基于SRTM DEM的河棚河流域水系提取研究

姜卫祥 吕成文

摘要 基于SRTM DEM数据，以河棚河流域为例，利用ArcGIS 10.0中的水文分析模块进行水系的提取试验，分析不同的汇流累积阈值对河网密度、流域面积、河网分级等流域特征参数的影响。结果表明，随着汇流累积阈值的增大，河网密度以及河网总长度都在逐渐减小，并且汇流累积阈值与河网密度之间存在显著的幂函数关系。最后，利用1∶250 000水系图进行对比发现，当汇流累积阈值为200时，利用SRTM DEM提取的河网与实际水系吻合较好。

关键词 SRTM DEM；水系提取；汇流累积阈值

中图分类号 P208 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）13-0214-04

Study on the Extraction of River Network in Hepeng River Basin Based on SRTM DEM

JIANG Wei-xiang，L Cheng-wen

（Anhui Normal University，Wuhu，Anhui 241000）

Abstract Based on SRTM DEM data，taking Hepeng River basin as an example，river network was extracted by using hydrological analysis module in ArcGIS 10.0 version.The effects of different accumulated threshold value of confluence on drainage density，drainage area，river network classification and other watershed characteristics parameters were studied.The results showed that drainage density and river network length gradually decreased with the increase of confluence accumulated threshold value.There was a significant power function relationship between confluence accumulated threshold value and drainage density.Finally，the river network data was compared with the 1∶250 thousand topographic map and it was found that river network extracted by using SRTM DEM was basically consistent with the actual water system，when the confluence accumulated threshold value was 200.

Key words SRTM DEM； Extraction of river network； Confluence accumulated threshold value

流域水文特征的提取一直以來都是水文科学的研究热点之一，而河网作为流域水文特征的基本要素之一，其提取方法也一直备受关注。传统的水系提取方法主要有2种：实地测量和基于地形图手工提取。这2种方法不仅效率低下，而且成本较高[1-3]。遥感技术和计算机技术的发展大力促进了水文科学的发展，利用数字高程模型（Digital elevation model，DEM）不仅可以快速实现河网、流域等水系特征的提取，而且被广泛应用于水利工程、测绘、水文、土壤等领域[4]。

目前，对于水系提取方法应用最多的是地表径流漫流模型，该模型基于D8算法，被集成于ArcGIS、SWAT等主流软件中，依据水流沿斜坡流动的原理，确定每个格网单元的汇流累积量，选择合适的集水阈值实现河网提取[5-9]。笔者以杭埠河的重要支流河棚河为例，利用ArcGIS 10.0平台的水文分析模块，实现对河棚河流域汇流累积量、流向、河网及流域边界等流域水文特征的自动提取，并分析不同的集水阈值下的河网变化，探讨汇流累积阈值对水系提取的影响。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

河棚河位于舒城县西南山区，龙河口水库上游，原名乌沙河，发源于舒城县西南山区黄土关和花岩山西北麓，全长32.5 km，流域面积200 km2。该河弯大、水急、滩多，河面宽度40～180 m，通过最大流量1 322 m3/s，属于季节性山河；年降雨量1 000～1 700 mm，年平均气温14～16 ℃。河棚河流域高程图见图1。

1.2 数据源 采用的DEM数据来源于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），SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）是由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。SRTM地形数据按精度可以分为SRTM1和SRTM3，分别对应的分辨率精度为30 m和90 m数据（目前公开数据为90 m分辨率的数据）。

2 研究方法

获取的原始SRTM数据需要检查DEM是否存在洼地，对经过预处理后的无洼地DEM提取流向，汇流累积量等数据，并基于汇流累积量数据提取出河网，分析不同的汇流累积阈值下的河网密度、河网分级情况[10-11]，最后与1∶250 000水系图进行比较，评价河网提取的精度，确定河棚河流域水系提取的汇流累积阈值范围。

2.1 无洼地DEM的生成

由于内插及真实地表的存在，DEM表面存在一些凹陷的区域影响流向，首先要检查是否存在洼地，并对这些低洼区域进行填洼处理，流向是基于最大距离权落差计算的，当邻域栅格对中心栅格的方向值最大为128时，则填洼完成。

2.2 流向提取 流向的提取是基于D8算法，在ArcGIS中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码来确定水流方向。

2.3 汇流累积量

汇流累积量的计算是河网提取的基础，其大小代表了上游有多少栅格的水流方向最终流过该栅格。汇流累积量的计算是基于流向数据进行的（汇流累积栅格如图2所示）。

2.4 河网生成 河网的生成是基于汇流累积量的，汇流累积阈值的设定直接影响到河网提取的结果[12]。利用ArcGIS中的con命令汇流累积栅格进行查询，并将查询结果赋予新的栅格数据中，分别将汇流累积阈值设定为100、150、200、250、300、350、400，并比较不同汇流累积阈值下的河网变化。

