區(qū)域的生成

流域是指河流和水系的集水區(qū)域，也就是分水線包圍的區(qū)域，河流從該區(qū)域補(bǔ)給水量。任何一個(gè)天然的河網(wǎng)都由大小不等的水道聯(lián)合組成，而每一個(gè)水道都有各自的特征和集水區(qū)域，河流依靠此區(qū)域匯水補(bǔ)給，此即該條河流的流域面積，而大流域往往是由若干較小的流域組成的［10］。

在河網(wǎng)提取的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)流域出水口的分析得到河網(wǎng)的連接圖及結(jié)構(gòu)信息。運(yùn)用分水嶺劃分工具Watershed實(shí)現(xiàn)對(duì)小流域的劃分。

在ArcGis10.2中，通過(guò)執(zhí)行 Stream Link命令，得到河流連接數(shù)據(jù)。以河流連接數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合集水面積閾值為1.5 km2的河網(wǎng)，將研究區(qū)的流域劃分為41個(gè)小流域(見(jiàn)圖7)。

圖7 研究區(qū)小流域劃分結(jié)果

3.3 流域特征分析

從圖7可以看出，研究區(qū)流域被劃分為41個(gè)小流域并進(jìn)行了編碼。這些新劃分的小流域之間的特征信息存在差異。分別從小流域平均海拔、小流域面積、小流域起伏度、小流域坡度及小流域最大匯流累積量5個(gè)方面進(jìn)行流域的綜合研究。各小流域特征屬性如表1所示。

表1 小流域特征屬性

續(xù)表

3.3.1 小流域面積

在所劃分的41個(gè)小流域中，面積最大為13 km2，最小為0.13 km2。87.80% 的小流域面積都集中在5 km2以下，有19.51%的小流域面積在1 km2以下?？梢钥闯觯×饔虻拿娣e主要分布在1 ～5 km2，達(dá)到了68.29%。

3.3.2 海拔

海拔是指地面某個(gè)地點(diǎn)或者地理事物高出或者低于海平面的垂直距離，這是一種絕對(duì)高程。海拔不僅對(duì)自然環(huán)境有著重要的影響，對(duì)人自身也影響頗多。整個(gè)研究區(qū)的海拔為230～1 010 m，在劃分出的小流域中，平均海拔在257.07～749.95 m。有43.90%的海拔在500 m以上，對(duì)比圖2可以看出，研究區(qū)東、西、南部地勢(shì)偏高，北部略低。

3.3.3 小流域坡度

坡度指過(guò)地表面任一點(diǎn)切平面與水平地面的夾角，表示地表傾斜程度［11］，是地表位置上高度變化率的量度，可表達(dá)為百分?jǐn)?shù)或者度數(shù)。

求解坡度運(yùn)用擬合曲線面法，采用二次曲面求解每點(diǎn)坡度的公式［4］如下:

其中:S為坡度;sx為x方向上的坡度;sy為y方向上的坡度。

地面坡度不僅能間接表現(xiàn)地形的起伏狀況，也是衡量水土流失程度、地面物質(zhì)能量轉(zhuǎn)移狀況的重要指標(biāo)，是土壤侵蝕、水文分析等的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

小流域的平均坡度主要集中在14.52°～26.64°，95.12%的坡度在 25°以下。坡度為25°是國(guó)家水土保持法規(guī)定的臨界坡度［12］，在這個(gè)坡度以下有利于水土保持。可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)的小流域有較強(qiáng)的水土保持能力。

3.3.4 小流域起伏度

地形起伏度能定量描述地貌形態(tài)，是指在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)海拔高度與最低點(diǎn)海拔高度的差值［13］。由數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)的起伏度在80～307.54 m，起伏度最小的是2號(hào)小流域，起伏度最大的是21號(hào)小流域。依據(jù)中國(guó)1∶100萬(wàn)地貌圖制圖規(guī)范中的地貌基本形態(tài)劃分體系將地形起伏度劃分為7個(gè)等級(jí)，即平原(0～30 m)、臺(tái)地(30～70 m)、丘陵(70～200 m)、小起伏山地(200～500 m)、中起伏山地(500～1 000 m)、大起伏山地(1 000～2 500 m)、極大起伏山地(＞2 500 m)［14－15］。研究區(qū)有 73.17% 的小流域起伏度在70～200 m，因此可知研究區(qū)大部分地區(qū)地處丘陵地帶，山巒起伏。

