基于空间信息技术的六股河流域河网水系提取

王正勇, 杨胜梅, 马 琨, 宁 晶, 何 亮, 韩贤权

(1.湖北省襄阳市水文水资源勘测局，湖北 襄阳 441021； 2.长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，武汉 430010)



基于空间信息技术的六股河流域河网水系提取

王正勇1, 杨胜梅2, 马 琨2, 宁 晶2, 何 亮2, 韩贤权2

(1.湖北省襄阳市水文水资源勘测局，湖北 襄阳 441021； 2.长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，武汉 430010)

快速有效地获取河网水系特征信息对于流域水文分析具有重要的意义。为此，选取辽宁省六股河流域作为研究对象，以30 m空间分辨率的数字高程模型(DEM)作为基础数据，采用美国ESRI公司开发的地理信息系统软件ArcGIS，对该流域的水流方向、累积汇流栅格、河网水系等基础信息进行了提取研究。将河网提取结果与国家基础信息中心提供的1∶4 000 000河流水系基础资料进行对比，提取结果的干流河网段与实际水系形态特征较为吻合，提取的流域面积与实际流域面积相差1.99%，表明空间信息技术应用于六股河流域水文基础信息提取是可行的，可为流域水文模拟、数字流域建设等研究提供基础数据支持。

空间信息技术；DEM；河网水系提取；水文特征；河网密度

1 研究背景

近年来，随着空间信息技术的快速发展，以地理信息系统为代表的“3S”技术在海量数据存储与管理、空间分析及可视化方面的功能日趋强大[1]。集成空间信息技术与水文模型的水文分析应用成为了水文学的重要发展方向，而河网等一些基础水文信息为这些研究提供数据支撑。数字高程模型(DEM)属于地理空间数据的一种，它通过地面高程值序列来描述地形在空间上的分布特征。DEM有3种表达形式：等高线、规则格网和不规则三角网，其中以规则格网使用最为普遍，在流域水文模拟中得到广泛应用[2]。DEM蕴含着丰富的地表形态信息，如地形、地貌、坡度、坡向等，利用一定的算法，就可从中提取出河网水系、分水线等水文特征要素以及地形特征因子要素。目前使用较多的为D8单向流算法，由于该算法简单易用，被ArcInfo提供的水文分析扩展模块Arc Hydro Tools、ArcGIS Desktop提供的Hydrology工具以及RIVIX公司提供的River tools等一些软件平台所采用[3]。该算法的唯一缺陷是无法确定洼地以及平地的水流方向。针对这一问题，国外学者随后又提出了采用窗口扫描的方式来确定平坦及洼地的水流方向，这一方法的不足是可能会出现不连续的河网水系[4]。后来又有多向流算法被国外学者提出[5]，由于该算法相对单向流算法来说，较为复杂，所以在推广应用方面不及单向流算法普遍。国内清华大学研究开发的TUD-Basin数字流域模型也可以用于流域数字河网的提取。

六股河流域是辽宁省西部重要水源地区，该流域山地居多，平地相对较少，河网水系发育较好，基于前文的分析，可采用单向流算法进行河网水系的提取。本文基于ArcGIS 10.1软件平台，通过DEM数据，对辽宁省六股河流域进行河网提取试验研究。

2 研究区域概况

六股河是葫芦岛市境内最大的一条独流入海的河流，发源于葫芦岛市建昌县谷杖子乡双庙村北篓子山，河源海拔1 092 m。河流全长158 km，流域集水面积为3 045 km2，流域径流主要由降雨补给，多年平均径流量5.43亿m3。整个流域南北向较东西向长，呈牵牛花形状。其中，山地占整个流域面积的一半以上，丘陵占1/3左右，平原占10%左右。流域内山地主要分布于西北部。流域东与小凌河、烟台河为邻，西北由大凌河环绕，西南与狗河为界。六股流域属辽西低山丘陵区，河谷区以侵蚀堆积地貌类型为主，其它地区以风化剥蚀地貌类型为主。区域内沉积岩、岩浆岩、变质岩均有出露。

3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法

基于ArcGIS Desktop提供的水文分析工具Hydrology进行流域河网水系特征信息提取时，主要包括DEM数据填洼、计算水流方向、计算栅格单元累积汇流量、生成流域河网水系4个方面的内容[6-8]，具体研究流程如图1所示。

图1 基于Hydrology水文分析工具提取河网水系流程Fig.1 Flowchart of extracting river networks based on the Hydrology tool

3.1.1 DEM数据填洼

DEM数据在采集过程中存在的偶然误差，会导致一些凹陷区域的存在。但并非所有的凹陷区域都是由于DEM误差引起，有些洼地是流域实际地形地貌的真实反映，所以，在进行洼地填充前，需要对流域洼地深度进行计算，并结合流域实际地形特点，为洼地填充设置一个合理的阈值，并进行填洼处理，从而得到比较光滑的无洼DEM数据，为后续河网水系提取提供前期准备。

