付继强，王周龙，马金卫，郭玲玲，王萌，宋倩茹

（1.鲁东大学地理与规划学院，山东 烟台 264025；2.烟台市国土资源局福山分局，山东 烟台 265500；3.烟台大学，山东 烟台 264003；4.山东正元数字城市建设有限公司，山东 烟台 264002）

0 引言

河网水系是描述一个地区的基本水文参数，它不仅反映了地区的地貌特征，更直观地表达了地表水文状况，可为区域流域规划、防洪减灾、生态保护等提供科学依据。小流域的提取可方便简洁地表达出地区的水文地域划分，从而在面源污染的估算中统计每个小流域对整体的污染百分比情况，为治污管治指明监管方向。河流网络和集水流域划定为一个地区受某种污染源影响的范围提供了依据，也可作为地貌改变的指示标志。众多学者对流域的信息提取方面已经做了大量的研究，尤其是近年来数字技术的迅猛发展及GIS在海量数据存储、管理、空间分析和制图方面的优势，使GIS与水文模型结合的分布式应用日益广泛。其中以O’Callaghan等在1984年提出的坡面流累积方法最为流行［1］，该方法是以水流在地表上漫流的方式为基础从DEM中提取河网水系。

数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是描述地面高程值空间分布的一组有序数组，能够反映一定分辨率的局部地形特征，通常有格网（GRID）、不规则三角网（TINs）、矢量（数字线划）（DLGs）3种形式［2］。随着RS和GIS技术的发展，尤其是高精度全球免费DEM数据的分发，使得采用多种模型技术来分析流域各种水问题提供必要的空间信息。DEM数据更是成为仿真模拟、地形分析和三维空间数据处理的核心数据［3］。利用DEM提取数字河网及小流域，只需结合研究区的地形状况，利用ArcMap下Arc Hydro Tools扩展模块就可以得到相对准确的数字河网及对应的小流域范围，大大缩短了数据获取的时间，同时也大大降低了成本。

在前人研究的基础上，以胶东半岛为研究区，运用水文分析工具，基于2种DEM数据源提取河网水系，并通过河网精度分析，确定与1∶25万真实河网最为接近的数据源。同时，初步分析了11条代表性河流的流域主要特征。

1 研究区概况

胶东半岛是指山东省胶莱河以东陆地区域，北临渤海，东靠黄海，与辽东半岛和朝鲜半岛隔海相望。总面积42 680km2，包括青岛市、烟台市、威海市域全部以及潍坊市的一部分。潍河流域也纳入研究区，以保证提取的胶莱河流域的完整性。胶东半岛遍布低缓丘陵，地势起伏和缓、谷宽坡缓的波状丘陵，丘陵的边缘是地表倾斜、海拔40～70m的平原，延伸至坦荡的华北平原。山脉多近NE走向，中北部分布伟德山、昆嵛山、牙山以及大泽山、罗山、艾山等，崂山主峰崂顶为半岛最高峰，海拔1 133m。

半岛水系多发源于中部山地，南北分流，独流入海，河床比降大，源短流急。河川径流洪枯期悬殊，汛期集中全年径流量的70%～80%，流量过程线随降水变化而迅速涨落；洪水时南北沟通，枯水时南北分流。流域面积在1 000km2以上的河流有胶莱河、大沽河、大沽夹河、母猪河、黄水河等。其中，胶莱河全长130 km，总流域面积3 978.6km2，以平度市姚家为界分为南北两段，北至莱州湾为北胶莱河，南与大沽河汇流入胶州湾为南胶莱河。胶东半岛最长河流为大沽河，全长179.9km，流域面积6 131.3km2（含南胶莱河）。

