泾河流域DEM流域信息提取资料下载.pdf

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1672-643X（2010）034）111-04ExtractedWatershedInformationbyDigitalElevationModelforJingheRiverCHENWen-chen（CollegeOfGeographyAndEnvironmentalSciences，ZhejiangNormalUniversity，Jinhua321004，China）Abstract：

Unlikethecontourmap，digitalelevationmodelcanachievethecontinuoussurfacetopographyofthedigitalexpression，whichmakeithaveanextensiveapplicationHydrologicalanalysisisanimportantpartinearthscienceresearch，andusingDEMtocarryouthydrologicalfeatureanalysishasbecomeahotspotTakingtheJingheRiverasanexample，thepapergeneratedtheDEMfromthe1：

250000con-tourmapofthestudyareaandextractedthewatershedinformationoftheJingheRiverTheresultsshowthatconvergenceofthecumulativeunitnumberbasedonthethresholdgeneratesthedifferentdensitiesoffivernetworkWhenusingDEMtoextractthewatershedinformation，selectingtheappropriatewaytogeneratetheDEMdataaccordingtothecircumstancesandpurposeofthestudyisveryimportantToa-ehievethebestresults，themethodcanprovidebettersupponforresearchofdispatchingofwaterre-sourceswithdifferentdepartmentsKeywords：

watershedinformation；

GIS；

watershedofJingheRiver1概述DEM（DigitalElevationMode1）是表示区域地形上的三维向量的有限序列，其函数的形式描述为：

Z=（置，）i：

1，2，3，n式中：

、是平面坐标，是（置，）对应的高程。

DEM的主要的模型有：

规则格网模型，等高线模型和不规则三角网模型。

由于其中的规则格网高程矩阵可以方便地被栅格数据结构的地理信息系统用来计算等高线、坡度、坡向、山坡阴影、自动提取流域地形等，故规则格网模型成为DEM最广泛使用的格式。

DEM作为地形表面的一种数字表达形式，具有多种优点：

容易以多种形式显示地形信息，精度不会损失，容易实现自动化、实时化等。

总的来说，数字高程模型具有便于储存、更新、传播和处理的特点。

更重要的是应用DEM可以方便的进行坡度、坡向、坡长等地形因子的提取。

20世纪50年代后期以来，DEM在测绘、土木工程、地质、矿山工程、景观建筑、道路设计、防洪、农业、规划、军事工程、飞行器与战场仿真等领域取得了广泛应用。

同样在流域信息提取中，DEM也受到人们的青睐。

DEM在流域分析中的应用，在国外是从20世纪60年到开始，其高峰出现在809O年代。

而在国内是从90年代开始的，并且重点是对国外软件的研究。

在该领域中，80年代之前的研究是比较少的，研究范围也仅限于分水线和山谷的识别和提取。

而在8090年代取得了飞速的发展，相继出收稿日期：

20104）2-02；

修回日期：

2010-03-24作者简介：

陈闻晨（1985一），男，浙江杭州人，硕士，主要从事水资源与3s技术应用研究。

112水资源与水工程学报2010年现了各种提取河网、流域边界以及划分子流域的方法。

近几年来，其研究的重点又从提取单一地形特征（即流域中所有点的特征都是整个流域特征不可或缺的一部分，由它们组成的流域特征是唯一的），如河网、分水线等，转到了分布式子流域特征（distributedsubcatchmentproperties，即对于每个点，该特征的取值都不同，可以通过数据精简模型求取整个流域中最具代表性的值）的提取研究上，如子流域长度、坡度、河网密度等的研究计算。

