DEM分辨率对小流域地形水文特征提取的影响

2015-03-28萨出拉刘万青

测绘工程 2015年5期

萨出拉，刘万青

（西北大学城市与环境学院，陕西西安710127）

数字高程模型（DEM）是目前应用最广泛的基础数据，对其研究也较广泛。由DEM可提取地形因子，如坡度、坡向、曲率、沟沿线、山脊线、沟谷线、正负地形等等，也可进行水文分析，提取水文特征，故被广泛应用于水文领域。DEM分辨率会对上述因子提取产生影响［1－8］，国内外学者在DEM 分辨率对流域特征提取的影响方面进行了许多研究［9－13］。然而，以往研究主要集中于流域面积、河流长度和河网密度、流域坡度、高程和地面坡度等信息的提取方面，所选择的研究区小流域面积差异较大，造成研究结果无法横向比较，尤其缺乏针对黄土丘陵沟壑区典型小流域进行的专门分析。本文针对DEM分辨率对黄土丘陵沟壑区典型小流域地形与水文特征提取结果的影响程度进行探讨，讨论重点包括地面坡度、坡向以及沟谷网络和河道分级等地形水文特征参数。

1 数据和方法

1．1 研究区概况

本文选取位于陕西省绥德县的韭园沟小流域作为研究区，流域面积70 k m2，海拔828～1 200 m，沟壑密度为5．34 k m／k m2。流域内梁峁起伏、沟壑纵横、土地贫瘠、地形破碎，属黄土丘陵沟壑区第一副区，如图1所示。该流域属半干旱大陆性气候，多年平均气温8℃，无霜期150～190 d，多年平均降雨量为475．1 mm，降雨年际变化大，年内分配极不均匀，7～9月降雨量占年降雨量的64．4%，且多以暴雨形式出现。

1．2 DEM数据来源

研究区高程数据来自于1∶10 000地形图（等高距5 m 运用Arc GIS软件采集等高线和高程点，以此构建不规则三角网（TIN），然后以TIN为基础，采用最邻近插值法生成5 m，10 m，15 m、20 m，25 m，30 m，35 m，40 m，45 m，50 m，55 m，60 m 共计12个不同分辨率的DEM。

图1 韭园沟流域5 m分辨率DEM

1．3 流域特征参数计算

流域地形特征参数由Arc GIS 9．3表面分析工具计算得到。流域水文特征参数由Arc GIS 9．3中的流域分析工具计算得到。将5～60 m分辨率的12种DEM数据导入Arc GIS，并使用Hydr ology水文分析工具进行计算，经由DEM预处理（填洼）、计算水流方向和上游集水面积，经反复试验确定集水面积阈值生成河流网络；将生成的河流网络按Strahler分级方法进行分级，并计算各级别河道长度；进而利用Arc GIS统计分析和Excel分析计算最终得到流域水文特征参数。

2 结果分析

2．1 DEM分辨率对流域地形表达与特征提取的影响

2．1．1 DEM分辨率对流域地形表达（高程值）的影响

表1为韭园沟流域不同分辨率DEM的高程值的统计结果。由表1可知，DEM分辨率对流域最小高程没有影响，对最大高程、平均高程影响较小，而高程标准差所呈现的减小趋势，表明随着DEM水平分辨率降低，栅格间高程变化幅度减小，流域内地形被简化。

2．1．2 DEM分辨率对流域坡度的影响

坡度是描述地形特征信息的重要指标之一。本文主要分析随DEM分辨率变化，流域内坡度最大值、平均值和标准差等基本统计值和坡度分布的变化情况。图2显示经分析计算获得的韭园沟流域坡度最大值、平均值和标准差等统计指标随DEM分辨率的变化情况。

表1 不同分辨率DEM的高程参数统计表

由图2可见，随着DEM分辨率的降低，流域最大坡度和平均坡度均呈下降趋势。坡度最大降幅达13．54%，平均降幅5．95%，降幅标准差0．032；平均坡度最大降幅5．34%，平均降幅5．12%，降幅标准差0．003。同时，栅格单元坡度标准差也随DEM分辨率的降低而呈下降趋势，平均降幅4．43%，表明DEM分辨率降低使得坡度范围减小，相邻栅格坡度的变率也减小。

图2 坡度各项统计值随DEM分辨率的变化趋势

DEM分辨率变化对各级坡度分布也有影响，本文将坡度按两种分类方法进行分级统计并绘制出各级别坡度分布图和累积曲线，如图3所示。

1）按照土壤侵蚀为临界指标的地面坡度分级：0°～3°，3°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，35°～45°，45°～90°；

2）按等间隔分级；将流域内坡度按3°间隔划分为30个级别，横轴为坡度分级，纵轴为坡度统计百分比，绘制坡度累积曲线见图3。

图3 坡度分布图及坡度累积曲线

由图3可知，随着DEM分辨率降低，小于25°的坡度比例呈上升趋势，25°～35°的坡度呈先上升后下降趋势，而大于35°的坡度呈下降趋势。随着DEM分辨率降低，坡度累积曲线向左上方移动，表明陡坡所占面积减少，缓坡所占面积相对增加。2．1．3 DEM分辨率对流域坡向的影响

