基于ArcGIS 的丰宁县下庙水库流域面积量测

2013-08-15王宁娟申宿慧张宇慧

水科学与工程技术 2013年3期

关键词：流域面积洼地水流

李晓，王宁娟，申宿慧，张宇慧

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050031；2.河北省水利水电勘测设计研究院，石家庄 050031）

研究区位于河北省丰宁县下庙水库流域，该水库位于汤河支流大西沟上，是一座小（2）型水库。水库流域属低山丘陵地貌，流域山坡土层较厚，植被较好。

基于ArcGIS的水库流域面积量测主要包括：①DEM数据的获取；②利用ARCGIS9.2提取流域面积，包括河流网络提取、流域分割等；③投影变换及流域面积的获取。

1 DEM数据的获取

DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）作为基础数据直接影响着结果的精度，获取方法有很多，本次采用公开的DEM数据SRTM3，SRTM 全称是Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机雷达地形测绘使命，SRTM数据主要是由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量，其测量数据覆盖中国全境。SRTM数据每经纬度方格提供1个文件，精度有1 arc-second和3 arc-seconds两种，称作SRTM1和SRTM3,或者称作30m和90m数据，SRTM1文件包含3601×3601个采样点的高度数据，SRTM3文件里包含1201×1201个采样点的高度数据。目前能够免费获取中国境内的SRTM3文件，是90m的数据，每个90m的数据点是由9个30m的数据点算术平均得来的。

SRTM3数据包括一定坐标范围的数据，在实际应用研究中，根据研究区域的范围，首先需要对空间数据进行处理，如裁切、拼接等操作，以便获取需要的数据。本次下庙水库流域的绘制采用栅格数据裁切操作。

2 利用ARCGIS提取流域面积

2.1 无洼地DEM生成和汇流累积量计算

DEM是比较光滑的地形表面模型，但是由于DEM误差及一些真实地形（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM表面存在一些凹陷的区域。在进行水流方向计算时，由于这些区域的存在，往往得到不合理甚至错误的水流方向。因此在进行水流方向计算之前，首先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。

汇流累积量计算是基于水流方向数据，得到无洼地的DEM后，计算基于无洼地的水流方向，由水流方向数据得出汇流累积量。

2.2 河网的提取

河网的生成基于汇流累积量数据，首先利用Map Algebra工具集中的Multimate Map Output工具中的con命令得到栅格河网，再利用Hydrology工具集中的Stream to Feature工具获取矢量化的栅格河网。其中流域阈值是很重要的一个参数，流域阈值是指最小流域面积，小于这个流域面积的洼地都会被填平。

2.3 流域的分割

流域的分割主要步骤包括流域盆地的确定、汇水区出水口的确定和集水流域的生成。

流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域，利用Hydrology工具集中的Basin工具计算得到。

流域出口点数据为水库位置，本次在googleearth中查出水库位置坐标，将其加载到GIS中，利用Hydrology工具集中的Snap pour point工具寻找该点。然后利用Hydrology工具集中的Watershed工具生成集水流域。

3 投影变换及流域面积的获取

地图投影是将地图从球面转换到平面的数学变换，空间数据成图必须先进行地图投影。从网站上下载的SRTM数据坐标系统是1984 年世界大地坐标系WGS84，地球坐标需要转换为平面投影坐标。

鉴于工程对精度要求一般，为简便计算，选择的投影坐标为Projected Coordinate Systems中的UTM中的WGS1984，用公式纬度/6+31计算分带并选择，本次研究区处于50N分带中。

进行平面投影之后，在重生成的影像上点击鼠标右键，选择属性对话框Attribute，其中COUNT字段中的数值代表每类地物中所包含的像素个数，再乘以每个像素的面积得到影像图的面积；每个像素所代表的面积，在重分类后的影像上选择属性框properties，在弹出的layer properties窗口中选择Source选项栏，CellSize（X,Y）项的值为单元格大小信息。最后通过Field Calculator计算面积，并把计算出来的值存放到另外一个字段里，比如AREA 字段。本次计算得到下庙水库流域面积58.53km2。同时从5 万地形图勾绘得到流域面积58.41km2。两者对比，流域形状几乎一致，流域面积数值相差0.21%。