中国是世界淡水资源贫乏的国家之一，且水量动态突变、分布不均。

洪涝灾害、淡水资源短缺问题和水污染问题是直接影响中国社会经济可持续发展的三大焦点问题J。

虽然三大问题的产生和解决受制于许多因素，但是水土流失和水土保持是其中关键。

自然界的降雨过程引起的地表径流不仅会导致土壤侵蚀，还将造成壤中营养元素的流失。

在进行流域的水土保持工作中，对降雨径流过程进行水文分析，明确坡面径流的方向、径流的路径，甚至流速、侵蚀能力的大小，为制定相应的保护措施提供更加准确的科学依据。

而DEM在进行流域分析时，具有分析速度快、精度高等许多优点。

本文以泾河流域为例研究应用DEM进行流域信息的提取。

数据来源于国家基础地理信息中心提供的中国北方1：

25万地形图数据、全国四级和五级水系图数据。

2研究方法和过程21研究区流域概况泾河流域地处北纬34。

12一37。

20，东经106。

14109。

10，系属黄河二级支流，发源于宁夏六盘山东麓。

泾河全长4551km，流域面积为45421km，包括宁夏东南部、甘肃陇东，陕西关中西北部33个县市。

流域内地貌有山区、丘陵、高源、平原四种类型。

山区占431、以六盘山、关山为代表；

高原沟壑纵横、沟壑面积占50以上。

泾河流域属大陆性气候，雨量和气温由东南向西北逐渐递减，年平均降水量550mm，年平均气温10C左右。

支流主要有洪河、蒲河、马莲河、三水河、油河、黑河、泔河。

22ARCGIS9及其水文分析模块简介AICGIS9（Copyright2004ESRIA11rightsreserved，后面同此，不再赘述）是美国环境系统研究所（ESRI）推出的地理信息系统软件平台，由desktop、服务器GIS、嵌入式GIS和移动式GIS组成，不仅具有强大而丰富的空间数据编辑、查询和分析、可视化等GIS功能，而且还可以方便、灵活地制作各种专题地图，同时ARCGIS9还支持二次开发。

常用的扩展模块有三维分析（3DAnalyst）、空间分析（SpatialAnalyst）、网络分析（NetworkAnalyst）等。

本文选用了扩展模块中的空间分析模块中的水文（hydrology）模块。

水文分析模型（Hydrologymode1）的主要功能是从数字高程模型中提取用于地表水文要素的特征信息，并进行一系列的分析及可视化显示7。

水文分析模型主要由地形处理（TerrainPreprocessing）、流域处理（WatershedProcessing）、网络工具（Networktools）、属性工具（Attributetools）四大部分组成。

以下对各部分做简要的介绍。

（1）地形处理（TerrainPreprocessing）工具。

包括DEM再处理（DEMReconditioning）、坑洼填平（FillSinks）、流向的确定（FlowDirection）、流量积累（FlowAccumulation）、河系的定义（StreamDefinition）、集水区栅格描述（CatchmentsGriddefinition）、集水区矢量化（CatchmentsPolygonProcessing）、流径处理（DrainageLineProcessing）。

（2）流域处理（WatershedProcessing）工具。

包括分批流域描绘（BatchWatershedDelineation）、分批子流域描绘（BatchSubwatershedDeline）、确定排水区质心（DrainageAreaCentroidtion）、确定最长流径（LongestFlowPath）等功能。

（3）网络工具（Networktools）。

包括水文网络（HydroNetworkGeneration）、节点生成（NodeLinkSchemaGeneration）、存储流向（StoreFlowDirection）、设置流向（SetFlowDirection）等功能。

（4）属性工具（Attributetools）。

包括查找下一个下游流线（FindNextDownstreamLine）、计算下游流线到边界长度（CalculateIngthDownstreamforEdges）、计算下游流线到交汇点长度（CalculateLengthDownstreamforJunctions）、存储流域出口（StoreAreaOutlets）、属性确定（ConsolidateAttributes）、属性积聚（AccumulateAttributes）、显示时间序列（DisplayTimeSeries）等功能。

23DEM建立与预处理DEM的建立方法有：

数字化地形图、影像数据和野外测量数据方式生成DEM。

各种方法各有优缺点，目前最为多用的方法是数字化地形图的方法。

本文采用数字化地形图的方法生成DEM。

矢量化中国北方1：

25万的地形图，将得到的矢量化的地形图转化为TIN数据结构（图1左）；

将TIN数据结构朗陈闻晨：

泾河流域DEM流域信息提取为格网结构（LATIICE）；

对格网数据进行重采乡成栅格DEM（GRID）。

（图1右）图形的基本距为5m，后图不再赘述应用DEM提取流域信息的条件是，在DEM中在洼地，否则提取的水系通道是断断续续的。

DEM中的洼地是普遍存在的，故在DEM进行的提取前应先进行DEM洼地的处理，使所有的地形都为斜坡结构。

洼地的处理方法主要有两种：

平滑处理：

llaghan等通过平滑处理来消除洼地，但这种方能处理较浅和小范围的洼地，更深和更大范围地依然存在。

且该方法对原数据进行了平滑处变了原始的数据。

填平处理：

这种洼地处理的基本思想是将洼地内部的高程增至洼地的出高程oJenson和Domingue，Martez和Garbrecht，林等都提出了填平洼地的算法J。

在hydrology中的洼地处理过程是，用Fillsink进行填充处理，Fillsink函数可自动寻找凹陷，F自动进行填充，经过反复的运算，可生成无洼数字高程模型，保证水流畅通流至河口。

