基于DEM数据与GIS技术方法的水文信息提取研究——以莲花县为例

温春云，吴敦华，吴煜晨，胡 芳，刘聚涛

（1.江西省水利科学研究院，江西省鄱阳湖水资源与环境重点实验室，江西 南昌 330029；2.江西省鄱阳湖水利枢纽建设办公室，江西 南昌 330009；3.南昌高新技术产业开发区管理委员会，江西 南昌 330096）

0 引 言

DEM，即数字高程模型，拥有极其丰富的地形地貌等空间分布信息，对于地形分析、水文分析方面起着十分关键的作用。GIS，即地理信息系统，是一门结合地理学、地图学和计算科学的综合性学科，该技术已经被广泛运用到不同的领域，其中在水利领域的应用越来越广泛，其空间分析功能在水文分析方面有着较成熟的理论、模型。

近年来，众多学者运用GIS的理论技术方法，结合DEM数字高程模型数据，对水文信息提取方法的研究作了大量的工作。颜真梅等[1]以江津区笋溪河流域为例，详细介绍了在ArcGIS平台下，以数字高程模型数据为基础的流域水文信息的提取过程；闫玲等[2]依据不同的河网阈值将河网划分为2、3、4、5级，将各分级下的河网长度与实际河网长度进行对比，确定合理的河网阈值；张树君等[3]从河网密度与集水阈值的关系出发，选择二者拟合的最佳值（稳定值）来确定河网集水阈值；俞志强等[4]探索了顾及地物要素的水文信息提取方法，将影响地表径流的地物要素如道路、水渠、堤坝工程等信息融入DEM，增强了数据中地物的高程差异，达到了细化DEM目的；孔凡哲等[5]提出了利用河源密度与集水面积阈值的关系确定理想的阈值。

学者们针对于流域水文特征的研究，大多是对流域水文信息提取方法步骤的研究、前期基础DEM数据的完善与精度调整以及后期确定合理的河网阈值来提取符合实际的河网水系。本文认为，在基于一定合理的DEM数据情况下，最大限度影响河网水系拟合精度的是河网阈值的选定。本研究应用ArcGIS中的水文分析工具，以莲花县域内的水域为研究对象，基于研究区的DEM基础数据，提取了流向、流量、河网水系、流域面积等数据，研究了河网阈值与河网密度的关系，针对关系函数作了斜率分析，结合相关实例，提出了最符合实际水系状况的河网阈值，并进一步针对宏观规划方面给出了合理的河网阈值范围。

1 研究区域与数据

1.1 研究区域概况

莲花县位于江西省西部、萍乡市东南部，罗霄山脉北端，武功山南麓，县境东北与安福县接壤，东南毗邻永新县，西南与湖南省茶陵县、攸县相连，北面与芦溪县、湘东区交界。县域南北长约58km，东西宽约38km，地理坐标为东经 113°46′～114°09′，北纬 26°57′～27°27′。莲花县境内河溪纵横，水系发育，赣江主要支流禾水流经县内的流域面积969km2，占全县流域面积的91.2%，是县境内的主要河流；另有93km2属渌水流域，占全县流域面积的8.8%。

1.2 研究数据

本文采用DEM数据、行政区划矢量数据以及CAD水系数据3种数据进行模拟研究与实例验证。其中，DEM数据由NASA SRTM提供，空间分辨率为90m；行政区划矢量数据为莲花县1:50 000的shapefile数据；CAD水系数据为该县水利局提供的莲花县实际水系分布状况图。

图1 莲花县DEM和洼地填充后的DEM

2 水文信息提取

2.1 DEM数据提取

DEM数据是进行地理空间分析时最重要的数据之一。基于ArcGIS的水文分析模块，依据DEM原始数据，能够分析得到相关的水流流向、水流流量、河网水系、分水岭等关键的河流模拟数据[6]。因DEM数据为多个子DEM数据拼接得到，需要结合行政区划矢量数据进行裁剪，本文通过“洼地填充”在水文分析与模拟前，对DEM数据做预处理，得到莲花县范围内的DEM数据。

2.2 流向

模拟河流流向的最基本思路，即为“水往低处流”，运用某种基于DEM栅格数据的路径算法，模拟出河流的流向。目前有几种主流算法：单流向算法、双流水方向算法、三流水方向算法和多流向算法。本文研究分析采用ArcGIS软件模拟河流流向路径，该软件模块采用的是基于单流向算法的D8算法[7]。

2.3 网格累积流

网格累积流量表示每一单位栅格上的流水累积量，其计算的基本思想为：基于流向栅格数据可以确定每个栅格的水流流入到某一相邻栅格，同时也能确定每个栅格中的水流是由相邻某一栅格汇入的，若将每个单位的水流量设为1，最终各栅格均能得到一个累积的汇水量[8]。栅格的流量越大，表示对应实际区域越容易形成地表径流；栅格流量越小，表示该区域不足形成地表径流，流量为0时，代表该区域为山脊线，即分水岭。

2.4 河网水系

河网水系的提取依赖于栅格的水流流量数据，即县域范围内的流量栅格数据。上文提到，某一单位栅格的累积流量越大，越容易形成地表径流，当提取部分具有一定累积流量的栅格单元时，这些若干栅格所组成的区域即为河网水系[9，10]。因此设置一个合理的累积流量大小，即河网阈值，以此来提取河网水系是十分关键的一个步骤。