3 结果与分析

3.1 汇流累积阈值对河网提取的影响

栅格河网的计算是基于con命令或者setnull命令计算的，二者都是基于栅格进行有条件查询，并将查询结果赋予新的栅格数据中，其基本思想是基于汇流累积量数据，将汇流累积量大于阈值的栅格设置为1，其他栅格设置为无数据，就会得到一个新的栅格图层即栅格河网图。通过设置100、150、200、250、300、350、400不同的汇流累积量阈值，比较不同阈值下的河网主要参数的变化情况。不同汇流累积量阈值下的河网提取结果见图2。

在河网提取的过程中，汇流累积阈值的设定对河网提取的结果有着重要的影响。随着汇流累积阈值的不断增大，流域面积为199 km2，没有发生变化，与实际流域面积（200 km2）相差不大；河网的总长度和河道数都在减小，河网变稀疏，主河道位置并没有发生明显的变化，小支流随着汇流累积阈值的增大在不断减少。当汇流累积阈值由100增至400时，河网总长度由143.290 km减少到73.582 km，减少了4865%；河道数目由119条减少到31条，减少了7395%；河网密度由0.716 km/km2减少到0.368 km//km2，减少了48.60%（图3和表1）。汇流累积阈值对河网提取的影响并不会使河道发生位置上的偏移，只是改变了河網的稀疏程度。

汇流累积阈值的变化对河网分级也有着重要的影响，随着汇流累积阈值从100增至400，1、2级河网的河道数和河网长度都在不断减小，1级河网河道数减少了73.33%，2级河网河道数减少了73.07%，减少的频率大体一致；3级河网的河道数和河网长度呈先减小后增大的趋势；当汇流累积阈值为100～300时，4级河网的河网长度变化不大；当汇流累积量超过300时，4级河网河道数和河网长度急剧减少，且当汇流累积阈值达到350时，4级支流的河道数和河网长度减至0（表2和表3）。

3.2 汇流累积阈值和河网密度的关系

汇流累积阈值对河网提取的影响主要是改变了河网的稀疏程度，为了能够定量评价汇流累积阈值对河网提取的影响，选取河网密度建立与汇流累积阈值之间的定量关系[13]。利用Matlab软件对河网密度和汇流累积阈值的拟合发现，二者之间存在显著的幂函数关系（图3），二者关系式如下：

式中，x代表汇流累积阈值，y代表河网密度。

3.3 河网提取验证

将1∶250 000地形图提取的水系图和基于SRTM DEM提取的河网进行叠加分析，对不同汇流累积阈值下提取的河网进行对比验证。将SRTM DEM中提取的河网与1∶250 000水系图进行叠加对比分析（图4），发现当汇流累积阈值为200时，自动提取的河网更接近1∶250 000水系图，提取的河网和水系图的河网密度分别为0.534和0546 km/km2，河网密度误差为2.2%；提取的河网与水系图的河网总长度误差为2%；流域面积与实际流域面积仅相差0.45%。总体来看，河流的的主河道基本吻合，大体走势基本相同，有些地方存在一些微小的偏差。

4 结论

该研究利用SRTM DEM数据，基于ArcGIS中的水文分析模块，探讨利用DEM自动提取水系的可行性，以及不同的汇流累积阈值对河网提取的影响，得出以下结论：①河棚河属于季节性山河，整个流域的高程落差比较大，利用SRTM DEM提取的河网与真实的河网基本吻合，且此流域进行水系提取试验的汇流累积阈值的范围为200～300。②通过对比不同汇流累积阈值下提取出的河网，随着汇流累积阈值的不断增大，河网密度、河流总长度、河道数目都在减小，且河网分级的各级支流的总长度、河道数也呈现逐渐减少的趋势，汇流累积阈值的大小影响着河网提取的精度。③汇流累积阈值对河网提取的影响主要表现为河网密度的变化，主要河道位置并没有发生变化，通过对河网密度和汇流累积阈值的函数拟合，发现汇流累积阈值与河网密度之间存在显著的幂函数关系。

该研究中使用90 m分辨率的SRTM DEM数据作为数据源，实现了河棚河流域水系的自动提取，并取得了较好的效果。今后可考虑利用更高精度的DEM数据进行水系提取试验，并探讨DEM空间分辨率对流域特征提取的影响。

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