基于DEM的乌梁素海东部流域河网信息提取

朱 超,于瑞宏,刘慧颖,孙若鹏,刘金巍

(1.内蒙古大学环境与资源学院,内蒙古呼和浩特 010021;2.内蒙古大学生命科学学院,内蒙古呼和浩特 010021)

基于DEM的乌梁素海东部流域河网信息提取

朱 超1,于瑞宏1,刘慧颖1,孙若鹏1,刘金巍2

(1.内蒙古大学环境与资源学院,内蒙古呼和浩特 010021;2.内蒙古大学生命科学学院,内蒙古呼和浩特 010021)

以乌梁素海东部流域为研究区,基于免费获取的3″的Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)数字高程模型(DEM),利用HEC-GeoHMS模块,确定流域不同汇流累积量阈值的河网密度,通过二者关系曲线,得出东部流域最适汇流累积量阈值为15 km2。实现流域水系提取和子流域划分,继而将其与东部流域1∶250000数字地形图进行叠加。结果表明:采用DEM提取的水系和子流域与数字地形图匹配良好,即3弧秒的DEM可有效应用于乌梁素海东部流域河网信息的提取。

数字高程模型;HEC-GeoHMS;最适汇流累积量;河网信息;自动提取

河网信息是反映流域特征的基本骨架,也是构建流域分布式水文模型的重要参数[1]。过去获取河网信息主要有2种方法:①实地量测;②从地形图、航片和卫星影像中手工提取。这2种方法不仅费时费力,而且其精确性很大程度上受操作者主观意愿的影响。随着计算技术、3S技术在水文学研究中的应用,直接从DEM(digital elevation model)中提取河网信息的方法得到了很大的发展,并在近年来成为水文学研究的热点[2]。目前国内对流域水文信息自动提取的研究工作主要集中在洼地的填充[3-6]、汇流累积量阈值的确定[7-8]等;研究区域则集中在南方,如太湖流域[9]、鄱阳湖流域[10]、澜沧江流域[11]等,对于北方干旱区流域水文信息自动提取的研究仅见于柴达木盆地流域。

乌梁素海东部流域东起全盛西沟,西至昆都仑河,流域面积为4822.59km2。该流域对乌粱素海的水量平衡有重要影响,实现该流域的水文信息提取不仅对流域产流和河流污染的研究有重要意义,还可以为乌梁素海生态需水量及富营养化的研究提供基础数据。目前国内就乌梁素海东部流域进行水文信息提取的研究较为少见,笔者利用HEC模型中的HECGeoHMS模块,在SRTM DEM数据的基础上,对乌梁素海东部流域进行水文信息的提取,可在一定程度上弥补该地区在水文特征模拟方面研究的不足。

1 研究区概况

乌梁素海东部流域(图1)位于内蒙古自治区巴彦淖尔市和包头市境内,属干旱半干旱气候区,年平均气温为6.6℃,多年平均降雨量为215mm,全年降雨量70%以上集中在7—9月[13]。流域地形以山地为主(约占60%),平均高程为1624m。流域降雨主要通过黄土窑子河排入乌梁素海。

图1 乌梁素海及其东部流域示意图

2 数据源

研究所用的数据为乌梁素海东部流域的SRTM(航天飞机雷达地形测量任务)DEM数据和国家基础地理信息系统1∶250000数字地形图。

DEM根据数据结构可分为3类:等高线、不规则三角网和栅格型。虽然前2种格式的DEM能更好地描述地形,但栅格DEM由于其简单有序的数据特征而在河网提取中应用更多[14]。SRTM DEM是由美国“奋进”号航天飞机于2000年2月11—22日绕地球飞行176圈,获取了覆盖全球80%地区的雷达影像后处理得到的。中国境内可用的数据为3″(分辨率约90m),数据的平面基准为WGS84,高程基准为EGM96,垂直误差小于16m(90%置信度)[15]。原始DEM数据可从CGIAR-CSI SRTM 90m数据库下载(http://srtm.csi.cgiar.org/),经过投影变换、图像拼接和边界裁剪等处理可得到研究区的DEM。