2 研究方法

2.1 数据源及其处理

基于SRTM（Shuttle Radar Topography Mis－sion）和 ASTER GDEM（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radiometer）2种DEM数据源提取数字河网，并进行精度比对分析。SRTM即航天飞机雷达地形测绘任务，是在德国和意大利航天机构的参与下，由美国国家航空航天局（NASA）和国家空间信息情报局（NGA）合作共同完成［4］。其DEM数据覆盖率为全球的80%，包括SRTM1和SRTM3两种，该文采用覆盖中国全境的空间分辨率为90m×90m的SRTM3数据。

ASTER GDEM是美国航空航天局（NASA）和日本经济产业省（METI）于2009年6月29日联合发布的，是迄今为止最精确、最完整的地球陆地海拔地形图，覆盖了全世界陆地面积的99%［5］，数据覆盖范围为北纬83°至南纬83°之间的所有陆地区域，垂直、水平数据分别率分别为20m，30m，可信度均达到95%。

2种数据源的具体对比如表1所示，可以看出ASTER GDEM数据在时间序列，分辨率、覆盖范围等均优于SRTM数据。

表1 两种数据源基本参数

从CGIAR－CSI的网站（http：／／srtm.csi.cgiar.org／）和美国的LPAAC（https：／／wist.echo.nasa.gov／～ wist／api／imswelcome／）分 别 下 载 相 应 的SRTM DEM90m和ASTER GDEM30m的数据，数据格式均为Geotiff。然后，将下载覆盖整个研究区域的2种DEM数据拼接处理后，按照行政边界裁剪出与研究区相吻合的DEM数据，并经过Albers投影将球面坐标的数据转化成平面坐标［6］。

2.2 胶东半岛地区流域特征信息提取方法

该研究应用Arc Hydro Tools模块工具，采用漫流模型自动提取［7］区域数字河网和河系特征，提取流程见图1。与Arctoolbox下的Hydrology水文工具不同的是，Arc Hydro Tools采用burn in算法［8］可以预先将真实的河流线性水系以及水库、湖泊等面状水系嵌入到DEM中，从而提高数字河网的提取精度。

图1 河网及流域的提取过程

将真实的主干河网嵌入到DEM中，一般需要设定3个关键参数即缓冲区大小（栅格数）、平滑距离、陡降距离［9］。首先，根据设定的缓冲区大小生成河网缓冲区；然后，按设定的陡降距离降低河道所在格网的高程值；最后，对缓冲区内格网高程按设定的平滑距离进行平滑［10］。模块自动默认的这3个参数值分别为5，10，100。在算法上同水文分析模块相同，都是基于D8算法和最小集水面积阈值的概念。

3 研究结果与讨论

3.1 提取出的数字水系与真实河网的对比

反复试验发现，集水面积阈值的设定与河网的密度有着直接的关系。在一定范围内，集水面积阈值越小，提取的数字河网就越密集。文中SRTM选取的集水面积阈值为32.4km2（4 000个栅格），GDEM选取的集水面积阈值为31.5km2（35 000个栅格）。2种数据源所提取的数字水系都能在一定程度上反映流域河网的基本特征，提取的河网水系密集度均高于1∶25万水系。在中部平原地区，由于河流往往找不到流域的出口以及水流的具体流向，导致河网提取效果不是很理想。比较2种不同数据源的提取结果可以发现，基于SRTM DEM提取的河网在平原地区的形状和分布优于ASTER GEDM数据提取结果，但在山地区稍逊于后者，这可能与SRTM数据获取时采用的雷达反射受地形影响，形成叠掩和阴影，易造成高山、峡谷地区、水域等地区产生数据空洞。

从DEM中提取出的数字河网与真实水系在Arcmap中对比叠合后，会出现一些细碎的多边形。计算这些多边形的总面积与该小流域面积的比值即河网套合差（表2），可以比较提取出的河网水系与真实河网的吻合程度。当河网套合差小于0.02时，河网吻合度很好；当河网套合差小于0.03时，河网套合程度一般；而大于0.03时，河网吻合度较差［11］。计算结果表明，界河、黄水河、乳山河、黄垒河的河网吻合度较高，而胶莱河和大沽河的河网吻合程度较差。原因是胶莱河与大沽河流域地形较缓，平均坡度较小，且人类活动影响较大，使得河网提取结果可信度较差。其中，基于高分辨率的GDEM提取的河网效果不理想，会产生更多的伪河道。

