许辉熙

（1.四川建筑职业技术学院 测绘工程系，四川 德阳 618000）

基于DEM的川西山地河网信息提取

许辉熙1

（1.四川建筑职业技术学院 测绘工程系，四川 德阳 618000）

基于DEM数据和D8算法，对研究区河网信息进行提取。这种方法主要是通过研究区集水面积与河网密度、河源密度二阶导数关系确定集水面积的阈值，避免了利用DEM提取流域河网时对阈值确定的反复过程，有助于模拟结果的有效性和准确性；不同集水面积阈值对确定主河道的空间位置影响较小，但对河网提取的详细程度具有重要影响，集水区面积阈值越大，河网就越稀疏。

DEM；水文特征；GIS空间分析；阀值

近年来，采用DEM数据提取流域水文信息的研究较多[1-5]，其中基于D8算法和DEM数据提取河网较为常用[6]。D8算法假设单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8 个栅格中。它用最陡坡度法来确定水流的方向，即在3×3 的DEM栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间的距离权落差，取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格。本文基于D8算法和ArcGIS的水文分析工具，运用集水面积与河网密度、河源密度的二阶导数来确定阈值生成河网。

1 研究区概况

阿坝藏族羌族自治州（简称阿坝州）位于四川省西北部，紧邻成都平原。地貌以高原和高山峡谷为主。东南部为高山峡谷区，中部为山原区，西北部为高原区。长江上游主要支流岷江、大渡河纵贯全境，是黄河流经四川唯一的地区。西北部的丘状高原属大陆高原性气候，年平均气温0.8℃～4.3℃。山原地带为温凉半湿润气候，年平均气温5.6℃～8.9℃；高山峡谷地带，随着海拔高度变化气候从亚热带到温带、寒温带、寒带，呈明显的垂直性差异，年平均气温1℃～5℃。面积约8.42×104km2。研究区DEM数据分辨率为90 m（见图1）。

2 研究方法

1）无洼地DEM生成。由于地形影响，导致DEM表面存在一些低高程栅格区域，在进行地表水文模拟时得到错误的水流方向。因此，在进行水流方向的计算之前，首先要对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。具体步骤为洼地提取、洼地贡献率计算、洼地区域最低和最高高程计算、洼地填充等。

图1 研究区DEM

2）汇流累积量计算。汇流累积量基于水流方向数据计算，其大小代表着上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格，汇流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。

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。目前水流长度的提取方式主要有顺流计算和溯流计算两种方法。顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口的水平投影距离；溯流计算则是计算地面上每一点逆水流方向到其流向起点的水平投影距离[7]。本文采用溯流计算方法计算水流长度。

4）河网提取。目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算。首先，在无洼地DEM上利用最大坡降的方法计算得到每一个栅格的水流方向；然后，利用水流方向栅格数据计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量，所得到的汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格。假设每一栅格代表一份水流，则栅格的汇流累积量代表着该栅格的水流量；当汇流量达到一定值时，就会产生地表水流，所有汇流量大于临界数值的栅格就是潜在的水流路径，水流路径构成河网。具体计算步骤包括计算汇流累积矩阵、设定阈值、栅格河网形成和栅格河网矢量化等。阈值的设定直接影响到河网的提取结果。不同级别的沟谷对应不同的阈值，相同级别的沟谷需要的阈值也是不同的。在设定阈值时，通过不断实验来确定能满足研究需要并且符合研究区域地形条件的合适阈值。

3 结果与分析

与其他方法相比较，D8 算法有着模型简单、计算效率高、应用方便等显著优点，在水文分析中得到了广泛应用，其流向确定性的约束使它并不适合模拟水流在坡面上漫散流动的情况，在平缓地区会导致大量不合理的平行流现象出现，降低了流域特征提取的精度[8]。

