利用不同数字高程模型的水系提取对比分析

李宗梅，魏锦旺，满　旺，孙凤琴，黄于同

(厦门理工学院计算机与信息工程学院，福建 厦门 361024)



利用不同数字高程模型的水系提取对比分析

李宗梅，魏锦旺，满旺，孙凤琴，黄于同

(厦门理工学院计算机与信息工程学院，福建 厦门 361024)

水系提取是研究流域水文的基础，基于单流向算法(D8)，选取SRTM DEM与ASTER GDEM两种高程数据提取水系，试验得出SRTM的汇流累积量阈值为10 000(栅格)，GDEM的汇流累积量阈值设定为90 000(栅格).分别用两种DEM合适阈值提取的水系结果对比分析，并利用实际河网和遥感影像进行验证，结果表明：利用SRTM DEM提取大范围水系的精度和效率较高.相对于平坦地区，地形起伏大的地区精度更高.可用于指导水系提取时数据源的选取.

水系提取；数字高程模型；单流向算法

DEM作为一种独立的产品应用越来越广泛，对数据产品的评价也做了相应的研究[1].水系分布作为地理研究的基础数据，在科研工作中起着重要的作用，但目前水系主要是地形图和水系图纸，这制约着科学研究的发展，因此快速精确的自动提取水系是非常重要的.目前基于DEM数据提取水系的方法简单快速[2].

利用DEM提取流域水系主要由DEM数据来处理和加入一些辅助数据进行处理.提取过程中最重要的是确定水流方向，其算法主要分为单流向算法和多流向算法[3].单流向算法简单，易于操作，效率较高[4].多流向算法方法较复杂，效率低[5].单流向算法主要有O'Callagham等[6]提出的D8算法、Lea[7]提出的Lea方法、Fairefield等[8]提出的Rh08方法等.目前应用最多的是D8算法.

目前DEM数据源较多，利用不同数据源提取水系的研究较多[9].但比较不同数据源提取水系结果的研究较少.研究表明DEM的尺度和分辨率不同，对流域提取特征具有不同的精度[10].有研究在河网提取和流域划分方面比较不同DEM数据源的效果分析，结果表明SRTM3-2、ASTER GDEM提取的数字河网改善明显，HYDRO1K提取的流域边界与实际边界基本吻合[11].

本文基于单流向算法(D8)，选取SRTM DEM与ASTER GDEM两种高程数据，分析两种DEM水系提取的结果，并与实际河网和遥感影像对比验证，可用于指导水系提取时数据源的选取.

1　数据与方法

1.1数据

1.1.1ASTER GDEM(第二版)

ASTER GDEM(第二版)，是2009年6月30日美国太空总署(NASA)和日本经济产业省(METI)联合发布，是根据 NASA的新一代对地观测卫星Terra的详尽观测结果制作完成的，空间分辨率30 m.通过23幅影像拼接，然后利用福建省省界进行裁剪而得的福建省GDEM数据，如图1(a).1.1.2SRTM 3

SRTM 3数据是美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量而得，SRTM地形数据按精度可以分为SRTM1和SRTM3，分辨率精度分别为30 m和90 m.目前公开的是90 m分辨率的数据SRTM3，修订版本为V4.1版.该版本是由CIAT(国际热带农业中心)利用新的插值算法得到的SRTM地形数据，此方法更好地填补了90 m分辨率的SRTM数据空洞.通过3幅影像拼接，然后利用福建省省界进行裁剪而得的福建省SRTM3数据，如图1(b).

1.1.3福建省水系

依据2006年福建省农业区划研究所编制的福建省水系资料进行数字化(图1c)，用于提取河网时所涉及的汇流累积量阈值设定作参照.

1.1.4 TM遥感影像

将2006年福建省90 m分辨率TM遥感影像(图1d)，用于对提取的河网精度分析时作参考.

1.2方法

D8算法的基本思想是：在3×3的栅格窗口中，计算出中心格网c 与邻域八格网i(i=1,2,…，8)之间的距离权落差P，确定流向为具有最大P值的邻域格网方向[10].计算公式为

(1)

综上所述，从当前道路交通运输行业发展实际来说，安全事故频发，阻碍着其发展。对于此问题，要从当前运输安全管理实际出发，结合存在的问题，采取相应的完善和改进措施，提高安全管理水平，减少安全事故的发生。

1.3技术路线图

目前，ARCGIS软件是利用DEM进行流域分析的主流工具，它含有独立的水文分析模块，能用于河网和地形的提取及分析，实现地形模型可视化.一般，利用该模块提取河网的技术流程主要分为五步，分别为DEM填洼处理、D8流向计算、汇流累积量计算、设定阈值生成河网、河网矢量化(图3).

2　结果与讨论

2.1基于DEM提取河网

不同尺度下的DEM数据每个栅格所代表的集水面积是不一样的，对于GDEM来说，其分辨率为30 m，那么每个栅格的集水面积为30×30=900 m2；同理，90 m分辨率的SRTM每个栅格所代表的集水面积为90×90=8 100 m2.

对汇流累积量设定的阈值越大，提取出的河网就会越粗，可能只能提取出河流的主干；相反的，设定的阈值越小，提取出的河网分级也就会越多，但这也可能提取出现实中不存在的支流.所以，设定合适的阈值才能提取出与实际符合的河网，这就需要借助其他辅助数据进行检验，本文利用福建省实际数字化水系、校正后的2006年福建省90 m分辨率TM遥感影像作为辅助数据.通过反复试验得出，汇流累积量阈值设定为90 000(栅格)时，生成的河网与实际河网较为符合，并且，再增加或减少一些阈值的大小对河网密度影响很小，故以该河网作为GDEM最终提取的河网.GDEM数据90 000个栅格所代表的集水面积为90 000×900 m2=81 km2，在SRTM数据中，一个栅格代表的面积为8 100 m2，因此，设定10 000(栅格)作为SRTM的汇流累积量阈值.同理，得到利用SRTM数据提取的最终河网(图4a和4b).

