王官勇，戴仕宝

（滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000）

基于主干河流修正TIN构建的DEM平原区河网提取

王官勇，戴仕宝

（滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000）

平原地区的河网提取一直是基于数字高程模型（DEM）的水系提取的难点。尝试利用主干河流修正不规则三角网（TIN），以提高DEM平原地区地形模拟的精度（基本方法为利用已存在的主干河流线，对其所经区域进行高程赋值，约束TIN的构建，然后进行DEM模拟），基于此进行平原区河网提取。实验表明，此种方法下，平原区提取的主干河流与实际河流有较大的吻合。

主干河流修正；TIN构建；DEM；平原区河网提取

在基于DEM河网提取中，平原地区的河网提取一直是难点。在平原区，基于常规DEM构建方法生成的DEM提取的河网与地表实际河网常常相差甚远。李昌峰等的研究表明［1］，当坡度小于3°时，由常规DEM中提取的流域自然水网与实际的水系有误差，需要进行纠正处理。其他许多学者也对此问题有实践发现。李丽等［2］、孙崇亮等［3］以及其他多位学者介绍了一些国内外的处理方法。总体来看，一是基于DEM及其源数据本身，在算法层面上进行研究，以期在现有数据条件下提高DEM模拟精度；一是在河网提取算法上进行探讨；另外，引入约束数据，对DEM进行约束，则是比较简单实用的思路，其中，使用高分辨率数据源对DEM局部进行精度加强或水流方向约束及利用实际河网或主干河流对DEM进行“Stream burning”是比较常见的方法。

郝振纯等［4］、晋华等［5］将主干河道作为约束条件，俞雷［6］等将实际河网作为约束条件，进行DEM河网提取，取得了较好的效果。Matthew等研究表明［7］，对DEM进行修正后可以有效地提高水系提取的精度特别是在平原地区。但在目前普遍使用的对DEM进行修正的方法中，或多或少地都存在一些问题。如Matthew等的研究发现，有时候会在下游方向有一个“坝”生成。Renssen和Knoop在对全球河流水系提取时发现［8］，尽管利用了“Stream burning”技术，但依然有找不到较狭窄的河流以及正确的河口的情形。在我们的实验中也发现，在地势低平区，使用“Stream burning”时，一些“Burning”进入 DEM的河流，会出现下游的部分高程大于上游的情况，表现到河流上就是出现了“倒流”。同时，我们注意到，在“Burning”过程中，采用沿河流线并以河流线为中心进行一定区域的“缓冲式下陷”，理论上，只要“下陷”足够并不考虑“倒流”的出现，可以获得预期的主干河网，但同时，也可能提取出其它的“伪主干”河流，或者有些主干河流的水流量与预期有较大出入等情况。

我们的初步分析认为，河网模拟的一个重要目的就是实现河流的实体化［9］，河网模拟精度取决于水流方向的模拟精度，而水流方向模拟精度问题很复杂，在我们这个研究角度上，可以理解为地形模拟精度问题，“Burning”的主体思路实现了相关实际河网的平面位置的嵌入，但在相关河谷及其周边地形模拟精度增强上没有较好表现。

使用高分辨率数据源对DEM局部进行精度加强或水流方向约束，能够有效地解决单纯河网“Burning”约束产生的一些问题，提取的河网效果较好［10］，前者提高了局部地形模拟精度，后者则直接对水流方向进行约束。显然，更高精度的DEM数据准备，是这一方法的基本要求，而相对“蓝线”水系的容易获得，这一要求往往又不易满足。

立足相应“蓝线”水系资料，本文从主干河流约束提高TIN构建角度出发，参考河道模拟中河道线高程赋值的思路，提出一个提高平原区河网提取精度的方案。该方案的主要特征是首先利用主干河流修正TIN，然后由修正后的TIN构成DEM，最后进行河网提取。实验证明该方案在有限约束资料的条件下，力图局部地形模拟精度的提高，可以有效地提高平原区河网提取精度，以此构建的DEM能够有效的反应主干河流位置和流向，避免利用“Stream burning”时产生的部分问题。

1 基本思路与技术流程

1.1 基本思路

本研究的基本思路，是在TIN构建过程中利用主干河网进行TIN约束，从而试图在DEM模拟上解决主干河网问题。如同在DEM中可以表现出岗地和谷底一样，在DEM中表现出主干河网。因此在DEM河网提取时自然会将主干河网识别并提取。

