基于DEM和WMS的流域特征提取及应用

2014-04-13谢小华朱建平

江西水利科技 2014年2期

谢小华，朱建平

（江西省水文局，江西南昌 330002）

21世纪以来，随着计算机技术、遥感技术以及GIS技术的日益成熟，可以方便取得不同分辨率的数字高程模型（Digital Elevation Model，简称 DEM）数据，DEM蕴含有丰富的地形、地貌信息，利用一定的算法就可以从中提取河网水系等要素，并应用于流域洪水预报。目前，可用于提取流域水文信息的软件较多，如ArcGIS等，本研究将利用WMS系统，探讨流域特征的提取技术。

1 DEM原理和方法

1.1 基本原理

从DEM提取水系是根据坡面流模拟原理，即水总是沿斜坡方向流动的原理，从最陡坡度方向流动。首先确定DEM中每一个高程数据点的水流方向，计算出每一个高程数据点的上游集水区，结合上游集水区的高程数据，用阀值法确定属于水系的高程数据点，最后根据水流方向数据，从水系源头开始将整个水系追索出来，同时进行子流域的划分，并对子流域和河网进行编码，构建河网和子流域拓扑关系[1]，提取流域特征参数。其工作流程见图1。

1.2 DEM数据预处理

受DEM空间分辨率和DEM数据生成过程中误差的影响，DEM 中有时会在洼地（Sink）和突起（Pink），这些洼地和突起使得在计算水流方向时会出现水流逆流的情况，造成DEM中水流方向不正确，给水流线的跟踪和流域界线的确定带来困难，因此，首先要对地形中的洼地和突起进行处理，从而保证提取流域自然水系的连续性。

图1 DEM提取水系流程图

1.3 水流方向计算

地表径流在流域空间内总是从地势高处向地势低处流动，最后经流域出口排出流域。为了准确地划定流域界线，首先要确定水流在每个栅格单元格内的流动方向。一般采用传统的D8算法。

D8算法的基本原理：假设单个格网中的水流只有8种可能的流向，分别定义为东北、东、东南、南、西南、西、西北和北，并用 128、1、2、4、8、16 、32 和 64 这 8 个有效特征码表示，即流入与之相邻的8个格网中。它用最陡坡度法来确定水流的方向，计算中心格网与各相邻格网间的距离权落差，取距离权落差最大的格网为中心格网的流出格网，该方向即为中心格网的流向[2]。处理格网单元同相邻8个格网单元之间的坡度按下式计算：

式中：hi—处理栅格单元高程；

hj—相邻栅格单元高程；

D—两个栅格单元中心之间的距离。

1.4 汇流累积量计算

汇流累积量表示区域内的每个点的流水累积量，一个流域的汇流累积量计算是提取河流网络的前提和基础，流域内一个栅格的汇流量反映了其汇集水流能力的强弱程度。栅格的汇流累积量越大，表示能够流入的栅格数目越多，其汇流能力越强。在每个栅格点流向确定的基础上，通过计算汇聚到每个栅格点上的上游水流直接或间接流向该栅格点的栅格数目，就确定了该栅格点的上游集水面积，从而建立了水流汇集数据模型。具体说明建立一个5×5栅格数据模型（见图2），图中数据表示格网单元高程值，用上述水流流向计算的方法循环处理每个格网点，直到每个栅格点的水流流向都得到确定，这样整个栅格数据模型就建立起来了。

图2 栅格数据模型建立示例

1.5 流域河网生成

以设定的集水阀值为标准，每一个栅格的汇流累积量代表着能够注入该栅格所有单位水量的数量，当栅格的汇流累积量大于某一给定的阀值时，即定义为河道，其他定义为空。将各水道按有效水流方向连接产生流域河网，提取流域。

上述提取河网的过程在WMS系统中被定义为一个命令执行。

2 WMS概述

WMS（Watershed Modeling System，流域建模系统）是基于GIS的专业水文模拟处理软件，由美国Brigham Young大学环境模型研究实验室（EMRL）开发，提供水文模拟全过程的工具。包括流域、子流域的自动生成、几何参数的计算、水文参数（如汇流时间、流域坡度等）的计算等，并能实现模拟结果的可视化。

WMS可以使用矢量地图、DEM、TIN等格式的数据来进行地形分析和水文模拟。系统嵌入了多种传统的概念性水文模型，通过多个模块联合，WMS可以进行流域的降雨-径流、水土保持效果评估、城市下水道布局、洪水预报、水库设计等方面的研究[3]。其优点如下：

（1）WMS是完整的一体化流域解决方案，集GIS工具、基于网络的数据采集工具、地形数据输入与编辑工具、自动描绘集水区、水文建模等等；具有强大的前后处理、图形显示和可视化功能。