2.2不同DEM水系提取的精度分析

2.2.1两种DEM提取的水系的对比

通过分析得出，在福建省进行大范围山区区域的河网提取，两种不同精度的DEM提取的河网基本相符，因此90 m分辨率已经满足了提取要求.另外，这些河网有偏差的区域，其地势平坦，说明这两种DEM数据主要在平坦区域有较大差异.

2.2.2用DEM提取的水系与遥感图像对比

将两种DEM提取的河网，与2006年福建省90 m分辨率TM遥感影像作比较，来进行两种DEM提取的水系精度对比(图5).在上述研究中得知，基于SRTM提取的河网和GDEM提取的河网偏差主要在东南沿海区域，现只需对比该区域河网与遥感图的匹配程度.SRTM提取的河网(图5a中红色)与遥感图对比(图5b)，GDEM提取的河网(图5c中白色)与遥感图对比(图5d).通过图5的对比分析得出，SRTM提取的河网更逼近于实际河流.表明利用SRTM数据提取的河网优于GDEM数据.

虽然SRTM提取的河网更逼近于实际真实河流，但是与实际水系还是存在较多差异，尤其是在平坦区域.在提取平坦区域的河网时，出现了偏离真实河道、未产生河网等情况，说明利用单纯DEM提取河网有局限性.

3　结语

以福建省为实验样区，利用SRTM DEM与ASTER GDEM两种高程数据，基于D8单流向算法，对比分析了不同DEM下水系提取的结果.结果表明SRTM数据和ASTER GDEM数据都可以用于提取福建省大范围地区的河网提取，经过与实际河网对比，GDEM的汇流累积量阈值设定为90 000(栅格)，SRTM的汇流累积量阈值为10 000(栅格)；相对于ASTER GDEM数据来说，SRTM数据效率更高；与实际水系和遥感图像对比发现，采用基于SRTM数据提取的河网更逼近于真实河流，其质量优于GDEM数据.

虽然SRTM提取的河网更逼近于实际真实河流，但与实际水系还是存在较多差异，尤其是在平坦区域.平坦地区由于高程差距较小，会产生伪河道现象，或者无法提取水系的情况.这说明在平坦地区利用单纯DEM提取河网有局限性，在以后的研究中需要更多的支持数据，来修正提取的水系.福建省多山，地形平坦地区较少，误差较少，选用SRTM数据适合于福建省的水系提取.

[1]李爽,姚静.数字地形模型数据产品特点与评估分析[J].地理科学进展,2005,24(6):99-108.

[2]叶爱中,夏军,王纲胜,等.基于数字高程模型的河网提取及子流域生成[J].水利学报,2005,36(5):531-537.

[3]秦承志,朱阿兴,李宝林,等.基于栅格 DEM 的多流向算法述评[J].地学前缘,2006,13(3):91-98.

[4]陈加兵,励惠国,郑达贤,等.基于 DEM 的福建省小流域划分研究[J].地球信息科学学报,2012,9(2):74-77,95.

[5]胡璐锦,王亮,陶坤旺.单流向算法与多流向算法下土壤侵蚀因子的比较研究[J].测绘科学,2014,39(6):35-39.

[6]O’CALLAGHAN J F,MARK D M.The extraction of drainage networks from digital elevation data[J].Computer Vision Graphics and Image Processing,1984,27(3):323-344.

[7]LEA N L.An aspect driven kinematic routing algorithm in overland flow:Hydraulics and erosion mechanics[G].New York:Chapman and Hall,1992.

[8]FAIRFIELD J,LEYMARIE P.Drainage networks from grid digital elevation models[J].Water Resources Research, 2010,27(5):709-717.

[9]刘远,周买春,陈芷菁,等.基于不同 DEM 数据源的数字河网提取对比分析[J].地理科学,2012,32(9):1 112-1 118.

[10]王培法.栅格 DEM 的尺度与水平分辨率对流域特征提取的分析：以黄土岭流域为例[J].江西师范大学学报(自然科学版),2004,28(6):549-554.

[11]曾红伟,李丽娟,柳玉梅,等.Arc Hydro Tools 及多源 DEM 提取河网与精度分析：以洮儿河流域为例[J].地球信息科学学报,2011,13(1)：22-31.

(责任编辑宋静)

Comparison of Drainage Network Extractions from Two DEMs

LI Zongmei,WEI Jinwang,MAN Wang,SUN Fengqin,HUANG Yutong

(School of Computer & Information Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China)

Extracting of drainage network is the foundation of watershed hydrology studies.The paper compared two river network extractions by SRTM DEM with a flow accumulation threshold of 10 000 grids and ASTER GDEM with a flow accumulation threshold of 90 000 grids,using the D8 single flow direction algorithm,and verified the drainage network extraction with real river and remote sensing image.The results show that wide-area drainage network extraction from SRTM DEM has higher precision and efficiency.It is more accurate in undulating areas than in flat areas and can be used for choice of data sources river network extractions.

drainage network extraction;DEM;single flow direction algorithm(D8)

2016-04-15

2016-06-08

国家自然科学基金项目(41501448，41501447，41401475)；厦门理工学院高层次人才项目(YKJ13025R)；厦门理工学院科研基金项目(E201411339)

李宗梅(1985-)，女，讲师，硕士，研究方向为生态脆弱带的生态环境研究.E-mail：lizongmei106@163.com

P333

A

1673-4432(2016)03-0072-05