不同DEM 数据源河网提取对比分析- 以章江流域为例

陈路明 李明海 严 政

（江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州341000）

获取与真实状况吻合的河网是建立流域水文模型及进行水文研究的重要前提[1]，水体分布信息的准确获取对于水资源调查、流域综合治理、水利规划、洪水监测与灾害评估的领域具有重要的意义[2]。传统上从地形图种手动提取河网工作量大且地形图更新不及时，利用测绘仪器实地采集水系数据准确度最好但成本较高，大范围内提取水系不适用。基于DEM数据利用水文分析模型自动提取水系，是一种兼顾精度和效率的方法。

1 研究区与数据

1.1 研究区概况

本文选择江西省赣州市章江流域作为三种DEM数据河网提取河网准确度对比的研究区域。章江流域位于赣州市西南部，其地理坐标为113°54′～115°3′E，25°15′～26°14′N，地处武夷山脉西南麓，包含崇义、上犹、大余、南康和章贡五个县市级行政区。该地区处于亚热带季风气候区，地形以山地、丘陵为主，地势起伏较大，植被覆盖以林地为主。

1.2 数据与数据处理

本文所采用的DEM 数据为覆盖研究区的ASTER GDEM V2 数据和SRTM3 V4.1 数据，分别获取于CGIAR-CSI 和地理空间数据云网站，AW3D30 数据下载于日本宇宙航空研究开发机构网站，数据格式均为TIFF。行政边界数据来源于GADM网站2018 年4 月发布的中国行政边界数据库。ASTER-GDEM、AW3D30 和SRTM3 数据都采用WGS-84 参考椭球体的经纬度坐标。研究区域跨越了多幅源DEM影像，水文分析计算累计汇流量需要连续的DEM。所以对研究区内的ASTER-GDEM、AW3D30 和SRTM原始栅格影像，分别在在ArcGIS 软件中进行镶嵌，然后利用研究区域边界进行裁剪得到章江流域的DEM。

2 章江流域河网提取

2.1 水文分析模型简介

基于DEM提取河网的算法可以分为三种：基于图像处理的算法、基于地表几何形态分析的算法、基于地表流水物理模拟分析的算法。单流向算法由于比较简单得到了广泛应用，主要是最大坡降法（D8 算法）。D8 算法假设每个格网的水流只有8 个可能的流向，对每个流向用特定的数字编码，计算中心格网与周围8 个相邻格网的距离权落差，距离权落差值最大的格网就是水流流出的方向。以D8 算法为基础[3]，对流域河网的提取及流域划分模型也逐渐成熟，如ArcGIS 水文模块、ArcSWAT、TOPZ 分布式水文模型以及Arc Hydro Tools 等[1]。本文采用ArcGIS 的水文模块，分别提取三种DEM数据源的河网分布图。

2.2 提取河网准确度分析

研究区ASTER GDEM、SRTM 和AW3D30 原始DEM 经过ArcGIS 水文模块填洼后的特征如表所示。三种DEM数据源的汇流面积最大差值为57 平方公里，相对误差为0.78%。可以认为，三种DEM数据源都能用于统计流域面积。

填洼后研究区DEM 基本特征

为了使提取的河网更接近真实水系，方便与Google Earth水系和国家地理信息与测绘局发布的1:400 万基础地理信息图进行比较，经过多次实验之后，确定由各DEM提取数字河网时集水面积阈值均取625 平方公里，得到三种DEM提取的河网和国家1:400 万基础地理信息河网 如图。

结合DEM可以看出，在地形起伏变化较大的山地丘陵地段，三种DEM数据源提取的河网都能较为准确的反映河流流向，但是在地势起伏变化较小的平原地段，随着DEM数据源分辨率的降低，提取河网与真实河网相比出现的偏差越来越大；在一些地段，甚至会出现非常不合理的河网。AW3D30 的垂直精度最高，但是在一些河段提取的河网也出现了偏差，这是由于AW3D30 发布时间较晚，部分区域缺乏有效数据，采用的插值和数据填充方法还不尽完善，导致DEM数据质量较差。章江之上存在较多数量的大桥，可以看到在大桥处3 种DEM数据源提取的河网都与实际位置发生了微小偏移，这是由于之前填洼时未能排除桥梁和水坝引起的DEM异常。总的来说，AW3D30 提取的河网精度最高，但要注意检查数据总体质量。

章江流域河网对比

3 结论

本文采用ArcGIS 水文模块提取河网的方法，用三种可免费得到的最高分辨率的DEM数据，提取了赣州市章江流域的数字河网，并对提取的河网结果进行对比，得出了以下结论：

（1）在地形起伏的较大的地段，ASTER GDEM、SRTM 和AW3D30 提取的河网都能准确的反映河流走向，与真实河网的吻合度高。

（2）从DEM提取数字河网的精度与河道周围地形有关，地势越陡，地形越陡峭提取的河网精度越高，地势越平坦，提取河网的精度越低。在平原和地形平缓的区域提取河网，为了提高准确度，应优先考虑选择AW3D30 作为源数据。

（3）用地表漫流模型从DEM中自动提取河网的算法是一种理想状态下的模拟河网，只考虑到地形因素，而实际水系的形成是受多方便因素综合影响造成的。一般得到的DEM模型，包含了桥梁和大坝等人造地物的高程，这会对DEM水文分析造成异常。因此，要得到符合实际的高精度模拟河网，还应考虑人类活动对自然水流流向的影响，对DEM数据进行修正以及对算法进行相关改进。