胖头泡蓄滞洪区水文地貌关系正确的DEM建立

廖晓玉，王剑峰,刘媛媛

（水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

胖头泡蓄滞洪区水文地貌关系正确的DEM建立

廖晓玉，王剑峰,刘媛媛

（水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

开展胖头泡蓄滞洪区空间地形数据采集，形成一套完整、准确的蓄滞洪区数字高程模型（DEM），将为蓄滞洪区建设、管理和调度决策提供可靠的信息依据与技术支撑。文中利用1∶5万数字地形图，进行地形数据采集与编辑检查，建立了水文地貌关系正确的DEM，并对其质量进行了评价。研究结果表明，基于水文地貌关系正确建立的DEM质量较高，能更加准确、真实地反映地形形态和地貌与水文关系，精度满足标准规范的要求。

数字高程模型；水文地貌关系；胖头泡；ANUDEM算法

胖头泡蓄滞洪区是国务院批复的《松花江流域防洪规划》中确定的骨干调蓄工程，是松花江流域防洪工程体系的重要组成部分。蓄滞洪区地形基础信息，在蓄滞洪区防洪工程建设、安全设施建设、居民避洪安置等方面发挥着基础性、支撑性作用，因此，迫切需要开展胖头泡蓄滞洪区数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM)建设。数字高程模型，由规则间隔地面点的抽样高程矩阵组成，存储地面高程和地表起伏形态特征信息。国内常用的DEM建立方法是采集高程信息（等高线、高程点等）通过构建不规则三角网（Triangle Irregular Network，TIN）生成DEM。这种方法简单易用，通过加入高程骨架点及特征线可提高精度，但无法全面体现水文地貌信息。由Hutchinson提出的ANUDEM算法，利用等高线、高程点、河流等基本地形信息，通过插值生成DEM。该方法可全部或部分清除地形伪下陷点，合理表现地表高程的连续与突变，强调坡向转折（流域边界线和沟底线），保证流水线的连续性和流域边界的准确等，被称为一种水文地貌关系正确(Hydologically Correct)的DEM建立方法。与普通DEM相比，更准确地表现水文地貌特征，其提取的河流网络、流域边界及坡度等参数，准确性和精度更高。此方法在国外受到广泛关注，近年来国内也开始对其研究应用。下文利用数字化地形图，采用ANUDEM算法，建立胖头泡蓄滞洪区水文地貌关系正确的DEM，为蓄滞洪区建设、管理和调度决策提供可靠的信息依据与技术支撑。

1 数据基础与研究方法

1.1 研究区与数据基础

胖头泡蓄滞洪区位于嫩江、松花江干流的左岸，肇源县的西北部。东边线南起古恰闸，沿库里泡泄洪渠道的右侧堤防向北至仁和堡桥，沿林肇公路南线至大兴乡，向北至葡萄花，折向西与铁路交叉后与南引堤坝相接，沿南引堤绕到古龙镇河南村，向西与嫩干立陡山段堤防末端相接，再沿嫩江左岸，经永胜村、巴彦村至老龙口（进水口），再沿嫩干左岸堤防，经卧龙岱、二段、西北岔、勒勒营子到老坎子（出水口），最后到古恰闸闭合，蓄滞区面积为1 994 km2。

此研究采用的数据是胖头泡蓄滞洪区1∶5万数字地形图（等高距为5 m），共20幅。采集的高程信息包括胖头泡蓄滞洪区的控制点、等高线和地表高程注记点，以及湖泊、水库、双线河渠等面状水域的水岸线，地貌特征线等要素。平面坐标为CGCS2000，高斯正形投影3°分带，中央子午线123°，高程基准采用1985国家高程基准。

1.2 DEM建立方法

对采集的地形数据进行编辑检查，消除定位错误、拓扑错误、图层错误、属性错误等。相邻图幅之间进行要素的图形与属性接边，做到位置正确、形态合理、属性一致。

对编辑好的地形数据利用ANUDEM算法插值生成DEM。ANUDEM插值法采用迭代有限微分内插技术，通过对薄板样条插值法中糙度补偿函数的合理修改，并将剖面曲率也作为一个糙度补偿函数引入来增强DEM的局部地形适应性，使生成DEM表面光滑且能真实地表现地形起伏状况。

1.3 DEM质量评价方法

根据技术规范，以地形图数字化方法生成的数字高程模型，其格网点高程中误差应不大于相应比例尺地形图的2/3等高距。DEM的质量一般包含数据的完整性和一致性、位置精度、属性精度、现势性等。目前，常用的方法是通过人机交互进行等高线叠加分析、DEM地形表现的对比分析、检验点法分析等。将水文地貌关系正确生成的DEM与由TIN生产的DEM分别提取派生等高线、生成光照模拟等要素，对比分析其对地形形态和起伏表现能力的差异。

2 DEM建立与质量评价

2.1 DEM建立

将编辑检查好的等高线、高程点、河流、湖泊、地貌特征线等要素，利用专业软件，按5 m的格网间距，采用ANUDEM算法内插DEM，结果以ESRI grid格式存储，并制作元数据。

图1 胖头泡蓄滞洪区DEM建立

2.2 DEM质量评价

2.2.1 等高线叠加分析

将水文地貌关系正确生成的DEM（简称Hc-DEM）和由TIN内插生成的DEM（简称TINDEM）按5m等高距分别提取派生等高线，并与数字化地形图中的原始等高线叠加比较。从图2可以看出，由TIN-DEM派生的等高线与原始等高线的趋势基本一致，但是有许多地方会出现直角、平顶现象，等高线不平滑；由Hc-DEM派生的等高线与原始等高线弯曲趋势一致，位置基本重叠，符合度较高，较好地反映了地形的起伏变化。由Hc-DEM计算的派生等高线总长为9 223.13 km，密度为 1.92 km/km2，与原始等高线密度（1.93 km/km2）接近，而由TIN-DEM计算的派生等高线密度为1.30 km/km2。说明水文地貌关系正确的DEM基本保留了输入地形数据的信息，可以确保地形形态的正确表现。

图2 派生等高线与原始等高线比较

3.2.2 DEM地形表现的对比分析

将Hc-DEM和TIN-DEM建立光照模拟图进行对比分析（图3），可以看出水文地貌关系正确的DEM表面变化连续自然，较TIN-DEM插值结构有很大改善，特别是山坡、沟道地形较为圆滑，不存在平三角现象，更真实地反映了地形起伏的形态。

图3 DEM光照模拟对比

3.2.2 检验点法

选择79个控制点作为检验点，在DEM上采集相同控制点的高程值，利用中误差计算公式（1）进行误差检验。

式中：M为成果中误差，n为检测点数量，△i为较差。

通过统计，水文地貌关系正确的DEM结果中误差为2.16 m，精度符合标准规范的要求。

3 结语

此研究利用胖头泡蓄滞洪区1∶5万地形图建立了分辨率为5 m的水文地貌关系正确的DEM，通过等高线叠加分析、DEM对地形表现的对比分析、误差检验等方法进行质量评价。评价结果显示，胖头泡蓄滞洪区水文地貌关系正确的DEM精度较高，与由TIN内插得到的DEM相比，能更准确地反映原始数据中所包含的各种地形信息，可正确的表达地表地形形态与流水汇集之间的关系，是一种正确反映了地表水文地貌特征的高精度DEM。研究成果将为胖头泡蓄滞洪区建设、管理和调度决策提供可靠的信息依据，为提升蓄滞洪区运用及管理水平，实现科学有效管理及规范化建设提供支撑。［参考文献］

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1002－0624（2016）09－0056－03

P208.2

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2016-04-06