1.2 具体技术过程

本研究首先将主干河网线进行矢量点化并合理地赋以不同的高程值，该高程值即要体现主干河网水流方向，也要体现河流周边地区的汇流方向，然后让主干河网点串参与TIN构建。其赋值方式有两个，一个是基于初步构建的TIN的基础上，进行点串上各点高程值确定并参与TIN重新构建；一个是在TIN构建之前进行专家判断，确定点串上各点的高程值，并参与TIN构建。

其具体技术过程如图1所示。

图1 平原区基于TIN主干河段线修正的DEM河网提取

1.2.1 主干河段矢量化处理

首先对每条主干河流构建矢量线，以此来约束该河流段；其次进行主干河段定向，主要是指将河段按从上游起点到下游终点，进行矢量线方向确定，以确保下一步生成的矢量点编号按照从上游起点到下游终点的顺序（矢量点按照此顺序编号，便于以后的自动化高程点赋值及修改操作）；对主干河段线矢量点化，即将定向了的矢量线进行等距离点化，对每个点可以赋一个初步的高程值，一般根据起始高程判断，逐点递减高程赋值。1.2.2 主干河段矢量点高程值赋值

方式一基本步骤：基于TIN对主干河段矢量点自动赋值（通过二维图形转三维的操作，将主干河段矢量点映射表面高程）；主干河流“倒流”分析（通过对主干河流矢量点映射赋值的高程值进行分析，寻找河段“倒流”的部分）；主干河流“顺流”修正（对“倒流”部分的矢量点高程重新赋值，保证其顺流）；主干河流“下陷”（对所有主干河流的矢量点高程进行整体调低，保证其“陷入”到周边地形中。使得河段部两边都有水汇入）。

方式二基本步骤：河段矢量点高程专家判断赋值（在分析河段高程突变点、河段形态、河段基础地形背景等基础上，结合等高线和其它特征线、点，对照河流线位置特征，根据地形总体走势，对河流矢量点逐点高程判断并赋值。一般可以进行分段地判断赋值，并保持总体的平衡。判断的出发点及一般思路为：下游高程低于上游高程；河流点高程一般低于两边等高线和高程点以及生成的特征点的高程；河流点高程一般应随地形坡度变化有适当反映，地形坡度变化大的河段相应高程递减较大）；进行主干河流“下陷”（对所有主干河流的矢量点高程进行整体调低，保证其“陷入”到周边地形中）。

两种赋值方式分析：第一种赋值方式相对比较简单，解决了“倒流”问题，并可以借鉴“Stream burning”的“下陷”思路，使两边水流流入河流。但此种方式，并不能保证在TIN重构建后生成的DEM中，提取出对应的主干河段。可能出现提取时“裁弯取直”现象或者出现流量不足（可能出现河段某一侧虽有汇水，但汇水量较少等现象）；第二种赋值方式需要有较高的水文及相关知识，能够进行综合的判断。该方式对直接嵌入河流引起的“倒流”、“汇水量少”等有所注意的同时，对“裁弯取直”现象也有关注。同样，可以借鉴“Stream burning”的“下陷”思路，确保两边水流流入河流。

在实际的主干河段矢量点赋值过程中，这两种方式应该综合使用。

1.2.3 主干河段约束的TIN构建

将赋值后的河流点串参与TIN构建，生成的TIN包含了主干河流信息。

2 实验验证

以巢湖流域丰乐河、杭埠河部分地势低平地区为例进行了验证。

2.1 实验过程

本研究利用1∶50000地形图生成的地形矢量数据构建TIN，对巢湖西部地势低平区的杭埠河10－30m高程河段和丰乐河10－20m高程河段进行了试验性TIN约束，并以此构建25米精度的DEM。在此基础上，利用Arc-Map软件的水文分析工具箱Hydrology，进行河网提取。集水面积阈值采取500，即面积0.3125Km2。

