王 程，韩新海

(西北大学 城市与环境学院，陕西 西安 710127)

1 DEM流域水文特征提取原理与方法

ArcGIS软件下的水文分析模块(Hydrology)是根据DEM格网特征提取原理来建立地表水的运动模型，辅助分析地表水流的流动过程。ArcGIS下水文分析中对DEM流域水文特征提取包括以下几点:

1.1 洼地填充

洼地指的是低于周围栅格的区域，分为伪洼地和自然洼地。伪洼地在栅格DEM中普遍存在，主要来自输入数据的错误、不合适的插值方法和栅格大小等方面。大多数研究者假定所有的洼地都是伪洼地。自然洼地则是实际中存在的洼地，一般远少于伪洼地。研究者普遍认为，被高程较高的区域围绕的洼地是使用DEM进行水文分析的一大障碍，因为这些洼地的存在会阻碍自然水流朝流域出口流动，因此，在DEM提取水系特征之前要进行“填洼”预处理。

现有的提取水系特征的方法的基本思想是将洼地内的所有栅格单元垫高至洼地周围最低邻接栅格单元的高程，从而消除洼地。对于复杂的地形，在处理洼地时应考虑洼地与平地，洼地与洼地之间的相互嵌套的复杂情形，对于平地也不能一概而论，应视其位置、形态和类型的不同，有区别的加以处理，强调处理的合理性，以使处理在效率和效果上满足实用要求。

1.2 水流方向的确定

水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。流向判断是建立在3×3的DEM基础上的，虽然进行流向的判断方法有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确定简单、应用方便而应用最广。目前应用最广泛的单流向法是D8法，也就是最大距离权落差(最大坡降法)来计算水流方向，即比较网点与周边八个网点间的高程大小与落差，将高程下降最大的方向视为该网点的流向。该方法对自然状态的水流方向进行了极大的概括，认为网格的产流是点源(即网格中心点)河道用一维的线来描述，也删掉了水流方向的无穷多种可能性，概括为8种可能流向，即东、东南、南、西南、西、西北、北、东北。

1.3 水流长度计算

水流长度是指在地面上一点沿水流方向到其流向起点(终点)间的最大地面距离在水平面上的投影长度。水流长度直接影响地面径流的速度，进而影响地面土壤的侵蚀力。水流长度的提取方式主要有两种，一种是顺流计算，一种是逆流计算。

1.4 汇流累积量计算

在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的。汇流累积量的基本思想是:以规则格网表示的数字地面高程模型每点处为一个单位的水量，按照自然水流从高处流往低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，便得到了该区域的汇流累积量。

1.5 河网的提取

河网的提取包括河网的生成和河网的分类。

河网的生成基于汇流累积量数据，根据不同级别的沟谷设定不同的阈值，但是不同区域相同级别的沟谷对应的阈值也是不同的。所以，在设定阈值时，应通过不断地实验并且利用现有的地形图等资料辅助检验的方法来确定阈值大小。在ArcGIS软件中，利用 Map Algebra工具集中地 Multi Map Output工具中的Con命令或者Setnull命令进行有条件的查询可得到栅格河网。它的思想是根据所设定的阈值对整个区域进行判断，其中汇流量大于阈值的栅格，其属性值赋为1，而小于或者等于阈值的栅格设置为无数据。最后对栅格河网矢量化。另外，对生成的矢量化河网数据还可用的高级编辑工具进行平滑处理。

河网分级是对一个线性的河流网络用数字标识的形式划分级别。在地貌学中，河流的分级依据河流的流量、形态等因素进行。不同级别的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高的河网，其汇流累积量越大。在ArcGIS提供的水文分析中，有两种常用的河网分级方法:Strahler分级和Shreve分级。两种分级方法如图1所示:

图1 河流分级方法

由图1可知，Strahler分级是将所有河网弧段中没有支流河网弧段分为第1级，两个1级河网弧段汇流成的河网弧段为第2级，依次下去分别为第3级，第4级，一直到河网出水口。Shreve分级的第1级河网定义与Strahler分级相同，所不同的是第一级以后的分级，Shreve分级定义两条1级河网弧段汇流而成的河网弧段为2级河网弧段，对于以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是由其汇入河网弧段的级别之和。

2 研究内容及分析

2.1 数据源与研究区概况

本研究的试验区选择为黄土高原典型的丘陵沟壑区——陕北安塞县县南沟流域。用于提取水文特征的基础数据是县南沟流域分辨率为2.5 m的DEM(图2)，该DEM是基于1∶1万数字地形图(包括等高线、高程点和河流)，在ANUDEM软件平台下生成的，具有较高精度和对形的表现能力。

县南沟位于黄土高原中部，是延河的一个小流域，属于典型的黄土丘陵沟壑区，地形复杂，总面积为119.5 km2，海拔高度1 010～1 440 m，地面相对起伏达200多米，地面坡度30°以上达一半以上。此流域是土壤侵蚀、水土流失的严重区域。