3.1.2 栅格水流方向确定

Hydrology模块采用了简单易用的D8单流向算法。在该算法中，中心栅格单元水流有8种可能流向，对它的8个邻域栅格按照2的整数次方进行编码，分别为：1，2，4，8，16，32，64，128，各编码对应的方向依次为：正东，东南，正南，西南，正西，西北，正北，东北，通过计算中心与邻域栅格之间的坡降(也称之为距离落差)，并以最大坡降来确定水流方向。两栅格之间的坡度θij可通过式(1)进行计算。

(1)

3.1.3 累积汇流量计算

累积汇流量越大，表示流经该栅格的上游栅格单元就越多，该栅格所在区域也越容易形成地表径流。栅格单元的累积汇流量计算过程如图2所示，其中图2(a)表示DEM数据，图2(b)表示基于D8算法的栅格单元水流流向的确定，图2(c)表示累积汇流量计算结果。

图2 栅格单元累积汇流量计算

图3 河网生成示意图Fig.3 Diagram of river network generation

3.1.4 河网生成

在前面计算得到累积汇流栅格矩阵的基础上，给定合适的集水面积阈值，通过栅格计算(Raster Calculator)得到河网的栅格形式，再进行栅格河网矢量化(Stream to Feature)，得到矢量格式的河网。集水面积阈值的取值大小与流域地形特征、下垫面状况等多种因素有关[8]。阈值越小，提取的河网就越精细，反之，则越稀疏。图3是给定最小水道集水面积阈值为3的情况下，河网的生成示意图。

3.2 数据来源

使用的地形数据为辽宁省六股河流域DEM数据，地面分辨率为30 m，通过中国科学院计算机网络信息中心下载得到，如图4所示。对河网提取试验结果进行验证所采用的1∶4 000 000河流水系数据由国家基础地理信息中心网站下载得到。

图4 六股河流域DEM数据(空间分辨率：30 m)Fig.4 DEM of Liugu river basin (spatial resolution: 30 m )

4 流域水文特征信息提取与河网验证

4.1 六股河流域水文特征提取

根据前述的研究方法，利用ArcGIS 10.1软件的Hydrology水文分析模块，首先对六股河流域DEM数据进行洼地填充预处理，在此基础上，确定栅格单元的水流方向，计算栅格单元的累积汇流量，提取给定水道集水面积阈值下的河网水系。

图5中的(a)至(d)分别是最小水道集水面积阈值为2 000，5 000，10 000和20 000个栅格条件下生成的河网水系。由图5可以看出，随着栅格阈值的逐渐增大，提取的河网水系呈现逐渐稀疏的趋势。

4.2 集水面积阈值的确定

集水面积阈值的确定是河网提取过程中的难点和重点。考虑到集水面积阈值与河网密度存在一定的相关关系，一般认为河网密度趋于平缓时所对应的集水面积阈值为较合理的阈值[9-11]。本文对六股河流域集水面积阈值与其相应的河网密度关系进行研究，以确定合适的阈值大小。河网密度为流域单位面积上的河段长度，通常采用平均河长(l)与平均面积(a)的比值来表示。对于流域面积为A，河段总长为L，河段数为m的流域来说，河网密度Ds可表示为

图5 六股河流域在不同阈值条件下的河网提取结果Fig.5 Extraction results of river network of Liugu river basin under different threshold conditions

(2)

本文通过ArcGIS提供的Create Fishnet，Intersect，Joins and Relates等工具，对六股河流域不同集水面积阈值下的河网密度进行计算和统计，如表1和图6所示。

表1 六股河流域累积汇流栅格阈值及对应的河网密度

图6 六股河流域河网密度与累积汇流阈值的关系曲线Fig.6 Relation between river network density and flow accumulation threshold

图7 基于空间信息技术提取的六股河流域水系Fig.7 Final extraction result of river network based on spatial information technology

从图6可以看出，当累积汇流阈值较小时，河网密度变化较为剧烈，随着阈值的不断增大，河网密度与汇流阈值关系曲线逐渐变得平缓。在累积汇流栅格数为17 000时，河网密度曲线趋于稳定，故最后选择17 000累积汇流栅格数作为本文六股河流域河网提取阈值，相应的流域河网如图7所示。

4.3 结果验证

(1) 干流河网形态比较。将本文最终提取的六股河流域河网结果与国家1∶4 000 000河流水系数据进行几何校正，投影到同一个平面地理坐标系下(CGCS2000_3_Degree_GK_ CM_120E)，由于1∶4 000 000河流水系数据只包含六股河流域的干流水系，故将河网提取结果的干流水系形态与实际河网数据进行空间对比，发现六股河流域干流河网的提取结果与实际水系形态基本一致。