3 研究方法

利用HEC-GeoHMS提取水系特征的原理是:首先确定每个栅格单元的水流方向,根据水流方向计算汇流累积量,再选择合适的汇流累积量阈值提取河网,最后由河网和出水点的位置划分子流域。主要流程为:DEM的预处理、水流方向的确定、汇流累积量的计算、河网的生成和子流域的划分。

3.1 DEM的预处理

DEM中的洼地主要来源于原始数据、插值过程以及水平和垂直分辨率的限制[16]。某些情况下,洼地单元格的数目可以达到栅格单元总数的5%,甚至更多[17-18]。对于小的或起伏较大的流域,由于地形的落差较高,洼地常可被忽略;而对于大的或较平坦的流域,洼地的深度常常可以超过实际高程之间的差值,这时就会给水流方向的判断带来很大的误差[19]。因此,在确定水流方向之前,要对DEM进行填洼处理。洼地填充的原理是:增加洼地内单元格的高程,使其与洼地边界高程最低的单元格的高程相等[20]。

3.2 水流方向的确定

在填洼后的DEM中,每个栅格单元都有一个可以定义的水流方向值。某一栅格单元的水流方向是指水流离开此单元格时的指向[21],这一概念最早是由Mark等[22-23]提出的。水流方向的确定有单流向法和多流向法2种。单流向法包括D8算法、Rh08算法、Lea算法和D∞算法等,多流向法则包括MFD算法、DAEMON算法和Dinf算法等[24]。其中,最常用的是D8算法[25]。

HEC-GeoHMS中采用D8算法进行水流方向的计算,D8算法假定每个单元格的水流可能流向8个相邻的单元格,水流沿最陡坡度的方向流动,计算出中心单元格与周围8个单元格的坡度即可确定中心单元格的水流方向[26]。以此类推,可得到所有单元格的水流方向。

3.3 汇流累积量的计算

沿某单元格水流方向向上搜索至边界可算出该单元格的汇流累积量,赋予该单元格一个值,该值表示流入它的上游单元格的数目,值越高,说明其汇流能力越强。

3.4 河网的生成

河网的生成基于如下假设:如果某单元格的汇流累积量值大于阈值,则该单元格是河网的一部分[17]。因此,选择一个汇流累积量阈值,凡是汇流累计量大于该阈值的单元格均认为是河网的组成部分,将这些单元格连接起来,就生成了河网,阈值越大,生成的河网的密度越小。

3.5 子流域的划分

子流域的划分建立在提取的河网基础上[28]。划分子流域时,首先要确定子流域的出水点。所谓出水点,一般是指2条河流的汇流点或真实地形中的水文站或大坝。找到出水点后,沿水流向上游搜索,所有流经该点的单元格都被认为是子流域的组成部分,一直搜索到流域边界,将这些单元格集结在一起就生成了子流域[29]。

4 结果与讨论

4.1 流域水系的提取

在河网提取的过程中,选择合适的汇流累积量阈值最为关键[30]。阈值的选取通常根据河网密度来确定。其原理是:随着汇流累积量阈值的增大,河道起始点的位置会向流域地势平坦处“退缩”,河长相应缩短,所提取的河流级别也会变高,河道数目就会越来越小[8]。当汇流累积量阈值增大到一临界值时,河网密度的变化趋于平缓。此时所对应的汇流累积量阈值就是最适的汇流累积量阈值。

依次选取 1、5、10、15、20、25、50km2为汇流累积量阈值,计算出对应的河网密度。汇流累积量阈值与河网密度的关系见图2。由图2可以看出,当汇流累积量阈值为大于15km2时,河网密度的变化趋于平缓。因此,选取15km2作为生成河网的阈值,生成的河网见图3。

图2 河网密度与汇流累积量阈值的关系

图3 阈值为15km2时生成的河网

4.2 子流域的划分

图4为自动提取的乌梁素海东部流域子流域图。整个流域共划分出18个小流域,最小子流域面积为15.32km2,最大为1 177.31km2。这些子流域可以和土地利用图等进行叠加运算,从而为建立分布式水文模型提供基本参数[31]。