图2 县南沟流域2.5 m分辨率DEM

2.2 流域水系特征提取

根据DEM流域水文特征提取原理，首先对县南沟流域2.5 m分辨率原始DEM进行填洼处理，生成新的“无洼地”DEM，应用无洼地DEM生成水流方向矩阵，生成水流长度图，根据两种不同的水流长度计算方式分别生成顺流水流长度图和逆流水流长度图(图3，图4)。

图3 逆流水流长度

图4 顺流水流长度

完成水流长度提取后，应用D8单流向算法，计算汇流累积量，对DEM进行河网的提取。在河网生成过程中，阈值的选定是关键，通过不断地试算，并利用现有的地形图等其他数据辅助检验，本研究最终确定900为最佳阈值。图5为阈值选定为900下所生成的县南沟流域河网图，河网生成后，根据研究区地形特点，本实验采用Strahler河网分级算法，对生成的栅格河网进行河网等级的划分(图6)。

图5 县南沟流域河网的生成

图6 县南沟流域河网Strahler分级

2.3 结果分析

水流长度直接影响地面径流的速度，进而影响到地面土壤的侵蚀力。水流长度的提取和分析在水土保持工作中有很重要的意义。通过计算得到的县南沟流域水流长度(顺流或逆流长度)，其最大水流长度为18 595.8 m，也证明了此流域是土壤侵蚀、水土流失的严重区域，与实际情况符合。

将研究区的纸质河网分布图进行扫描，并通过几何纠正配准到同一投影坐标系下，与利用DEM自动提取的河网分布图进行空间对比分析。为了检验计算机自动提取的流域和实际流域之间的误差，将地形图和遥感影像经过几何纠正配准到同一投影坐标系下，结合已有的DEM生成三维流域地貌图，并将其与利用DEM自动提取的流域进行了空间对比分析，结果表明，两者基本吻合。

本实验的结果基本令人满意，与参考的实际地形图与遥感影像的水文分布特点基本一致。利用该方法来提取小流域的水文特征不仅大大提高了工作效率，而且从提取的数据精度上来说是可以保证的。

3 结论与讨论

DEM在水利科学方面的应用，其突出优势是描述流域地形，包括流域边界、坡度、坡向、河网识别等。利用DEM提取流域水文特征在提高效率的同时可以保证数据提取的精度，对水资源的管理具有十分重要的意义。但是不同分辨率DEM本身数据来源具有误差，因此，高精度DEM对于流域水文特征的提取精度也存在很大的影响。

ArcGIS软件中的Hydrology工具为水利工作者提供了多种水文信息提取的功能，可以完成累积量、水流长度、河网提取、流域划分等多项水文分析任务。该工具模块下各水文处理工具所采用的算法是科技工作者共同努力和他们对已有知识的继承和发展的结果。通过不断地实践应用证明，这些算法都是相对成熟、有效的，并且随着基于DEM提取流域特征技术的不断发展和完善。利用DEM提取流域水文特征在提高工作效率的同时可以保证数据提取的精度，这对于数字流域的建设、农业工程的规划和水资源管理等方面都具有十分重要的指导意义。

随着DEM提取流域特征技术的不断发展和完善，今后利用DEM提取河流特征的精度也会提高，尤其是在平坦地区的提取精度将会有进一步的提高，因为在平坦的地区现有的算法无法考虑随机因素对河流的影响，提取的水系一般比较平直，而自然水系往往是随机地流过平原区，这就给流域的分布计算带来一定的误差，因此，在基于DEM的地形特征的提取以及它在水文学中的应用这一领域，还需要进一步的研究和讨论。

［1］汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程［M］.北京:科华出版社，2006.

［2］乌伦，刘瑜.地理信息系统原理、方法和应用［M］.北京:科学出版社，2004.

［3］陈述彭，鲁学军.地理信息系统导论［M］.北京:科学出版社，2000.

［4］赵健，贾忠华，罗纨.ArcGIS环境下基于DEM的流域特征提取［J］.水资源与水工程学报，2006，17(1):74－76.

［5］唐从国，刘丛强.基于ArcHydro Tools的流域特征自动提取—以贵州省内乌江流域为例［J］.地球与环境，2006，34(3):30－ 37.

［6］孙艳玲，刘洪斌，谢德体，等.基于DEM流域河网水系的提取研究［J］.资源调查与环境，2004，25(1):19－ 22.

［7］叶爱中，夏军，王纲胜，等.基于数字高程模型的河网提取及子流域生成［J］.水利学报，2005，36(5):531－537.

［8］张超，郑钧，张尚弘，等.A rcGIS9.0中基于DEM的水文信息提取方法［J］.水利水电技术，2005，36(11):1－4.

［9］李丽，郝振纯.基于DEM的流域特征提取综述［J］.地球科学进展，2003，18(2):251 －256.

［10］黄娟，申双和，殷剑敏.基于DEM的江西潦河流域河网信息提取方法［J］.气象与减灾研究，2008，31(1):49－53.