3.1 集水面积阈值对河网提取的影响

基于ArcGIS10 Hydrology水文处理工具包，分别采用 1 000 m2、2 000 m2、3 000 m2、4 000 m2、5 000 m2、6 000 m2、7 000 m2、7 500 m2、8 000 m2、8 500 m2、9 000 m2和9 500 m2共12个集水面积阈值提取河网信息。由图2对比可知，不同集水面积阈值对确定主河道的空间位置影响较小，但提取的数字流域河网的特征会发生明显变化。由图2可知，随集水面积阈值的增大，提取的流域河网随之稀疏。当集水面积阈值由1 000 m2增至9 500 m2时，各级河网的条数分别随集水面积阈值的增大而呈现不同程度的减少（表1），研究区沟壑长度由21 819.329 km减少到7 198.685 6 km；河流条数由5 856条减少到659条；沟壑密度由0.263 4 km·km-2减少到0.086 9 km·km-2；河源密度由0.070 7个·km-2减少到0.008 0个·km-2。

3.2 集水面积阈值与河网特征的关系

本研究选取河网密度和河源密度作为河网提取定量分析的主要指标。由表1数据，通过集水面积阈值与河网密度、河源密度之间的拟合关系，得到如下幂函数关系：

式中，yh为河源密度（个·km-2）；yg为沟壑密度（km·km-2）；x为集水面积。

对河源密度和沟壑密度求二阶导数得：

图2 流域河网随集水面积阈值变化

将集水面积代入公式（3）、（4），得到河网特征（河网密度、河源密度）与集水面积的关系，如图3所示。

表1 集水面积阈值与沟壑、河源密度

图3 集水面积与河网密度、河源密度的二阶导数

由图3可知，集水面积阈值在4 500～6 000 m2范围出现拐点，与实际矢量化水系的河网密度和河源密度相比较，集水面积阈值为6 000 m2时自动提取的河网密度和河源密度与实际值较接近，结果见图4。因此，与传统方法相比，采用上述确定集水面积阈值的方法，避免了利用DEM提取流域河网时对阈值手动调节的繁琐过程，有助于模拟结果的有效性和准确性。

图4 河网提取结果

3.3 精度评价

以陆地卫星遥感影像TM 432波段R（红）、G（绿）、B（蓝）假彩色合成影像为背景，叠加河网提取结果（图 5）。由图5可知，汇流累积量越大，靠近支流干道的地方提取效果越好，在更小的支流末梢，则无法提取。随着DEM 数据精确度的提高及提取流域特征的技术改进，流域特征提取的精确度也将进一步提高。

图5 河网提取结果与TM影像水系叠合

4 结 语

1）集水区面积阈值的确定对水系提取至关重要，与水系的提取结果有着密切的关系，集水区面积阈值越小，水系就越密集。

2）集水面积阈值对主干河道影响极小，但对河网提取的详细程度具有重要影响。随集水面积阈值的增大，提取的流域河网随之稀疏。

3）GIS技术在水文研究中起到愈来愈重要的作用，有关理论已经比较成熟，方法也在广泛应用，许多河网提取算法有待改进，流域水文特征的提取精度有待近一步提高。

[1] 宋晓猛,张建云,占车生,等.基于DEM的数字流域特征提取研究进展[J].地理科学进展,2013,32(1):31-40

[2] 丑述仁,姚志宏,曹佳云,等.基于Hutchinson的DEM 建立及质量评价[J].地理空间信息,2012,10(3):127-129

[3] 原晓平,刘少峰,田贵中,等.基于DEM 的格尔木河流域水系分维分析[J].国土资源遥感,2013,25(1):111-116

[4] 关颖慧,郑粉莉,王彬,等.基于DEM的黑龙江宾州河流域水系提取试验研究[J]. 水土保持通报,2012,32(1):127-131

[5] 蒋甜,陈端吕.基于DEM的河网水系分形特征研究——以常德市桃源县为例[J].中国农学通报,2013,29(2):166-171

[6] 李旭娇,杨武年,曾超,等.岷江上游流域DEM的河网提取[J].地理空间信息,2011,9(4):58-60

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

[8] 张维,杨昕,汤国安,等.基于DEM的平缓地区水系提取和流域分割的流向算法分析[J].测绘科学,2012,37(2):94-96

P208

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1672-4623（2015）04-0065-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.024

许辉熙,博士后,副教授,主要从事地理学、遥感与GIS技术应用研究。

2014-08-12。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41371125）；四川建筑职业技术学院校级项目（川建院[2013]104号）。