基于DEM的庙台沟流域数字地形提取与分析

2018-11-02张亚梅谭春阳

水利科技与经济 2018年10期

王峥，张亚梅，谭春阳

(1.哈尔滨市水务科学研究院，哈尔滨 150001； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010； 3.哈尔滨市河道堤防管理处，哈尔滨 150070)

1 概述

地形是流域最基本的自然要素，随着计算机科学和地理信息系统学科的发展，数字高程模型(DEM)作为地形地貌的数字化表达和显示方式，成为现在空间地理信息研究的重要基础数据，广泛应用于水文模型分析、区域地形地貌特征、区域数字地形分析、景观设计等领域。

本文选取位于哈尔滨市郊区的庙台沟流域作为研究对象，应用ESRI公司开发的ArcGIS10.2软件，进行流域数字地形提取与分析，并比较不同DEM分辨率提取的地形特征和流域水文特征，探讨DEM分辨率对小流域地形特征提取结果的影响。

2 数据来源

数字高程模型(DEM)是数字地形模型(DTM)的一个子集，是一种表现地面高程的实体地面模型，也是地理信息系统进行多种分析的基础数据之一。本次分析采用的DEM分辨率为90和30 m两种，已经过多次修订和完善，数据均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://datamirror.csdb.cn)。

3 研究区概况

庙台沟是阿什河左岸一级支流，干流长23 km，流域面积86.45 km2，目前河流两岸主要为农田。庙台沟河源位于哈尔滨市阿城区杨树乡民权村王佩屯，河口位于哈尔滨市利平乡，流经阿城区杨树乡、阿城区新利街、哈市利平乡。庙台沟作为阿什河的主要支流，曾经鱼虾满河、水质清澈，而现在庙台沟防洪形势严峻，河道侵蚀、侵占严重，水量锐减，水体污染也在日益加剧。

4 基于DEM的数字地形特征提取

本文应用ArcGIS10.2软件进行数字地形特征的提取，主要利用该软件工具箱中的SpatialAnalyst模块下表面分析、水文分析和重分类等功能。因DEM本身就表现地面高程，每个单元均对应一个高程值，因此对高程将会直接进行对比分析。

4.1 坡度

坡度指过地表面任一点切平面与水平地面的夹角，表示地表倾斜程度。ArcGIS求解坡度运用拟合曲线面法，采用二次曲面，每点坡度的求解公式如下：

式中：S为坡度；Sx为X方向上的坡度；Sy为Y方向上的坡度。

4.2 流域水文特征

流域是最基本也是最重要的水文单元，是水文模型构建分析、水文模拟研究等工作的重要基础信息。ArcGIS工具箱中的水文分析模块包含填洼、流向、分水岭、河网分级、捕捉倾泻点、河流链接、盆域分析等一系列工具，能够实现对DEM进行流域特征的提取和分析，具体过程如下：

1) 洼地填充。实地地形中是存在洼地的，但DEM精度不够或数据异常会导致“假洼地”的产生，有可能导致河网不合理中断，影响河网的形成。因此，要先进行洼地的填充处理。

2) 水流方向提取。ArcGIS应用单流向法中的D8法进行水流方向的确定。该方法假设水流只能流入与其相邻的8个网格单元，流出每个栅格的方向按最陡坡度法选定。

3) 计算流水累积量。以上一步水流方向提取结果为基础，计算每点所流过的水量数值，便得到了该区域的流水累积量。流水累积量表明其上游的水流流过该栅格单元的数量，数值越大代表越容易形成径流。

4) 集水面积阈值设置和水系提取。以流水累积量作为河流确定的标准，集水面积阈值就表示流水累积量大于该值时，就判定形成河流网络。ArcGIS的栅格计算器可以提取栅格河网，再用栅格河网矢量化工具形成矢量河流水系。

5) 河网分级。河网分级是对线性河流以数字标识形式进行级别划分。ArcGIS中河网分级提供Strahler和Shreve两种分级方法，本文采用Strahler分级。

6) 子流域生成。根据Strahler河网分级、水流方向提取结果等，将流域分割成更小的流域单元。

5 结果与分析

5.1 高程

分辨率为90和30 m的庙台沟流域DEM见图1、图2，两图中精细程度差别较为明显，90 m分辨率的DEM对高程信息的表达明显较为粗略。由图1、图2可知，庙台沟流域南部河源地势最高，北部入河口地势最低，由南向北高程逐渐减小，这与庙台沟流域南部位于阶地、北部多为低漫滩的地貌相符合。庙台沟流域高程统计值见表1。

由表1可知，庙台沟流域大部分区域高程在200 m以下，90 m分辨率DEM的高程范围为121～213，平均高程177.53 m，标准差17.26；30 m分辨率DEM的高程范围为54～289，平均高程180.68 m，标准差21.20。根据表1结果，较高的DEM分辨率表达地形更为细致，能够更精确表现高程值和高程变化。

图1 90 m分辨率DEM高程图

图2 30 m分辨率DEM高程图

表1 不同分辨率DEM高程统计表

5.2 坡度

坡度等级划分采用原水电部制订的“不同水力侵蚀类型强度分级参考指标”中的坡度分级标准。该标准将坡度分为6级，第VI级的上限为35°，考虑到坡度>35°时，对土地利用方式和治理措施选择均具有重要意义，故增加一级，即第Ⅶ级>35°。坡度等级划分标准如下：I级<3°；Ⅱ级3°～5°；Ⅲ级5°～8°；IV级8°～15°；V级15°～25°；Ⅵ级25°～35°；Ⅶ级>35°。见图3、图4。

图3 庙台沟流域坡度图(90 mDEM)

图4 庙台沟流域坡度图(30 mDEM)

根据庙台沟流域分辨率为90 m的DEM提取结果(图3)，坡度最大值7.58°，平均值1.78°，标准偏差1.17。坡度分级统计表(90 mDEM)见表2。

表2 坡度分级统计表(90 mDEM)

由表2可知，庙台沟流域98.76%的区域坡度都在5°以下，流域内没有坡度大于25°的陡坡和急陡坡。根据实地调研，此次分辨率为90 m的DEM坡度提取和分类结果明显不太符合庙台沟流域的地形特征，流域内存在坡度大于8°的区域，表明此精度的DEM不能表现流域实际地形特点。90 m的分辨率对于小流域来说可能存在精度不够的情况。

根据庙台沟流域分辨率为30 m的DEM提取结果(图4)，坡度最大值60.83°，平均值5.65°，标准偏差4.95。坡度分级统计表(30 mDEM)见表3。

表3 坡度分级统计表(30 mDEM)

由表3可知，庙台沟流域95.03%的区域坡度都在15°以下，坡度大于25°的陡坡和急陡坡仅占庙台沟整个流域的1.01%，说明流域内绝大多数区域均地势平缓，丘陵和山地极少。此次分辨率为30 m的DEM坡度提取和分类结果符合庙台沟流域处于平原区的地形特征，表明此精度的DEM可以表现流域实际地形特点，其结果在某些精度要求下是可用的。

基于不同分辨率(90和30 m)DEM提取的坡度明显存在较大差别，随着分辨率提高，最大坡度值、平均坡度值、标准差呈现上升趋势，且更加接近实际地形。因此，DEM的分辨率直接影响DEM对实际地形的模拟，在实际应用中应选择分辨率较高的DEM数据。