(2) 流域盆地面积验证。六股河流域的实际流域面积为3 045 km2，采用空间信息技术提取的六股河子流域面积之和为3 105.5 km2，相对误差仅为1.99%，说明采用空间信息技术提取的流域结果与实际情况非常接近。

5 结 论

本文以六股河流域为例，研究了利用空间信息技术提取流域水系特征要素的方法，取得了较为满意的效果。一方面，通过分析流域河网密度与累积汇流阈值关系曲线，寻找变化稳定点来确定合适的河网提取阈值，并将河网提取的最终结果与实际水系进行对比分析，形态特征吻合较好；另一方面，本文提取的流域总面积与六股河实际流域面积相差仅为1.99%，进一步说明利用空间信息技术提取流域特征要素准确度较高，具有较强的实用性，对于数字流域建设，流域水文模型构建具有十分重要的理论意义和实用价值。

[1] 李 丽, 郝振纯. 基于DEM的流域特征提取综述[J]. 地球科学进展, 2003, 18(2): 251-256.

[2] 李 晶, 张 征, 朱建刚, 等. 基于DEM的太湖流域水文特征提取[J]. 环境科学与管理, 2009, 34(5): 138-142.

[3] 陈 旺, 邓亚东, 梁 虹, 等. 数字化水系辅助DEM提取Karst地区水系的应用研究[J]. 长江科学院院报, 2010, 27(8): 74-78.

[4] 吴 冰, 李昌文. 基于SRTM DEM的盘龙河流域河网提取研究[J]. 水资源与水工程学报, 2013, 24(6): 157-162.

[5]QUINN P，BEVEN K，CHEVLALIER P，etal． The Prediction of Hillslope Flow Paths for Distributed Hydrological Modeling Using Digital Terrain Models[J]. Hydrological Processes, 1991, 5 (1): 59-79．[6] 闫 玲, 谢 桃, 刘家富, 等. 基于 DEM 的平通河流域水文信息提取研究[J]. 人民长江, 2015, 46 (增1): 6-8. [7] 李 毅, 石豫川, 王 平, 等. 基于 DEM 的吉太曲流域水文信息分析[J]. 人民黄河, 2015, 37(9): 32-37.

[8] 吴 辉, 严志雁, 汪镇达. 基于DEM的自动河网提取方法——以江西省黎川县为例[J]. 水利与建筑工程学报, 2012, 10(4): 27-30.

[9] 陈东风, 巩伦宝, 李 振. 基于不同空间尺度 DEM 河网提取的阈值选取准则研究[J]. 水资源与水工程学报, 2015, 26 (2): 109-113.

[10]孔凡哲, 李莉莉. 利用DEM提取河网时集水面积阈值的确定[J]. 水电能源科学, 2005, 23 (4): 65-67.

[11]刘羽婷, 张行南, 刘伯娟. 基于地形带分类的最佳阈值与河网密度关系研究[J].长江科学院院报, 2014, 31(4):17-20.

(编辑：黄 玲)

Extraction of River Networks of Liugu River WatershedBased on Spatial Information Technology

WANG Zheng-yong1, YANG Sheng-mei2,MA Kun2, NING Jing2, HE Liang2, HAN Xian-quan2

(1. Bureau of Hydrological Resources Survey of Xiangyang, Hubei Province, Xiangyang 441021, China； 2.Engineering Safety and Disaster Prevention Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Quickly and efficiently obtaining river network information is of great significance for basin hydrological analysis. In this paper, the fundamental information of flow direction, flow accumulation raster, and river network is extracted using ArcGIS based on DEM(digital elevation model) data with spatial resolution of 30 meters. Liugu river watershed in Liaoning province is taken as a case study. Furthermore, the extraction results are compared with the real river stream with spatial resolution of 1∶4 000 000, and the main river stream network matches well. The area difference between the extraction and the actual basin is only 1.99%, indicating that the spatial information technology is available to the watershed characteristics extraction. The extraction data could provide data support for hydrologic simulation and digital basin construction.

spatial information technology; DEM; extraction of river streams; hydrological characteristics; river network density

2016-02-22；

2016-09-12

国家自然科学基金项目(51509007，41301434，51409021)；中央级公益性科研院所基本科研业务项目(CKSF2016033/GC，CKSF2015020/GC)

王正勇(1975-)，男，湖北襄阳人，工程师，主要从事水文水资源研究管理工作，(电话)15897997666(电子信箱)289684609@qq.com。

杨胜梅(1983-)，女，安徽桐城人，高级工程师，博士，主要从事空间信息技术在资源、环境、灾害领域应用方面的研究，(电话)027-82829089(电子信箱)yangshengmei_cky@163.com。

10.11988/ckyyb.20160130

2016,33(11):63-67

P333

A

1001-5485(2016)11-0063-05