基于ASTER GDEM数据的黄土丘陵沟壑区流域信息提取研究

黎雅楠 武丹

摘  要：数字高程模型（DEM）主要描述地面高程，其中包含了丰富的水文信息，是目前流域分析主要数据源之一。该文以陕西省富县作为研究区域，利用30m分辨率的ASTER GDEM数据，基于ArcGIS10.3平台Hydrology模块，经过洼地填充、水流方向计算、汇流累积量计算、汇流阈值确定、河网提取等对研究区流域提取方法进行研究，并对流域特征进行综合分析。结果表明：当汇流阈值为11000时，提取的河网与实际河网最接近，利用导数关系基本可以确定提取的河网反映了真实水系的阈值。

关键词：ASTER GDEM数据;黄土高原丘陵沟壑区;GIS空间分析;汇流阈值

中图分类号 P208文献标识码 A文章编号 1007-7731（2019）11-0077-3

Abstract：Digital elevation model （DEM） mainly describes ground elevation，which contains rich hydrological information，and is one of the main data sources of current watershed analysis. This paper uses Fuxian County of Shaanxi Province as the research area，using ASTER GDEM data with 30m resolution. Based on the Hydrology module of ArcGIS10.3 platform，the method of watershed extraction in the study area was studied after the filling of the earth，the calculation of water flow direction，the calculation of the cumulant accumulation，the determination of the convergence threshold and the river network extraction，and the comprehensive analysis of the watershed characteristics. The results show that：When the convergence threshold is 11000，the extracted river network is closest to the actual river network，and the derivative relationship can be used to determine that the extracted river network reflects the threshold of the real water system.

Key words：ASTER GDEM data;Hilly and gully region of the Loess Plateau;GIS spatial analysis;Confluence threshold

數字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是对地球表面地形地貌的一种离散表达，蕴含丰富的水文特征、地形地貌信息等，已成为数字流域提取的主要手段[1]。数字高程模型一般有规则格网DEM、不规则三角网DEM和等高线DEM3种结构，规格格网结构易于与遥感和栅格GIS结合，而且在格网DEM上提取各种地形地貌因子也最为简便，因此使格网DEM在数字地面模型数据组织中占据主导地位[2]。如美国地质调查局（USGS）提供分辨率为30m、90m的DEM数据，目前被广泛应用于区域范围内的地貌、土壤、水文和生态学领域研究中。利用DEM数据可以提取地形因子，也可进行水文分析、提取流域信息研究。现阶段，广泛应用的流域信息自动提取的工具主要有TOPAZ、RiverTools和ArcGIS[3]，其中ESRI公司和美国得克萨斯州奥斯汀大学水资源研究中心开发的ArcGIS水文模块，用于河网提取分析功能强大，能快速提取流域信息，国内外运用此模块已经对提取流域研究地表水文特征等进行了大量的研究[4-6]。

本研究运用ArcGIS10.3平台提供的Hydrology模块，利用延安市富县30m分辨率的DEM数据，对研究区进行流域信息提取研究，以期对其水文信息进行全面的了解，为流域生态环境保护工作提供数据支撑。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况 位于陕西省北部，延安市南部的富县，地处陕、甘、宁3省交界处。该区地处陕北高塬沟壑区与丘陵沟壑区的过渡地带，全境东西长111km，南北宽73.8km，面积约为4182km2。该县县域辽阔、资源丰富、四季分明、日照充足、降水适中，地形地貌包括以洛河和葫芦河为主的河流阶地、中部高塬沟壑区、塬区北部的丘陵沟壑以及东部和西部的土石低山区。

1.2 数据源 本研究所使用的DEM数据来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）的ASTER GDEM V2数据，ASTER GDEM数据是NASA根据对地观测卫星Terra所获取的地球表面观测数据制作完成的，数据覆盖全球99%的范围，采用UTM/WGS 84投影，空间分辨率为30 m。取N35-E108、N36-E108、N35-E109、N36-E109四景影像，对研究区DEM数据进行镶嵌处理，镶嵌好的DEM影像如图1所示。