3.3.5 匯流累積量

匯流累積量表示區(qū)域地形每點(diǎn)的流水累積量［16］。研究區(qū)的最大匯流量主要集中在16 568～1 109 434，有70.73%的小流域最大匯流量在50 000以上，說(shuō)明這些小流域的匯流能力很強(qiáng)，容易形成地表徑流。

4 結(jié)論

1)以重慶市巴南區(qū)安瀾鎮(zhèn)為研究區(qū)域，利用ArcGIS10.2水文分析模塊對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了小流域的劃分和特征信息的提取。結(jié)果表明:當(dāng)集水柵格閾值為15 000(集水面積閾值為1.5 km2)時(shí)提取的河網(wǎng)與實(shí)際河網(wǎng)最接近，并將研究區(qū)劃為了41個(gè)小流域。

2)從5個(gè)方面對(duì)41個(gè)小流域進(jìn)行了特征分析。研究發(fā)現(xiàn):小流域的面積主要分布在1～5 km2;平均海拔在 257.07 ～749.95 m，東西南部地勢(shì)偏高，北部略低;坡度有95.12%在25°以下，有利于水土保持;起伏度主要集中在70～200 m，研究區(qū)地處丘陵地帶;有70.73%的最大匯流量在50 000以上，說(shuō)明該小流域的匯流能力較強(qiáng)。

3)利用ArcGIS水文分析模塊對(duì)研究區(qū)進(jìn)行小流域劃分和特征信息提取研究，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與山洪災(zāi)害防治工作提供數(shù)據(jù)支撐。

［1］劉冰.基于1∶5 000國(guó)家基本比例尺地形圖的小流域自動(dòng)提取算法研究－以長(zhǎng)沙市岳麓山為例［D］.長(zhǎng)沙:湖南師范大學(xué)，2008.

［2］藺彬彬，張亞瓊，武鵬林.GIS環(huán)境下基于DEM的三川河流域特征提?。跩］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013(3):34－37.

［3］王玉富，王翰釗.ArcGIS環(huán)境下基于DEM的流域特征提?。跩］.湖北民族學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，28(4):439－442.

［4］孫慶艷，余新曉，胡淑萍，等.基于ArcGIS環(huán)境下DEM流域特征提取及應(yīng)用［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(S2):144－147.

［5］Van Remortel R，Hamilton M ，Hichey R.Estimating the LS factor for RUSLE through iterative slope length processing of digital elevation data within Arclnfo Grid［J］.Cartography，2001，30(1):27－35.

［6］徐亞菲，李向新.基于DEM和ArcGIS的水文信息提取方法研究［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008，18(6):135－136.

［7］陳加兵，勵(lì)惠國(guó)，鄭達(dá)賢，等.基于DEM的福建省小流域劃分研究［J］.地球信息科學(xué)，2007，9(2):74－77.

［8］周伶，林孝松，劉書(shū)軍，等.湖庫(kù)型飲用水源地流域特征提?。跩］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，30(6):1404－1407.

［9］程崢，李永勝，高微微.基于ArcGIS的DEM流域劃分［J］.地下水，2011，33(6):128－130.

［10］王崢.基于GIS的涇河流域特征信息提取分析和降水徑流預(yù)測(cè)［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

［11］李粉玲，李京忠，張琦.DEM 提取坡度、坡向算法的對(duì)比研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(17):7355－7357.

［12］湯國(guó)安，宋佳.基于DEM坡度圖制圖中坡度分級(jí)方法的比較研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2006，20(2):157－160.

［13］田佳，林孝松，喻莎莎，等.山區(qū)公路沿線小流域劃分及流域特征分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，32(3):467－470.

［14］陳學(xué)兄，常慶瑞，郭碧云，等.基于SRTM DEM數(shù)據(jù)的中國(guó)地形起伏度分析研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，21(4):670－679.

［15］湯國(guó)安.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［16］黃金良，洪華生，杜鵬飛，等.基于GIS和DEM的九龍江流域地表水文模擬［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005(2):44－50.