基于DEM流域水系提取研究进展分析

宋桃云

（北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

地理信息技术（GIS）成为了地理学研究的热门语言，地理数据是地理信息系统的重要组成部分。DEM流域提取过程是获取地理数据的一种方式，可获得丰富的水文信息，能够反映地形地貌特征[1]。因此，被广泛应用于景观设计、流域仿真、防洪灾害、测绘制图等领域，是测绘学、地理学、地貌学研究的热点。坡面径流提取河网运用广泛，学者对精度提高了要求，通过改进处理方法进一步优化流域模拟效果[2]。国内相关研究应用相对较晚，但20世纪90年代以来，DEM自动获取流域特征越来越高效快捷，进入流域数字化迅速发展阶段。

1 DEM预处理

流域水文分析是建立在无洼地上的DEM数据提取水文特征，但是实际操作中普遍存在小平原和凹陷洼地，洼地的存在会阻碍自然水流流向，导致提取发生错误。为了确保提取的流域水系是连续的，要在流域提取之前对洼地进行填充预处理。

Wang等[2]通过降低洼地边缘的栅格单元高程进行改进，提出了洼地裂开法。Lindsay等[3]对洼地填充和洼地裂开法进行比较，得到快速有效的处理方式。孔凡哲等[4]认为由于输入数据质量低、DEM生成过程中插值误差引起平坦区和封闭洼地，通过添加高程信息来消除，使得流场结构匹配精确。为避免传统填洼方法进行增高处理，李辉等[5]提出一种三方向搜索的洼地处理方法，主要通过对洼地和周围网格高程值进行增减以达到目的。曾向辉等[6]通过在J＆D和M＆V算法基础上建立改进的W＆L算法，对填洼后DEM升序排序，逐步对每一栅格进行计算。从上述研究中看出，对洼地和小平地的处理方法不同直接影响到流域提取效果，虽对算法有所改进，但不确定算法的通用性。

2 流向判断

地表径流总是从高地势向低流，最后经流域出口汇流。常用的单流向法是D8法，通过计算中心栅格单元与相邻8个栅格的最大距离落差值来确定。若差为正值，则为流出；否则为流入。

单流向法不适合模拟水流在坡面上漫流情况，会出现大量平行流现象，接着对多流向算法进行研究，有混合算法、矢量栅格算法等。秦承志等[7]在基于栅格DEM的多流向算法述评中，根据水流分配策略，将多流向算法分为4类，水流分配权重随局域地形特征变化的多流向法精度更高。他提出的（MFDfg）法[8]，水流分配随着下坡坡度变化，采用最大下坡坡度的线性函数对水流分配进行加权，结果更合理。王玉着等[9]从河网空间形态和算法效率方面对比了多流向、R＆N法和D8法，表明多流向具有优势。需要指出的是，地形因素影响流向，各种流向算法的应用要基于一些基本假设，应结合实际情况进行考虑。

3 模型与算法

数字流域提取的软件工具主要有TOPAZ、RiverTools、ArcGIS。ArcGIS应用广泛，功能强大，水文模块是其很小一部分，以子流域作为流域特征值的单位统计，对整体区域参数的整理重复烦琐[10]。叶爱中等[11]结合图论与水文学思想，不再进行填洼处理，从流域出口直接向上搜索，通过图的遍历确定流向的自动提取河网与流域划分的方法AEDNM。张鑫等[12]针对早期DEM数据缺乏、精度低、覆盖范围小等问题，建立KH-9数据的山地冰川提取流程。赵冰雪等[13]对山区水体提取出现的阴影问题和河流断线问题提出解决思路，基于OLI和DEM数据提取方法简单，面状水体齐全，线状水体连续。马永明等[14]基于SWAT模型探讨河道剖面和地形特征对水系提取精度的影响。

4 分辨率

通过提取河网，进行不同尺度水文模型计算，存储地形参数。张宏才[15]认为尺度问题具有明显的制约作用，不同分辨率DEM提取水系有很大差别。康婷婷等[16]以1︰50 000和1︰250 000两种尺度的数字化水系修正DEM进行对比，在精度较高、起伏较大的地区，后者用于修正效果较好。孙爱立等[17]选取我国50个子流域作为样本，确定最佳集水面积，采用相关分析和多元性回归分析，得出阈值与降水、坡度、地表覆盖的定量关系。石磊等[18]进一步分析高程、坡度、地面粗糙度，来确定分辨率合理范围。王英等[19]基于WEP-L模型计算坡度，利用分形结合半方差函数分析低分辨率向高分辨率的转换规律。李思进等[20]基于点云数据建立不同分辨率的DEM数据集，研究对黄土侵蚀沟的地形形态影响因素。需要指出的是，不同分辨率对提取结果产生的影响较大，需要找到适宜该地区的分辨率。

5 地形区域

流域特征提取研究已经经历了半个世纪，在各个区域里都有开展。徐新良等[21]将全国流域划分为14大流域片分别提取。俞雷等[22]以重庆三峡库区为研究对象，应用burn-in算法修正河道及两侧栅格单元，对发生偏差的平坦区域叠加到实际DEM中。不仅对流域，对城市集水区域也适用，如杨华容等[23]对巴中市的研究，左文君等[24]对城市河网水系提取的研究。对丘陵山区等高程地的研究较多，如陈勇等[25]研究丘陵山区土地平整土方量的计算；黄晶晶等[26]研究丘陵山区局地水系提取并讨论分形分维特征；吴婕等[27]选择高山、中山、低山3种地形样区，凸显山顶点和鞍部点一体化提取的优点。研究的地形主要以山地为主，逐渐向平缓区改进，但使用DEM对平缓区的研究误差较大。

6 结语

DEM数字流域水文特征提取广泛运用于分布式水文模型，今后该研究依旧是热点，已经形成了比较成熟的框架模型和算法，但存在一些实际问题需要考虑：1）流向的判断中出现平原区时较难判断，单流向对DEM原始数据要求较高，多流向则对算法要求较高；2）大量研究表明，DEM分辨率的不同会产生影响，具体怎么确定分辨率的合理值需要每个研究区视实际情况而定，精度的修正效果没有参考值判定；3）现在使用的DEM提取数据主要针对具有高程的丘陵山地等地形，对于平原区提取结果存在较大误差，人类活动也影响原始数据提取。需要进一步对适用于平原区、河道及河岸高差不明显的区域开展研究，产生适合更多不同区域地貌的方法，为更广泛的水文分析提供基础。