DEM分辨率对数字河网提取的影响

薛美平++褚亚杰+谢子波++曹晴

【摘 要】论文简要介绍了GIS中DEM构建及数字河网提取的原理和方法并应用于崇陵流域。将两种不同分辨率下（5m 和30 m）提取的河网进行对比分析，结果表明：分辨率对流域的拓扑学特征有着明显的影响，在实际运用中要根据流域的地形地貌特征选择合适的分辨率。

【Abstract】This paper briefly introduces the DEM structure and the extraction principle and method of digital network in GIS ，and applies these two in Chongling river basin. Two different resolutions （5m and 30 m） extracted river network were analyzed， the results show that the resolution has significant effect on the topology characteristics of basin， we choose the appropriate resolution need to accord the topographic features of the basin in the practical application.

【關键词】DEM； 分辨率；GIS； 数字河网

【Keywords】DEM； resolution； GIS； digital network

【中图分类号】P284 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）03-0121-04

1 引言

数字高程模型（DEM）是地表形态和高程属性的数字化表达，一般来说，DEM主要是通过野外数据采集等方法获取原始数据，然后进行内插和矢栅转化形成的[1]。利用流域的DEM数据构建数字水系模型并提取流域水文特征，是分布式水文模型的重要基础[2]。因此，不同分辨率的DEM对提取过程的影响分析就至关重要。

基于DEM地形特征的尺度效应对于地学模型分析和真实地形情况反映的精确程度有重要影响，具体包括空间尺度、时间尺度和属性尺度。目前，关于水系方面的尺度效应研究主要集中在时空尺度，因为数据精度不同，模型建立、研究方法、水系提取结果也不同[3]。

关于DEM尺度效应的研究主要集中在两方面：

一方面是多尺度DEM数据组织、表达及其应用；

另一方面是重点研究DEM尺度所引起的不确定性问题[4]。

大量研究表明，不同尺度（分辨率）的DEM将直接决定所提取的数字河网水系的结构，并对水文模拟产生重要影响，如使坡度平坦化，径流汇水长度减小，流域面积增加、削弱洪峰量，使洪峰到达时间滞后等。

论文利用ArcGIS的相关工具，从河北省崇陵流域的等高线图中分别提取了分辨率为30m、5m的DEM，然后在此基础上提取了流域的数字河网，并分析不同DEM分辨率对提取的数字河网产生的影响。

2 研究区概况

崇陵水流域属北易水支流旺龙河的一支勾，在行政区划上属河北省易县良格庄乡管辖，位于E 115°21′，N 39°23′，流域内有2个自然村。流域面积6km2，流域长4.4km，流域平均宽1.5km，主要沟道自西向东依次为扬树沟、万亩林沟、狼尾巴沟，它们在崇陵附近汇合后叫崇陵水，向南注入旺龙河；主沟长度5.5km，沟底平均比降为23% ，全为砂砾沟床。流域地势： 西北高东南低，地形起伏度不大，海拔在85～300m之间，山顶高度变化一般都在50～150m之间，最高为180m。这里由花岗片麻岩组成的山丘，多呈浑圆状，坡度较缓多为100°～250°，但由石灰类组成的山岭，坡度较陡，多在250°以上。

为探索太行石质山区水土流失规律及小流域综合治理效益，研究行之有效的水土保持治理措施，为小流域综合治理提供科学理论依据，使其尽快发挥其较高的经济效益和生态效益，崇陵流域高程模型的建立和数字河网的提取是研究的基础。

3 研究方法

随着GIS技术的不断发展和研究领域的不断开拓，各类GIS软件在我国防治水土流失、城乡规划、资源预测等方面发挥着越来越重要的作用。ArcGIS是由美国环境系统研究ESRI开发的GIS软件，具有优良的软硬件环境，能够客观地表达各种地理空间数据模型，是涉及空间数据分析的学科研究的重要手段，其具有的高效、精确且成本较低的特点，相比以往传统手工作业方式大量人力、物力长期的投入更具有优势。

在ArcGIS的工具箱中对基础高程数据内插创建TIN，并转化为栅格数据，DEM的构建完成；此后，由ArcSWAT模块对其完成河网的提取和流域的划分工作，简单易于操作。

在提取崇陵流域河网水系时利用了30m的DEM及等高距为5m的等高线数据为依据，通过ArcGIS建立分辨率为5m的DEM模型，再通过ArcGIS中的水文分析工具：填洼、流向分析、汇流累积量计算、河流网络提取等步骤，提取得到不同精度的DEM下该流域的河网水系，并对比分析不同水平分辨率对于研究范围内水文分析结果的影响。

3.1 DEM的构建

当前，在构建DEM模型时，获取相关平面位置和高程数据的方式有：野外测量、航空航天遥感影像和现有地形图数字化等方法。野外测量实际地形获得DEM的方法虽然地形数据准确，但是工作量大且费用较高；航空摄影的方法是现行方法中使用效率较高的方法，具有获取信息范围大、精度高、方便高效的特点；地形图作为数据源具有丰富和廉价的特点，对于地形图应先将其各要素进行数字化处理再利用数学建模方法内插生成该地区的数字高程模型[5]。在本研究中，5m分辨率的DEM即是由数字化后的等高线数据处理得到，然后对该流域做水文分析，研究区的像元值即为等高线的高程值。

