王 崢，張亞梅，譚春陽(yáng)

(1.哈爾濱市水務(wù)科學(xué)研究院，哈爾濱 150001； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010； 3.哈爾濱市河道堤防管理處，哈爾濱 150070)

1 概 述

地形是流域最基本的自然要素，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和地理信息系統(tǒng)學(xué)科的發(fā)展，數(shù)字高程模型(DEM)作為地形地貌的數(shù)字化表達(dá)和顯示方式，成為現(xiàn)在空間地理信息研究的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于水文模型分析、區(qū)域地形地貌特征、區(qū)域數(shù)字地形分析、景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。

本文選取位于哈爾濱市郊區(qū)的廟臺(tái)溝流域作為研究對(duì)象，應(yīng)用ESRI公司開(kāi)發(fā)的ArcGIS10.2軟件，進(jìn)行流域數(shù)字地形提取與分析，并比較不同DEM分辨率提取的地形特征和流域水文特征，探討DEM分辨率對(duì)小流域地形特征提取結(jié)果的影響。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)字高程模型(DEM)是數(shù)字地形模型(DTM)的一個(gè)子集，是一種表現(xiàn)地面高程的實(shí)體地面模型，也是地理信息系統(tǒng)進(jìn)行多種分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。本次分析采用的DEM分辨率為90和30 m兩種，已經(jīng)過(guò)多次修訂和完善，數(shù)據(jù)均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http://datamirror.csdb.cn)。

3 研究區(qū)概況

廟臺(tái)溝是阿什河左岸一級(jí)支流，干流長(zhǎng)23 km，流域面積86.45 km2，目前河流兩岸主要為農(nóng)田。廟臺(tái)溝河源位于哈爾濱市阿城區(qū)楊樹(shù)鄉(xiāng)民權(quán)村王佩屯，河口位于哈爾濱市利平鄉(xiāng)，流經(jīng)阿城區(qū)楊樹(shù)鄉(xiāng)、阿城區(qū)新利街、哈市利平鄉(xiāng)。廟臺(tái)溝作為阿什河的主要支流，曾經(jīng)魚(yú)蝦滿河、水質(zhì)清澈，而現(xiàn)在廟臺(tái)溝防洪形勢(shì)嚴(yán)峻，河道侵蝕、侵占嚴(yán)重，水量銳減，水體污染也在日益加劇。

4 基于DEM的數(shù)字地形特征提取

本文應(yīng)用ArcGIS10.2軟件進(jìn)行數(shù)字地形特征的提取，主要利用該軟件工具箱中的SpatialAnalyst模塊下表面分析、水文分析和重分類等功能。因DEM本身就表現(xiàn)地面高程，每個(gè)單元均對(duì)應(yīng)一個(gè)高程值，因此對(duì)高程將會(huì)直接進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 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。ArcGIS求解坡度運(yùn)用擬合曲線面法，采用二次曲面，每點(diǎn)坡度的求解公式如下：

式中：S為坡度；Sx為X方向上的坡度；Sy為Y方向上的坡度。

4.2 流域水文特征

流域是最基本也是最重要的水文單元，是水文模型構(gòu)建分析、水文模擬研究等工作的重要基礎(chǔ)信息。ArcGIS工具箱中的水文分析模塊包含填洼、流向、分水嶺、河網(wǎng)分級(jí)、捕捉傾瀉點(diǎn)、河流鏈接、盆域分析等一系列工具，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)DEM進(jìn)行流域特征的提取和分析，具體過(guò)程如下：

1) 洼地填充。實(shí)地地形中是存在洼地的，但DEM精度不夠或數(shù)據(jù)異常會(huì)導(dǎo)致“假洼地”的產(chǎn)生，有可能導(dǎo)致河網(wǎng)不合理中斷，影響河網(wǎng)的形成。因此，要先進(jìn)行洼地的填充處理。