坡向是描述地形特征信息的重要指标之一，本文主要分析随DEM分辨率变化，流域内坡向最大值、平均值和标准差等基本统计值和坡向分布的变化情况。将坡向划分为9类：北（337．5°～22．5°）、东北（22．5°～67．5°）、东（67．5°～112．5°）、东南（112．5°～157．5°）、南（157．5°～202．5°）、西南（202．5°～247．5°）、西（247．5°～292．5°）和西北（292．5°～337．5°），分析其随着 DEM 分辨率变化的分布趋势，如图4所示。

图4 坡向各项统计值变化趋势图及坡向分布图

由图4可知，DEM分辨率对流域坡向影响不大，坡向最大值随分辨率几乎没有变化，而平均值则随分辨率呈现连续、缓慢上升趋势，最大升幅1．35%，平均升幅0．38%，升幅标准差0．003，表明流域坡向平均值随DEM分辨率变化微小。坡向在不同分辨率DEM中的分布同样并无明显变化。

2．2 DEM分辨率对流域水文特征表达与提取的影响

2．2．1 DEM分辨率对流域面积统计结果的影响

流域面积是指流域周围分水线与河口（坝、闸址）断面之间所包围的面积，一般指地表水的集水面积。本文流域面积计算方法为栅格数目与单个栅格面积相乘。不同分辨率DEM提取的流域面积变化情况如图5所示。

图5 流域面积变化曲线

由面积计算结果统计可知，流域面积平均值为69．13 k m2，标准差为0．02 k m2。由图5可知，DEM水平分辨率对流域面积的影响不大，并且变化无规律。因为随着栅格格网的增大，流域边界处有所变化，但这种变化是微小的，对整个流域的面积影响甚小。而且这种影响并没有规律，边界处因格网大小的不同，其格网数目会有所不同，导致流域面积有微小的变化。

2．2．2 DEM分辨率对河道长度和河网密度提取结果的影响

基于不同分辨率DEM，利用Hydr ology工具提取河网水系。为了方便比较不同分辨率DEM提取河网结果，本文将最小集水面积阈值统一设定为1 000像素。图6显示了不同分辨率DEM提取的总河道长度和河网密度变化趋势。

由图6可知，提取的河道总长度随着DEM分辨率降低呈现下降趋势，起初下降幅度较大为47．24%，标准差达0．12；自25 m分辨率之后，变化幅度趋于平缓，标准差为0．04。Arc GIS水文分析工具生成河道过程中，引用了集水单元数目阈值的概念，即超过一定阈值的汇流单元才作为组成河道的节点，这个阈值即为像素单元数目。对于不同分辨率DEM，因栅格格网大小不一，采用相同的阈值提取河道，河道的节点数目随着DEM分辨率降低而减少，以至河道长度相应地减小。另外，随着DEM格网变大，水文分析工具生成的栅格河道在转化为矢量河道时，其长度也会受到影响。

图6 河道长度与河网密度变化曲线

河网密度是单位面积内的水道总长度，也就是流域面积与流域水道总长度之比值；它与流域面积和河道总长度相关，本文提到过流域面积随DEM分辨率变化不大，趋于平缓，因此河网密度随DEM分辨率变化趋势应与河道总长度变化情况相一致。

2．2．3 DEM分辨率对流域河道分级结果的影响

任何一个天然河网，都由大小不等的，各式各样的水道联合组成。Arc GIS水文分析工具提供了Strahler分级和Shreve分级两种水道分级方法。本文采用Strahler分级方法对不同分辨率DEM提取的河网进行分级，将韭园沟流域河道分为五级。图7显示了不同分辨率DEM提取的河道分级及各级别河道长度的变化情况。

由图7可知，只有5 m分辨率DEM提取的河道中有一级河道，5 m、10 m和15 m DEM提取的河道有二级河道，而从50 m DEM开始就只有四级和五级河道（为方便比较，河道级别按照5 m DEM提取的河道命名，比如60 m DEM提取的河道只有两级，将其认为是高级别的河道）。因DEM分辨率降低，流域内地形被简化，小于DEM分辨率的河道被淹没，以至河道总长度随着DEM分辨率降低而减少。

图7 各级别河道分布情况

最高级别河道长度也随DEM分辨率变化而变化，DEM分辨率较高时，比如5 m和10 m时，流域内较细小的指尖状枝流沟道都能被表示出来，因而一级河道数量较多，且均匀分布于整个流域，因此按照Strahler分级方法分级时，最高级别河道长度较长。而随着DEM分辨率降低，小于DEM分辨率的顶端末梢部分被淹没，河道分级时低级河道数目变少，导致高级别河道数量和长度随之减少。