根据DEM应用的目的不同，ArcGIS提供了不同的表达方式，现在使用最多的有三种表达方式：规则网格模型、不规则三角网模型（TIN）和等高线模型。规则网格模型的原理是利用规则的小矩形或小三角形来代替表达不规则的实际地形情况，而不规则三角网模型是由区域内代表地形特点的点相互连接成的三角面网。与规则网格模型相比，TIN要复杂得多，但是也具有较少的点可获取较高精度的优点。TIN模型可以根据地形起伏变化的复杂性改变采样点的密度和决定采样点的位置从而避免大量不必要的数据采集[6]。所以在本次崇陵流域地区的DEM构建中采用构建不规则三角網的方法，利用已有数据建立地形特征明显的更加接近真实地貌特征的数字高程模型。

DEM如图1（a、b）所示。

3.2 流域数字水系提取

DEM是对地形地貌的空间特征进行描述的一种数字方法，它的应用广泛，遍及整个地学领域，如坡度、坡向、可视性分析和水文分析等。

由DEM提取流域的河网具体包括以下几个步骤。

①洼地填充。由于DEM可能存在数据采集误差，造成水流倒流等现象，影响水流方向的追踪，所以必须对不合理的洼地进行填充处理，并对真实存在的洼地进行保留，使每个单元格都有一个确定的水流方向。洼地填充之前首先进行洼地深度的计算，并设置合理的填充阈值，当洼地深度大于该值时予以保留，小于该值时则要进行填充处理，得到实际无洼地数据。

②流向分析。水流确定的方法主要有六种： 单流向法、多流向法、RH08法、DMON法、ERS法、Aspectdrive法，论文采用单向流法，通过计算中心栅格与周围八个栅格的最大距离权落差确定，根据坡度最大的方向为水流方向，确定最大值即为中心栅格的流向。

③汇流累积量的计算。DEM的每个格网上都有一个单位的水流量，根据上一步提取的水流方向即可计算出每点处所流经的水量数值，得到其汇流累积量。汇流累积量的值又代表上游流入该单元的栅格点数目，栅格点的数目越大则此单元就越可能是发育河流的位置，栅格点的数目为零则表示该单元的相对高程较高，例如分水岭。

④河流网络的提取。设置阈值，对汇流量进行筛选，将大于该阈值的点提取出来，大于500即赋值为1，否则为0，从而得到栅格河流网络，进一步矢量化，提取结果如图2（a、b）所示。

4 提取结果分析

两种分辨率的DEM提取的河网的源头均位于流域的西北方向，流域出口均位于流域的南东方向。从图2可以看出，30m分辨率DEM提取的河网和实际的河网相比较，不同之处有两点：

第一，有些细小的支流或支流局部由于在构建流域高程模型的过程中会通过Arcgis技术对流域进行离散处理，使流域的地形平坦化，其高低起伏的复杂程度降低，

从而不易被提取到，所以河流的密度以及河流的长度都比实际流域的小；

第二，也有部分提取的河流与实际河流的位置有相对的错动。而5m分辨率DEM提取的河网和实际河网相比，

最明显的不同之处在于提取的河流长度比实际河流长度小。

对比两组结果发现：随着分辨率的降低，流域的面积变化基本不大，干流的分布也基本一致，但是提取的河网结构由简单变复杂，河流的数目由多变少，河网密度也由大变小。这是因为高分辨率的DEM能够更加有效、细致地表达出高低起伏的地形，提取的河流总长度更长，即高分辨率的DEM提取出的水系更加接近实际的流域水系，特别是支流部分与实际情况更吻合。这种由分辨率不同而引起的河网的差异，在地形复杂的山丘地区更加明显，因为山区发育一系列的沟谷，低分辨率的DEM往往不能表达细小的冲沟、切沟，而这些冲沟、切沟很可能会发育一级河流，所以基于低分辨率DEM提取的河网往往一级河流被忽略，而在地势平坦、坡度变化缓慢的平原，这种差异相对就小很多。这种差异在图2（a）中体现在，流域西北部提取的河网与实际流域的相似性较高，而东南部提取的水系与实际流域的相似性就相对低些。

5 结语

论文运用ArcGIS技术，基于不同分辨率（5m和30m）的DEM提取了崇陵流域的数字河网，并分析由于分辨率的不同，导致的数字河网水文特征的不同。

结果表明：精度高的DEM提取出的数字河网确实较精度低的DEM的提取结果更加接近实际真实情况。地形的高低起伏和坡向等因素都决定着河流的流向以及流量的大小，分辨率越高的DEM所表达的地形地貌特征与真实情况越接近，从而河网的提取结果与真实值越接近。但是，对于不同的地形特点随着DEM精度的提高河网提取的结果与真实值接近的情况也不同，所以，在实际的运用中，要根据实际的需要选择合适的分辨率，尽量用较小的精度满足实际的需要，既能减少工作量又能降低工作成本。

我们这里只是指出同一小流域不同精度DEM下的提取结果，对于大面积流域和不同地形情况下的研究还需要进一步分析。

【参考文献】

【1】宋晓猛，张建云，占车生，等.基于DEM数字流域特征提取研究进展[J].地理科学进展，2003，（32）01：67-68.

【2】张宏才.不同尺度数字高程模型提取水系的尺度效应[D].西安：西北大学，2004.

【3】汤国安，刘学军，房亮，等.DEM及数字地形分析中尺度问题研究综述[J].武汉大学学报（信息科学版），2006（12）：1059-1066.

【4】郭超颖，毕华兴，陈涛，等.基于DEM的马莲河流域数字地形分析[J].中国水土保持科学，2008（01）：101-106.

【5】黄沛.基于空间信息技术的流域分布式水文模型构建方法研究[D].武汉：华中科技大学，2007.