表2 DEM提取的河网与1∶25万真实水系的河网套合差比较

总之，虽然ASTER GDEM在水平分辨率、现实性、覆盖范围等方面均优于SRTM DEM数据，但是因为数据还是第一版，数据受云等影响而缺失造成的结果还处在试验和研究阶段，对其数据的地形表现与流域河网特征提取精确性等还有待改进。所以对于胶东半岛地区，采用SRTM提取河网及小流域更能真实反映该地区的真实状况。

3.2 提取出的流域面积与真实流域面积的对比

基于SRTM数据为数据源，利用Arc Hydro Tools工具将1∶25万真实水系加载到DEM数据中进行流域范围提取。矢量化后得到潍河、胶莱河、大沽河、五龙河、界河、黄水河、大沽夹河、乳山河、黄垒河、母猪河、辛安河等11个胶东半岛主要河流的流域范围（图2）。

统计每个流域的面积，并与真实流域面积进行对比，求出绝对误差和相对误差（表3）。结果表明，潍河流域提取误差最小，其相对误差仅为0.44%，流域面积高估了28.8km2；母猪河流域提取误差最大，相对误差为8.42%，低于9%的最大误差标准［7］。可见，流域范围提取结果均在误差控制范围内，可以开展下一步的水文水环境研究等相关工作。

图2 Arc Hydro Tools工具自动提取的小流域

表3 自动提取的流域面积与实际测量的流域面积对比

3.3 胶东半岛主要流域特征分析

从表4中可以看出，11条主要河流流域中，流域面积最大是潍河，其次是大沽河，流域面积分别为6 522km2，6 001.4km2，主河道长分别为292.7 km，89.6km；而坡降比高于后者，说明潍河流域的主河流地形起伏比大沽河流域的剧烈。就河网密度来说，辛安河的河网密度最大，达到了18.4km／km2，河网密度反映的是流域内单位面积上的河流长度，可以描述水系发育和河流的疏密程度，研究数据表明，河网密度随着流域面积的增大而减少［12］，可见辛安的流域面积最小，是造成河网密度最大的主要原因。坡降比因子能充分反映河流流经地区的起伏状况，坡降比越大，流域经过的地形起伏越大，从数据中可以看出，坡降比最大的是界河，坡降比值达到了1∶371。

表4 胶东半岛典型流域主要特征对比

在提取的11条河流中，潍河、胶莱河、界河、黄水河流入渤海莱州湾及其龙口、蓬莱北部海域，流域面积最大是潍河，最小的是界河；大沽夹河、辛安河流入黄海的套子湾和四十里湾，流域面积分别为2 296.0km2，313.8km2；大沽河、乳山河、黄垒河、母猪河、五龙河流入半岛南部黄海海域，流域面积占流域总面积的27.8%。

4 结语

（1）SRTM和GDEM 两种数据源在水文分析模块下生成的河网与1∶25万真实水系进行精度分析后发现：在平均坡度较小的地区如大沽河、胶莱河流域，基于GDEM河网提取效果不理想。在东部丘陵地区如大沽夹河、五龙河等流域由于地面起伏较大，河流能准确找到流域的出口以及水流的具体流向，所以提取的河网与真实水系相差不大。因此，对于胶东半岛地区而言，利用分辨率为90m×90m的SRTM是提取河网及流域范围的较好的选择。

（2）选取SRTM DEM数据源，采用Arc Hydro Tools工具嵌入主干河网，将1∶25万真实水系嵌入到DEM中，所提取的胶东半岛11条主要河流的小流域能准确反映该地区的水文主要状况，并就这11条河流的特征进行了比较。

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