处理果见图2。

水流方向的确定地表径流在流域内总是从地势高处流向地势低后经流域出口排出流域。

流向的确定建立在流域33的DEM格网的基础上。

目前，确定流向的方法主要有单流向法和多流向法两种。

两者之中，单流向法因其简单方便得到广泛的应用。

单流向法假定一个网格中的水流只从一个方向流出网格，后根据网格的高程判断水流的方向。

目前应用最广泛的单流向法是D8法，此外还有Rho8和Lea法，DEMON，D。

法等。

D8（Deteministic8）法。

这种方法是目前应用最多的单流向法。

D8法采用的原理是：

假设单个格网中的水流只有8种可能的流向，分别定义为：

东北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并用128、1、2、4、8、16、32和64这8个有效特征表示，即流入与之相对邻的8个格网中。

它用最陡坡度法来确定水流的方向，计算中心格网与各相邻格网问的距离权落差，取距离权落差最大的格网为中心格网的流出格网，该方向为中心格网的流向。

被处理格网单元同相邻8个格网单元之间的坡降算法为S=AZD，z为两个格网单元之间的高差，D为两个格网单元中心之间的距离。

该方法的确定性导致了水流偏向某一单元格，但该算法简单易用。

在ARCGIS的水文分析模块Hydrology用的就是该方法。

应用水文分析库（Hydrology）下的流向确定（FlowDirection）命令，生成8方向水流流向。

结果见图3。

目1TIN结构的DEM和GRID结构的DEM图2无洼地的DEM图3水流方向图水流量累计的确定水流累计矩阵表示每一栅格点上的流水累计以D8法为例，其基本的思想是：

假设每一栅格耶有1个单位的水量，根据水流从高处向低处自然规律，计算每一栅格的累积水量，算法设计用迭代的方法。

原始DEM矩阵、水流方向、水流累计矩阵见图4。

ARCGIS的水文分析模块Hydrology中，根据生DEM水流方向栅格图层，应用水文分析库rology）下的流向累积（FlowAccumulation）命|亍流向累积栅格的计算。

此功能的原理是假想区的每一网格上降下一单位的水量，而后按均流向来向下移动，其移动经过的网格则使其累积流量值提升一个单位，因此，每一网格皆可计算出其所累积的上游流量值，由于投入每一网格的水量皆为一单位，故流量累积值亦代表各网格的上游集流网格数量，将之乘上网格面积便可得到每一网点的上游集水面积。

处理结果见图5。

26水流网络的提取进行水流网络的提取，关键是根据水流累积量设置阈值。

在ARCGIS中应用水文分析库（Hydrology）下的定义河系（StreamDefinition）命令对流向累积栅格设置集流阈值。

集流阈值（thresholdofflowaccumulation）为河系网络提取的关键因子。

累积流量与面积正相关。

所以可利用累积流量值（或称为集水面积）作为河道认定的门槛标准。

处理结果如图6右。

114水资源与水工程学报2010年787269715849746756494650695344373848645855223l24686147211619745334121112原始DEM矩阵22244822244811248412812812482214441111416000000Oll220O3754O0O0200lO00124O0247352水流方向矩阵水流累计矩阵图4水流累计矩阵图图5流量积累图27流域划分与流域支流面积确定水流方向提取后，利用BASIN命令，生成河流域的集水区界线，再根据水流方向、流水累积量和水网分布图层，运用ESRI提供的水文模块的CatchmentGridDelineation和CatchmentPolygonProcessing进行子流域的集水网络描绘和集水多边形的生成。

通过ARCINFO工具计算出每个子流域占有的DEM栅格数，最后乘以栅格的面积就可得出每个子流域的面积。

3结果分析从图6左右两幅的对比可以看出，在流域出水口处，提取的流域网络与原始的河流网络有一些偏差。

这是在矢量化地形图的过程中，等高线赋值阶段引入的误差。

由于出水口处属关中平原，地形较平坦，原始数据的等高线数据在此处较为稀疏，使得所生成的DEM数据存在误差。

但所提取的泾河河网和实际河网基本吻合，这说明利用DEM对流域信息进行提取的方法是有效的。

4结语利用DEM数据和ARCGIS软件的水文分析模块可以快速准确地获取流域的河网结构，并可以根据汇流累积单元数的阈值来生成不同密度的河网。

但DEM的空间分辨率、资料生产方式等因素对提取结果有一定影响。

故在利用DEM进行流域信息提取时，要根据研究区情况和研究的目的，选择合适的方图6泾河水系图和水流网络图式生成DEM数据，以求试验结果达到最佳，更好的为不同单位部门的水资源调度决策研究提供支持。

参考文献：

1李志林，朱庆数字高程模型M武汉：

武汉测绘科技大学出版社，2000：

1691912邬伦地理信息系统原理、方法和应用M北京：

科学出版社，2001：

196197f3TribeAndreaAutomatedRecognitionofVMleyLinesandDrainageNetworksfromGridDigitElevationModels：

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