2) 水流方向提取。ArcGIS應(yīng)用單流向法中的D8法進(jìn)行水流方向的確定。該方法假設(shè)水流只能流入與其相鄰的8個(gè)網(wǎng)格單元，流出每個(gè)柵格的方向按最陡坡度法選定。

3) 計(jì)算流水累積量。以上一步水流方向提取結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算每點(diǎn)所流過(guò)的水量數(shù)值，便得到了該區(qū)域的流水累積量。流水累積量表明其上游的水流流過(guò)該柵格單元的數(shù)量，數(shù)值越大代表越容易形成徑流。

4) 集水面積閾值設(shè)置和水系提取。以流水累積量作為河流確定的標(biāo)準(zhǔn)，集水面積閾值就表示流水累積量大于該值時(shí)，就判定形成河流網(wǎng)絡(luò)。ArcGIS的柵格計(jì)算器可以提取柵格河網(wǎng)，再用柵格河網(wǎng)矢量化工具形成矢量河流水系。

5) 河網(wǎng)分級(jí)。河網(wǎng)分級(jí)是對(duì)線性河流以數(shù)字標(biāo)識(shí)形式進(jìn)行級(jí)別劃分。ArcGIS中河網(wǎng)分級(jí)提供Strahler和Shreve兩種分級(jí)方法，本文采用Strahler分級(jí)。

6) 子流域生成。根據(jù)Strahler河網(wǎng)分級(jí)、水流方向提取結(jié)果等，將流域分割成更小的流域單元。

5 結(jié)果與分析

5.1 高 程

分辨率為90和30 m的廟臺(tái)溝流域DEM見(jiàn)圖1、圖2，兩圖中精細(xì)程度差別較為明顯，90 m分辨率的DEM對(duì)高程信息的表達(dá)明顯較為粗略。由圖1、圖2可知，廟臺(tái)溝流域南部河源地勢(shì)最高，北部入河口地勢(shì)最低，由南向北高程逐漸減小，這與廟臺(tái)溝流域南部位于階地、北部多為低漫灘的地貌相符合。廟臺(tái)溝流域高程統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1。

由表1可知，廟臺(tái)溝流域大部分區(qū)域高程在200 m以下，90 m分辨率DEM的高程范圍為121～213，平均高程177.53 m，標(biāo)準(zhǔn)差17.26；30 m分辨率DEM的高程范圍為54～289，平均高程180.68 m，標(biāo)準(zhǔn)差21.20。根據(jù)表1結(jié)果，較高的DEM分辨率表達(dá)地形更為細(xì)致，能夠更精確表現(xiàn)高程值和高程變化。

圖1 90 m分辨率DEM高程圖

圖2 30 m分辨率DEM高程圖

表1 不同分辨率DEM高程統(tǒng)計(jì)表

5.2 坡 度

坡度等級(jí)劃分采用原水電部制訂的“不同水力侵蝕類型強(qiáng)度分級(jí)參考指標(biāo)”中的坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將坡度分為6級(jí)，第VI級(jí)的上限為35°，考慮到坡度>35°時(shí)，對(duì)土地利用方式和治理措施選擇均具有重要意義，故增加一級(jí)，即第Ⅶ級(jí)>35°。坡度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：I級(jí)<3°；Ⅱ級(jí)3°～5°；Ⅲ級(jí)5°～8°；IV級(jí)8°～15°；V級(jí)15°～25°；Ⅵ級(jí)25°～35°；Ⅶ級(jí)>35°。見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 廟臺(tái)溝流域坡度圖(90 mDEM)

圖4 廟臺(tái)溝流域坡度圖(30 mDEM)

根據(jù)廟臺(tái)溝流域分辨率為90 m的DEM提取結(jié)果(圖3)，坡度最大值7.58°，平均值1.78°，標(biāo)準(zhǔn)偏差1.17。坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)表(90 mDEM)見(jiàn)表2。

表2 坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)表(90 mDEM)

