基于DEM的青海省西宁市地区河网流域特征自动提取

常周梅，胡建桥，张丽娟

(1.青海民族大学 建筑工程学院， 青海 西宁 810007；2.陇东学院 土木工程学院， 甘肃 庆阳 745000)



基于DEM的青海省西宁市地区河网流域特征自动提取

常周梅1，胡建桥2，张丽娟1

(1.青海民族大学 建筑工程学院， 青海 西宁 810007；2.陇东学院 土木工程学院， 甘肃 庆阳 745000)

为获得青海省西宁市地区的河网特征，应用ArcGIS10软件中的水文分析工具，基于美国联邦地质调查局(USGS)的SRTM3 DEM数字高程模型数据提取了研究区域水流流向、汇流累计量及河网水系等流域特征信息，进行了河网分级及子流域划分，并将提取结果与研究区遥感影像图进行对比。结果表明：基于DEM数据提取河网流域特征与实际自然水系的特征较为吻合，可作为一种流域水文分析的优良方法。研究结果可以为流域规划及流域综合治理提供参考。

DEM数据；ArcGIS软件；流域特征；流域划分

DEM是对地形表面进行描绘的一种数字高程模型，它能够以一定的分辨率和格式记录特定区域内地形的位置信息和高程信息，将局部地形特征反应出来[1]。DEM数据为流域地形及地物辨认的重要原始资料，它包含着较为丰富的地形、地貌及水文信息。利用特定的算法，可以从中提取出河网的流域特征要素。

ArcGIS软件可以进行地表径流模型的水流方向的提取、汇流累计量的计算、河流网络的生成及流域分割等工作[2]。本文应用ArcGIS10水文分析工具来进行DEM数据的预处理、计算水流方向和汇流累计量，从而提取流域河网，并进行了河网分级及子流域划分。研究结果可为西宁市内流域综合治理实践及理论研究提供技术支持及基础信息。

1　研究区概况

西宁是青海省省会，青藏高原第一大城市，是全省政治、经济、文化、教育、交通和通讯中心。西宁位于青海省东部，市区海拔2 261 m，年均蒸发量为1 363.6 mm，降水量为380 mm，年均日照为1 939.7 h，最低气温为-18.9℃，最高气温为34.6℃，年均气温为7.6℃，属高原高山寒温性气候[3]。

由于青海地处黄河、长江、澜沧江源头，境内河流纵横，而且河床陡峭，河谷狭窄，落差较大，蕴藏着丰富的水能资源。西宁地下水和地表水资源非常丰富，其湟水河贯通于整个市区，自产地下水资源量为6.98亿m3，地表水资源量为7.01亿m3，水资源总量为13.99亿m3[4]。

2　材料与方法

利用ArcGIS10水文分析工具提取流域特征主要包括以下几个步骤：原始数据获取、无洼地生成、水流流向分析、水流汇流分析、河网提取、水流连接、河网分级及子流域划分。

2.1DEM基础数据的获取

研究区的DEM原始数据采用美国联邦SRTM3数据，该数据覆盖范围较广，面向普通公众开放[5]。本文SRTM数据从中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://www.gscloud.cn)获取，设定空间范围为青海省西宁市，下载得到研究区域DEM数据。

2.2流域特征提取

2.2.1无洼地DEM生成

由于测量误差的存在，SRTM DEM数据往往含有丢失数据的洼地。所谓“洼地”现象即为栅格的高程值小于其周围相邻的所有栅格的高程[6]。洼地的存在可导致无法确定栅格水流流向，获得的水系通道不连续，因此须填充洼地，使洼地作为斜坡延伸的部分，从而可以保障获得的水系是连续不断的。ArcGIS软件中的填充操作可以使四周点的最小高程与凹陷点的高程相等，进而可以使无洼地DEM生成。