图4 乌梁素海东部流域子流域划分

4.3 精度检验

4.3.1 基于DEM提取的水系与数字地形图中水系的比较

将从DEM中提取的水系与从1∶250000数字地形图上得到的河网相比较(图5),可以看出:二者吻合较好,特别是主干河道基本重合,且基于DEM提取的水系更详细,因为它将所有汇流累积量超过15km2的河流都提取出来了。由于2002年版内蒙古1∶250000数字地形图中只记录了六级及以上等级河流,且目前并无更新的数字河流,所以本实验结果还可以作为其他相关研究的数据源。

图5 DEM提取的河网与数字水系的比较

表1 提取的流域面积与实际流域面积的比较

4.3.2 基于DEM提取的流域与实际流域的比较

为了检验基于DEM提取的流域与实际流域之间的误差,选取了4个有代表性的子流域,计算提取的流域面积并与实际流域进行比较,结果如表1所示。不难看出,DEM提取的子流域面积与实际流域面积比较接近,在广生隆、大佘太和十二分子流域,面积的相对误差在5%以内,但在乌拉特前旗流域的误差较大,原因可能是该地区地势较平坦,提取误差较山区为大。此外,林杰等[32]认为,HEC-GeoHMS对人类活动影响较大的流域提取效果不佳,乌拉特前旗流域受人类活动影响较大,可能也是误差较大的原因。

5 结 论

以免费获取的SRTM DEM为基础数据,利用HEC-GeoHMS模块,完成DEM数据的预处理、水流方向的确定、汇流累积量的计算,并根据DEM属性数据,计算出不同汇流累积量阈值的河网密度,确定出研究流域的最适阈值为15km2,从而提取出流域水系,其后由水系和出水点的资料,划分出乌梁素海东部流域的各子流域,由此得到结论:

a.将基于DEM的水文信息提取结果与流域数字地形图相叠加,表明水系和子流域与数字地形图匹配良好,3″的DEM可有效应用于乌梁素海东部流域分布式水文模型的建立。

b.流域参数提取的精度和详细程度取决于DEM的质量和分辨率[33]。考虑DEM数据的精度(3″)和研究区面积(4823km2),本文的结果从效率和精度上都是较好的。

据此认为,SRTM DEM数据可有效应用于乌梁素海东部流域水系及子流域的获取,这不仅节省了昂贵的数字地形图获取所需支付的费用,同时为干旱半干旱地区水系提取提供了高效可行的数据源。

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Information extraction of drainage network of the eastern basin of Wuliangsuhai Lake based on DEM

ZHU Chao1,YU Rui-hong1,LIU Hui-ying1,SUN Ruo-peng1,LIU Jin-wei2
(1.College of Environment and Resources,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China;2.College of Life Sciences,Inner Mongolia University,Hohhot 010021,China)

Taking the eastern basin of Wuliangsuhai Lake as a study area,drainage network density was determinedwith different confluence cumulant thresholds by using the HEC-GeoHMS mode based on 3 second of arc Shuttle Radar Topography Mission(SRTM)DEM.The optimal confluence cumulant threshold of 15 km2was determined by relationship between drainage density and threshold.The extraction of drainage network and subdivision of basins were realized,and it was overlaid with the digital topographic map at 1∶250000 scale.The results indicated that drainage network and subbasins extracted from DEM was well consistent with the digital topographic map,that is to say 3 second of arc SRTM DEM could be effectively used for drainage network extraction of the eastern basin of Wuliangsuhai Lake.It could not only save time and energy in topography measurement,but also raise the accuracy of drainage network extraction.

DEM;HEC-GeoHMS;optimal confluence cumulant;information of drainage network;automated extraction

TV212.5+1

A

1004-6933(2011)03-0075-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2011.03.019

国家大学生创新性实验计划(081012608)

朱超(1987—),男,山东菏泽人,本科生,水文水资源专业。E-mail:interzhuc@163.com

于瑞宏,副教授。E-mail:yrh0108@163.com

(收稿日期:2010-05-17 编辑:徐 娟)