2 研究方法

2.1 ArcGIS河网提取流程 主要利用ArcGIS10.3中空间分析模块的Hydrology工具箱来进行流域提取，根据已有研究区范围内的DEM数据和其它数据，借助ArcGIS10.3平台，对研究区DEM数据进行分析处理，最终提取研究区流域河网信息[7]。本研究提取流域信息的主要步骤包括DEM预处理、流向分析、汇流单元分析、河网结构提取、统计流域和河流的水力特征值等，如图2所示。

2.2 汇流阈值确定方法 通过实验来确定阈值，分别选取1000～15000为集水面积阈值，提取水系并计算其河网密度，通过河网密度二阶导数求取河网密度与真实河网最接近的阈值。

2.3 洼地填充与水流方向提取 在ArcGIS10.3中选取Hydrology模块中的Fill工具，计算得到无洼地的DEM。利用洼地填充后的DEM数据在ArcGIS10.1中选取Hydrology模块的Flow Direction工具，提取得到水流方向。

2.4 汇流累积量计算与汇流阈值设置 通过实验来确定集水面积阈值，分别选取1000、2000、3000、…、15000为集水面积阈值提取水系并计算河网密度，通过河网密度二阶导数求取河网密度与真实河网最接近的阈值。

3 结果与分析

3.1 汇流阈值与河网密度的关系 基于ArcGIS10.3平台中的统计工具，得到不同阈值下的河网长度，然后通过计算河流长度与流域面积的比值得到河网密度，结果见表1。

由图4可知，汇流阈值在10000～12000范围出现拐点，河网密度与汇流阈值的二阶导数幂函数关系为[y=16.886x-2.493]，相关性R2为1。当汇流阈值为11000时，提取的河网与实际水系最吻合，结果见图5所示。通过求取河网密度与汇流阈值的二階导数，确定汇流阈值的方法，避免了利用DEM提取流域信息时的繁琐过程，且提高了流域提取的准确性。

3.2 精度评价 采用Landsat8 OLI遥感影像543波段R（红）、G（绿）、B（蓝）假彩色合成影像为背景，叠加河网提取结果（图6）。由图6可知，在较小的支流末梢，无法提取，汇流累积量越大，靠近支流干道的地方提取效果越好。随着DEM数据精确度的提高及提取流域特征的技术改进，流域特征提取的精确度也将进一步提高。

4 结论与展望

以陕西省延安市富县为研究区域，利用ArcGIS10.3水文分析模块对研究区进行流域信息提取研究。结果表明：当汇流阈值为11000（集水面积阈值为1.1km2）时提取的河网与研究区真实的水系最为接近，取得了较为理想的结果，可以为流域生态环境保护工作提供数据支撑。

运用GIS和DEM数据自动提取流域信息具有现势性，而且方便快捷，广泛适用于各个流域的水文分析，但是不同分辨率的DEM数据对流域提取结果会产生影响，今后应注重多种分辨率DEM提取河网精度比较研究;其次，随着GIS技术相关理论和方法的日益成熟，在水文领域的应用研究越来越多，但由于处理方法以及实际地形的差异，流域提取的精度也会受到一定的影响，提高精度是今后的研究重点。

参考文献

[1]朱海玲，杨晓晖，张学培，等.基于DEM的密云水库上游流域特征提取与分析[J].中国水土保持科学，2013，11（03）：66-72.

[2]Tang G.A Research on the Accuracy of Digital Elevation Models[J].Beijing：Science Press.

[3]宋晓猛，张建云，占车生，等.基于DEM的数字流域特征提取研究进展[J].地理科学进展，2013，32（1）：31-40.

[4]赵健，贾忠华，罗纨.ArcGIS环境下基于DEM的流域特征提取[J].水资源与水工程学报，2006（01）：74-76.

[5]孙庆艳，余新晓，胡淑萍，等.基于ArcGIS环境下DEM流域特征提取及应用[J].北京林业大学学报，2008，30（S2）：144-147.

[6]Jenson S K. Application of hydrologic information automatically extracted from digital elevation models[J]. Hydrological process，1991（5）：31-44.

[7]汤国安，杨昕.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006：478-492.

[8]许辉熙.基于DEM的川西山地河网信息提取[J].地理空间信息，2015，13（04）：65-67，13.

[9]何灿灿.基于DEM的数字流域特征提取及水文网络构建研究[D].西安：长安大学，2017.

（责编：王慧晴）