由表2可知，廟臺(tái)溝流域98.76%的區(qū)域坡度都在5°以下，流域內(nèi)沒(méi)有坡度大于25°的陡坡和急陡坡。根據(jù)實(shí)地調(diào)研，此次分辨率為90 m的DEM坡度提取和分類結(jié)果明顯不太符合廟臺(tái)溝流域的地形特征，流域內(nèi)存在坡度大于8°的區(qū)域，表明此精度的DEM不能表現(xiàn)流域?qū)嶋H地形特點(diǎn)。90 m的分辨率對(duì)于小流域來(lái)說(shuō)可能存在精度不夠的情況。

根據(jù)廟臺(tái)溝流域分辨率為30 m的DEM提取結(jié)果(圖4)，坡度最大值60.83°，平均值5.65°，標(biāo)準(zhǔn)偏差4.95。坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)表(30 mDEM)見(jiàn)表3。

表3 坡度分級(jí)統(tǒng)計(jì)表(30 mDEM)

由表3可知，廟臺(tái)溝流域95.03%的區(qū)域坡度都在15°以下，坡度大于25°的陡坡和急陡坡僅占廟臺(tái)溝整個(gè)流域的1.01%，說(shuō)明流域內(nèi)絕大多數(shù)區(qū)域均地勢(shì)平緩，丘陵和山地極少。此次分辨率為30 m的DEM坡度提取和分類結(jié)果符合廟臺(tái)溝流域處于平原區(qū)的地形特征，表明此精度的DEM可以表現(xiàn)流域?qū)嶋H地形特點(diǎn)，其結(jié)果在某些精度要求下是可用的。

基于不同分辨率(90和30 m)DEM提取的坡度明顯存在較大差別，隨著分辨率提高，最大坡度值、平均坡度值、標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且更加接近實(shí)際地形。因此，DEM的分辨率直接影響DEM對(duì)實(shí)際地形的模擬，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇分辨率較高的DEM數(shù)據(jù)。

5.3 流域水文特征

在ArcGIS水文分析模塊下，基于不同DEM分辨率提取廟臺(tái)溝流域水文特征(圖5、圖6)，所得統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表4。

圖5 90 mDEM提取水系圖

圖6 30 mDEM提取水系圖

表4 不同分辨率DEM提取的流域水文特征統(tǒng)計(jì)表

由表4可知，閾值取值相同的條件下，DEM分辨率越低，提取的河流水系網(wǎng)絡(luò)將會(huì)越粗略，流域面積、河流長(zhǎng)度均變小，劃分的子流域個(gè)數(shù)和所提取的支流個(gè)數(shù)也減少。而DEM分辨率越高，流域劃分越細(xì)致和破碎，河網(wǎng)形態(tài)更加復(fù)雜，體現(xiàn)更加細(xì)小的河流。

6 結(jié) 論

采用分辨率為90和30 m兩種DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行廟臺(tái)溝流域地形特征和水文特征的提取與分析，結(jié)果顯示DEM的不同分辨率對(duì)流域數(shù)字地形特征的提取結(jié)果影響較大。

1) DEM的分辨率越高，對(duì)地表形態(tài)的模擬越真實(shí)詳細(xì)，也更能精確地表現(xiàn)高程值和高程變化。

2) 分辨率90和30 m的DEM提取坡度的結(jié)果差別較大，隨著分辨率提高，最大坡度值、平均坡度值、標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。對(duì)于小流域而言，DEM分辨率過(guò)低，可能無(wú)法獲得符合實(shí)際的地形特征。

3) DEM的分辨率越高，提取的河網(wǎng)水系和流域劃分越復(fù)雜細(xì)致，其流域面積、河流長(zhǎng)度均增大，劃分的子流域個(gè)數(shù)和所提取的支流個(gè)數(shù)也越多。選取合適分辨率的DEM和確定合理閾值，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查資料，能夠獲得較好的流域水文特征提取結(jié)果。