2.2.2流向分析

流向分析的目的是明确每个单元的水流聚集点和水流方向。在DEM栅格图像中，某个网格的水流方向是指水流离开该网格的指向。流向分析建立在3×3的DEM格网上，采用单流向法中的“D8”算法确定水流方向。该算法是假设各栅格的水流只能流入与其相邻的8个栅格中，应用最陡坡度法将水流方向确定，在3×3的栅格上，可以求出相邻栅格与中心栅格的距离权落差，并确定中心栅格的流向为中心栅格至距离权落差值最大栅格的方向[7]。“D8”算法水流方向的编码如图1所示。

图1水流流向编码

2.2.3汇流分析

为确定水流路径，须进行汇流分析。每个汇流栅格单元的值为汇流区上游流入此单元的栅格总数，即为汇入此单元流入的路径数[8]。每个DEM点处都有一个单位水量，按照水流方向由高处流向低处的自然规律，依据区域的流向栅格，可以计算出各个点的水量值，从而得到该区域的汇流栅格。

2.2.4生成流域河网

河网即是河流网络，依据汇流栅格图，便可以生成流域河网。当汇流量逐渐增大到一定值时，地表水流就会产生，给定阈值小于汇流量的栅格即为水流路径，由这些路径所构成的网络即为河网[9]。

在河网提取步骤中比较重要的是阈值设定，其对于河网的提取结果有直接的影响作用[10]。在阈值设定过程中，应依照合理科学的原则，通过多次实验，利用区域原始影像图等辅助检验确定适合区域条件的阈值[11]。

栅格河网生成后，应用“Stream to Feature”工具，将其作为输入数据，得到矢量河网。利用Editor工具，将伪沟谷删除，对矢量河网作平滑处理。

2.3生成河流连接

通过Stream link计算，对河流网络进行分段。Stream link记录河网的信息，汇合点或出水点的结点与它的每条弧段相连接。依据Stream link的计算结果，能够得到各弧段的起始点和终止点，并确定区域的出水点，为流域分析奠定数据基础。

2.4河网分级

河网分级是对一个线性的河流网络进行分级别的数字标识[12]。Shreve分级和Strahler分级为ArcGIS进行水文分析过程中两种常用的分级方法[13]。这两种方法中，始终将1级分配给上游河段。两者的主要不同之处为Shreve分级方法为在各支流汇合后，其下一级等级是上一级各个支流等级相加得到的结果。而Strahler方法是只有在级别一样的河段交汇时，河网级别才会提升，在级别不一样的两条支流汇合时，下一级河段的级别不增加，而保留上一级别中的最大级别。Shreve和Strahler河网分级方法示意图见图2。

图2河网分级方法

2.5子流域分割

为了减少大尺度空间上不同因素差异导致的误差，需要从大的流域中分解出子流域[14]，即流域分割，流域分割要将子流域的出水口位置确定。本文利用河流连接数据作为流域的出水口数据，分析上游出水点流过出水口的栅格，确定集水区栅格的位置，即搜索到流域边界，从而实现子流域的划分。

ArcGIS中，使用Watershed工具来进行流域分割操作。

3　结果与分析

从中国科学院镜像站点下载青海省西宁市的DEM栅格数据，加载到ArcGIS10软件中，用Fill工具对其进行填充操作，得到无洼地的DEM数据(见图3)。应用Flow Direction工具，利用已生成的无洼地的DEM数据生成研究区水流方向图(见图4)。应用Flow Accumulation工具，依据流向栅格数据，得到流域的汇水量栅格图。

图3无洼地的DEM

运用ArcGIS的Raster Calculator计算工具，并给定阈值，将给定阈值与栅格中的汇流积累量比较，大于给定阈值时，将栅格赋值为1，小于等于给定阈值时，将栅格赋值为NODATA[15]。依照有效的水流方向将各个水道生成河网。

图4水流方向

利用生成的汇流栅格图，本文分别设定生成河网的阈值为500、1000、1500，生成河网后对其进行矢量化、去除伪沟谷及平滑处理(结果见图5～图7)。

图5　阈值为500时河网水系图

图6阈值为1000时河网水系图

从提取结果可看出，设定的阈值越大，提取的河网就越稀疏；设定阈值越小，提取的河网就越稠密，河道的起始点越向上游延伸。经与研究区在Google Earth上的遥感影像图对比，阈值为1000时，得到的空间分布及河网走势与实际情况最为吻合，因此选取阈值为1000时得到的河网水系作为本研究区河网提取成果。