2.2 实验结果

实验效果如图2所示。没有进行约束的TIN在主干河流相应地段河谷模拟效果较差（图2a），而进行了约束后的TIN（图2b），河谷模拟程度非常好。

图2 主干河流参与TIN构建效果

基于DEM提取的河网如图3所示。提取的主干河流与实际河流比较，总体吻合程度较好。在上游地区提取的主干河流与实际情况非常一致；在相对下游河谷地区模拟吻合程度不理想，提取的主干河流，有些地段没有严格按照约束河段表现。

图3 TIN修正后DEM提取主干河效果

2.3 实验分析

实验中，下游地区部分河段提取精度相对较差的原因，我们分析认为：约束河段点串高程值与周边等高线、特征点等的高程值有冲突，没有构建成严格的河段线上的一致的汇水线（面），而是出现一些河段栅格水流向周边河岸栅格；河流下游地区地势相对开阔地平，地形变化趋势性不强，没有相对十分强烈的主干河流高程影响因素，降低了矢量点高程判断的精度；DEM模拟的微小地貌的变数对河流提取的影响较大；其它一些可能的原因。

实验中，上游地区部分河段提取精度相对较好的原因，我们分析认为：地形变化趋势明显，对河段高程影响较强烈，容易进行矢量高程点判断，因而矢量点高程赋值精度较高，同时在大的地形变化趋势下，河网提取时的微地貌影响不大，因而最后的结果，其吻合度较好。

基于主干河流修正TIN构建的DEM，考虑了主干河流的高程约束，在相应的河谷地段，地形模拟精度有所提高。其平原区河网提取，在主干河流的吻合方面有较好的效果。

3 结束语

本研究给出了基于主干河网约束TIN构建，提高局部地势低平区地形模拟精度，从而提高相应地区河网自动提取精度的基本思路。从实验结果看，取得了预期效果。但因为工作比较具体，一般多适应面积较小的区域的应用。大区域的应用，还有待于进一步探索。

［1］李昌峰，冯学智，赵锐.流域水系自动提取的方法和应用［J］.湖泊科学，2003，15（03）：205－211.

［2］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.

［3］孙崇亮，王卷乐.基于DEM的水系自动提取与分级研究进展［J］.地理科学进展，2008，27（01）：118－124.

［4］郝振纯，李 丽.基于DEM的数字水系的生成［J］.水文.2002，22（4）：8－10，52.

［5］俞 雷，刘洪斌，武 伟.基于DEM的重庆三峡库区水系提取试验研究［J］.地理科学，2006，26（05）：616－621B.

［6］晋 华，杨金海，任焕莲，等.基于DEM的浊漳河南源水系研究［J］.太原理工大学学报，2006，37（6）：646－648.

［7］Matthew E.Baker，Donald E.Weller，Thomas E.Jordan.Comparison of Automated Watershed Delineations：Effects on Land Cover Areas，Percentages，and Relationships to Nutrient Discharge［J］.Photogram metric Engineering ＆ Remote Sensing，2006，72（02）：159－168.

［8］Renssen H.，Knoop J.M.A global river routing network for use in hydrological modeling［J］.Journal of Hydrology，2000，230（3－4）：230－243.

［9］沈 涛，苏山舞，李成名.基于DEM的河流实体化研究［J］.测绘通报，2006，（03）：31－33.

［10］杨 邦，任立良，王贵作，等.基于尺度转换的数字水系提取方法及应用［J］.中山大学学报 （自然科学版 ）.2009，48（4）：101－116，112.

Plain Drainage Network Extraction Based on the DEMEnhanced by the Stem-River Imbedded TIN

Wang Guanyong，Dai Shibao

（Geographic Information and Tourism College，Chuzhou University，Chuzhou Universtiy 239000）

Plain drainage network extraction has always been a tough task in the river system extracting based on the Digital Elevation Model（DEM）.In this paper we tried to imbed the stem river in the TIN and thus to improve the precision of the DEM.Based on this improved DEM，we tried to extract the river system in the plain.The results show that the extracted river system fit well with the actual river network by this method.

Stem River Modification；TIN Building；DEM；Plain Drainage Network Extraction

D91

A

1673-1794（2011）05-0126-03

王官勇（1971－），男，硕士，讲师，主要研究方向：RS、GIS技术应用以及3S与地理教学。

国家自然科学基金项目（41001301）；安徽省自然科学基金项目（090412062）、滁州学院科研项目（2008kj005B）。

2011-03-23