（2）支持大多数行业的水文标准，能够与 HECRAS、HEC-HMS等工具友好结合，其划分的流域信息可以导入RAS、HMS系统中应用。

（3）界面操作简单，成本费用低。

3 研究实例

3.1 研究流域概况

研究流域遂川江位于江西省吉安市遂川县，属赣江一级支流，流域面积2882 km2。流域地形以山地、丘陵为主，境内高山连绵起伏，沟谷纵横，区域内植被较好，森林覆盖率达70%。流域属中亚热带湿润季风区，雨量充沛，气候温和，年平均降水量1694 mm，是江西境内暴雨中心之一。

3.2 河网提取

本研究所采用数字高程模型（DEM），由90 m精度SRTM地形文件转换而来，使用Global Mapper软件导出（DEM见图3）。WMS河网提取步骤：

3.2.1 坐标系统转换

本文所采用DEM是WGS84地理坐标系，是用经纬度表示的椭球体坐标系，但在WMS中需将其转换为X、Y表示的平面直角坐标系，即UTM投影坐标系。

3.2.2 水流累积量设定

设置水流累积计算的集水阀值（Min Accumulation），河网的详细程度取决于该阀值的大小，当上游集水面积等于集水阀值的栅格点定义为河流的起始点，上游集水面积大于集水阀值栅格点定义为河流，WMS正是基于这个原理来定义河网，将汇流栅格中所有大于或等于集水阀值的栅格提取出来，即得到了河网。

3.2.3 河网生成

WMS通过地形参数化程序（TOPAZ）进行河网提取，地形参数化程序通过DEM预处理、流向计算、统计流水累积量等步骤进行。

3.2.4 流域提取

提取流域前需先设定流域出口点，以该出口点为终点向上游提取流域。WMS结合水流方向，统计该出口点上游所有流经该点的栅格，一直检索到流域边界，所有符合条件的栅格连接在一起就生成了流域。WMS中使用Create Outlet Point命令创建流域出口点，使用DEM菜单下勾画流域命令提取流域。

图3 遂川江流域数学高程模型

提取河网的详细程度可通过调节集水阀值来控制，阀值越小，提取的河网越细，阀值越大，河网越稀疏[4]。对比阀值为 5 km2、3 km2、2 km2和 1 km2提取的河网信息可知（见图4），阀值为5 km2，河网较稀疏，阀值为1 km2，河网太细，且提取了伪河道，而阀值为3 km2、2 km2时，两者的河网相差不大，但阀值为2 km2与实际河网更吻合。

3.3 流域特征参数提取

WMS可以自动计算出诸如流域面积、流域平均高程、坡度、比降等流域特征参数，通过与人工测量值相比（见表1），有些参数的误差较小，而有些误差则较大，考虑与测量方法、DEM数据精度等有关。流域面积提取值为2870 km2，与人工测量值仅相差-0.4%，表明提取的流域边界接近实际边界，两者分水岭基本重合。主河道长度、流域平均高程的误差稍大，尤其是主河道纵比降，是因为本DEM精度较低，流域地形发生坦化，地形特征值损失多，高程信息墒减少，河道起始点的空间位置发生变化，河道缩短，坡度变缓。

3 结语

（1）利用WMS的空间分析功能，基于DEM数据提取的河网信息与实际情况基本吻合，其精度与集水阀值的取值大小有明显关系，阀值越小，水系越细，阀值越大，水系越稀疏，对遂川江流域而言阀值采用2 km2较为合适。当阀值小于等于1 km2时，提取的河网中明显存在很多长度极短的河道，它们多是实际不存在的河道——伪河道，为解决这个问题，有学者提出指定最小河道长度阀值的方法，即给定一个最小河道长度阀值，当河道长度小于该阀值的就从网络中删除，大于等于阀值则予以保留[5]。

（2）本研究所采用DEM数据精度为90 m，分辨率较低，且其在自身生成过程中或存有系统误差，对提取的河网信息存在一定的影响，主要体现在栅格单元高程值的概化作用上，在地形复杂的地区作用表现的更为突出。研究表明，遂川江流域地形复杂，境内高山起伏，沟谷纵横，提取流域面积的误差相差甚小，仅为-0.4%，流域平均高程、流域长度次之，但主河道纵比降误差很大。流域平均高程提取值为519 m，反应该流域属海拔较高的山丘区，与实际情况接近；流域形状系数为 0.33，接近人工测量值 0.29，其值远小于 1，说明遂川江流域外形近似长条形，其结果与提取的水系图一致，径流上表现为水量集中较慢。

（3）基于DEM、WMS提取的河网信息、流域特征参数，可应用于水文预报模型，其提取方法在提高工作效率的同时不仅可以保证数据提取的精度，而且可以减低获取参数的成本，减少人力，方便快捷高效。同时，结合其他软件，如HEC-HMS等，为其提供模型支撑，在数字流域的建设、水资源管理等方面都具有重要的指导意义。