图7阈值为1500时河网水系图

以流向栅格数据及阈值为1000的河网栅格数据为基础，使用Stram Link工具对河流连接进行计算，栅格河网被分成不包含汇合点的栅格河网片段，矢量化后将结果图的局部区域放大效果见图8。

图8河流连接计算局部结果

应用Stream Order工具，分别采用Strahler及Shreve河网分级法对阈值为1000的栅格河网进行分级，所生成的河流分级网络局部成果(研究流域左上端部位)见图9和图10。从分级结果中可看出，西宁市全流域的河网按Strahler法可分为5级，按Shreve法可分为280级，图9及图10所示局部范围内，按Strahler法可分到第3级，按Shreve法可分到第14级。

以流向栅格数据及河流连接数据为基础，应用Watershed工具来进行流域分割操作，为更好表现流域分割效果，将分割结果与前文获得的流域矢量河网同时显示，见图11。由结果可知，研究区划分了588个子流域，其个数与河网基本一致，且呈一一对应关系。

图9　Strahler法的河网分级局部结果

图10　Shreve法的河网分级局部结果

图11子流域划分结果

4　结　论

(1) 使用ArcGIS10中的水文分析工具成功地完成了青海省西宁市境河流网络流域特征的提取、河网分级及子流域划分等工作。并依据实际数据验证，得到依据DEM河网流域提取的特征信息可作为水文分析的基础数据，且可以保证提取数据的精度，降低数据获取的成本。

(2) 流域阈值的设定对提取流域河网有明显的影响。阈值不同，提取的河网将不同，河网随着阈值的增大而稀疏，随着阈值的减小而稠密。如何更加准确的使自然水系与提取结果相符还有待深入研究。

[1]谭海洋.基于ArcView的流域河网特征自动提取[J].科学技术与工程,2013,13(29):8551-8554.

[2]蒋甜,陈端吕.基于DEM的河网水系分形特征研究——以常德市桃源县为例[J].中国农学通报,2013,29(2):166-171.

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[6]牟乃夏,刘宝文,王海银，等.ArcGIS10地理信息系统教程——从初学到精通[M].北京:测绘出版社,2012:474-476.

[7]李景星.基于DEM的黄土区河网水系特征研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2012:23-24.

[8]杨松,王山东,卓中文,等.基于数字化水系修正DEM提取流域河网研究[J].水利与建筑工程学报,2013,11(2):123-126.

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Automatic Extraction of Stream Network and River Basin Characteristics Based on DEM in Xining City of Qinghai Province

CHANG Zhoumei1，HU Jianqiao2，ZHANG Lijuan1

(1.QinghaiUniversityforNationalities,SchoolofArchitecturalEngineering，Xining,Qinghai810007,China; 2.SchoolofCivilEngineering,LongdongUniversity,Qingyang,Gansu745000,China)

In order to obtain the stream network and its characteristics of Xining city in Qinghai province, ArcGIS10 hydrological analysis software was applied in this research. Flow direction，flow accumulation and river system of stream network were extracted based on the SRTM3 DEM data, and river network classification and the sub-watershed were also proceeded. The results were compared with the remote sensing image, and it showed that river basin characteristics of stream network agreed well with the practical water system. This research can provide reference for comprehensive river basin planning and treatment.

DEM data； ArcGIS software； basin characteristics； basin delineation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.007

2016-03-17

2016-04-15

青海民族大学校级理工自然科学青年项目(2015XJZ22)；庆阳市科技局青年科技基金项目(ZJ2014-08)；西峰区科技局科研基金项目(2013-8)

常周梅(1987—)，女，甘肃白银人，硕士，助教，主要从事水资源与水环境方面的工作。 E-mail：changzmm@163.com。

P208

A

1672—1144(2016)04—0031—05