随着河网阈值的增大，河网密度逐渐减小，河网水系的信息也不断在减少，一些长度比较小的支流被剔除，保留了明显的主干流以及水系长度较大的一级、二级支流；随着河网阈值的减小，河网密度逐渐增大，河网水系的信息也不断在增大，一些细小的支流也能从河网水系中体现出来。但是当河网阈值过小时，一些伪支流、伪河网也从河网水系体现出来，影响了河网水系模拟的精度，会造成后续处理与分析的不合理。利用软件ArcGIS中的栅格计算器模块，以1 000、3 000、7 000以及10 000作为河网阈值提取河网水系，其梯度变化是显而易见的。所以，在运用流量栅格数据进行河网水系的提取时，要想控制住河网水系长度、河网流域面积，则要选择科学合理的河网阈值。如何选择合理的河网阈值是本研究的重点内容。

3 结果与分析

3.1 河网阈值的影响

本文以 1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000以及10 000等10个河网阈值对流量栅格数据进行河网水系的提取，得到的流域面积分别为1 056.22km2、1 047.15km2、1 036.50km2、1 030.53km2、1 026.95km2、1 025.8km2、1 021.77km2、1 020.78km2、1 016.47km2、1 014.88km2，详见表 1。从表 1 中可得出结论：随着河网阈值的增大，河网长度、流域面积以及河网密度都逐渐减小。河网阈值范围在1 000～2 000时，减小的幅度最大；河网阈值范围在1 000～4 000时，减小幅度逐渐缩小，但减小幅度仍具有一定数值；河网阈值在5 000到10 000时，减小的幅度趋于稳定。

3.2 河网阈值与河网密度的关联

由于人为设定河网阈值的影响，上文所设定的10种河网阈值哪一种或者哪一范围更加趋近于真实河网水系，目前不得而知。因此本文选取河网密度作为研究区河网提取定量分析指标，尝试分析河网阈值与河网密度的关系。由表1中的数据能够得到河网阈值与河网密度存在幂函数的关系：

式中：Y为河网密度（km·km-2）；X为河网阈值；R2为拟合程度。

表1 不同阈值下的河网信息

从公式（1）以及图2中可以看出河网阈值与河网密度的拟合程度极高，R2=0.999 2，这说明河网阈值与河网密度存在一定的相关性。

3.3 河网阈值与真实河网的关联

从图2可知，河网阈值与河网密度的函数关系为一条斜率在不断变小的光滑曲线。对公式（1）进行求导，求得曲线的斜率函数：

式中：Y′为河网密度（km·km-2）的导数；X 为河网阈值，K为曲线斜率。

图2 河网阈值-密度关系图

根据公式（2）获得河网阈值与斜率的关系如图3所示。从图3中可知，河网阈值1 000～2 000时，斜率的大小呈陡崖式下跌，这从侧面反映出由河网阈值1 000提取出的河网水系较由河网阈值2 000提取出的河网水系更为密集与复杂；河网阈值2 000～4 000时，斜率变化仍非常明显，说明河网水系的信息在进一步减少；河网阈值4 000～10 000时，斜率变化逐渐趋于平缓，说明河网水系的信息仍在进一步减少，但是从整体上看变化不大。

图3 河网阈值-斜率关系图

本文选取河网阈值 1 000、2 000、4 000、8 000 以及莲花县水系图，结合相关莲花县水系资料作进一步验证。图4可以反映出不同河网阈值提取出的河网水系较真实河网水系的差异。河网阈值为1 000时，模拟莲花县河网水系过于密集，存在很多的伪河流与冗余信息；河网阈值为2 000时，模拟莲花县的河网水系较为贴近实际水系。依据莲花县水系图以及相关资料，莲花县水系总长约为620.39km，流域面积为1 062km2，河网密度为0.584 2km·km-2。将实际河网密度值代入公式（1），得出河网阈值约为1 961，接近于河网阈值2 000，说明基于河网阈值2 000提取出莲花县的研究范围的河网水系能够较贴切地反映出县域内实际河网水系的分布情况；河网阈值为4 000与8 000时，河网水系信息逐渐减少，许多细小的支流被剔除，但是莲花县的主干流禾水及其重要的支流，如雨村水、云溪河、湖上水、坊楼水、玉带溪以及渌水的一级支流麻山水都能完整地进行模拟，包括了莲花县县级河长制所囊括的全部河流，说明能够在一定程度上反映县域内总体河网水系的分布情况，能够从宏观上规划与把控县域水系概况。

4 结论与讨论

本文依据较高精度的DEM数据，利用ArcGIS中的水文分析模块，结合相关实地勘察资料，对相关水文信息进行了提取，并着重针对河网水系的提取作了分析与实例验证，具体结论如下：

（1）基于GIS对于河网水系的模拟，河网提取阈值与河网密度具有极大的相关性，为幂函数关系。随着河网阈值逐渐增大，河网密度不断减小，减小幅度逐渐趋于稳定。

（2）基于相关实例验证，河网提取阈值为2 000（流域面积为1 047.15km2）时，提取出的河网水系，其河网长度、流域面积、河网密度以及空间分布都较契合于莲花县域内的实际河网水系状况。

（3）河网提取阈值大于2 000时，随着河网阈值的增大，河网水系的信息逐渐减少，细小的支流将不断从模拟的河网水系逐渐剔除；从河网提取阈值4 000开始，河网水系在整体上趋于稳定，保留了主要干流及其支流的河网信息，能够从宏观上把控区域内的河网水系分布情况，对于县域内实施针对河网水系的管理与制定相关政策与规划有所帮助。

图4 模拟河网水系与实际水系情况的对比

（4）针对基础DEM数据进行洼地填充时，因没有较为精准的地形图提供支撑，所以利用ArcGIS中的默认阈值进行洼地填充，与区域内的实际洼地情况有所差别。因此会造成后续的模拟河网水系在某些细小的区域不符合实际状况。