基于DEM 的成都市数字河网特征及空间分布格局研究

2022-06-16任德智刘益廖兴勇肖前刚王勇军朱文东

四川林业科技 2022年3期

任德智 ,刘益 ,廖兴勇 ,肖前刚 ,王勇军 ,朱文东

1.成都市农林科学院林业研究所，四川成都 611130；2.成都兴绿林业科技发展有限公司，四川成都 611130

DEM 数据因包含丰富的地形地貌、流域及水文等信息和参数，非常适合计算机进行描述和数字化提取[1-2]。通过学者们对数字河网提取方法[3-6]、提取精度[7-9]等的不断研究，基于DEM 提取数字河网已经发展为一种简便而快捷的技术手段[1,10-14]，广泛应用于水文[15-16]、流域[17-18]等很多方面。成都市作为全国公园城市首提地和先行区，在新一轮城市总规中制定了“以水定人、以地定城、以气定形”的“三定”发展思路，水被列为城市规划首要因素，直接决定了城市的人口规模和分布格局。而河网水系作为水资源的重要载体，深刻影响着水资源的分布格局及水生态健康，然而目前成都市的数字河网专题研究基本未见报道。因此，厘清成都市河网水系数量特征及空间分布格局，对于助力成都新一轮城市规划，合理分配与科学保护水资源，维护水生态健康和水安全，保障美丽宜居公园城市生态建设具有非常重要的价值和意义。

1 研究区概况

成都市位于四川省中部，成都平原东部，四川盆地西部的岷江中游地段，介于东经102°54′—104°53′和北纬30°05′—31°26′之间，全市东西长192 km，南北宽约166 km，总面积14 335 km2[6]。全市地貌类型主要为山地，地势总体呈西北向东南倾斜，西部以山地为主，中部为平原区、东部低山丘陵区，形成了平原、丘陵、高山各占三分之一的独特地貌类型。境内海拔介于359～5 364 m 之间。气候属亚热带湿润季风气候区，年平均降水量873 mm～1 265 mm。[6]

全市水系分属岷江和沱江水系。其中，岷江水系于都江堰山口进入平原后经都江堰水利工程分为内外江。内江分为蒲阳河、走马河、柏条河、江安河。外江分为金马河、羊马河、沙黑总河。沱江水系主要由绵远河、石亭江、渝江组成。

2 数据与方法

2.1 数据来源

研究使用ASTER GDEMV2 版DEM 数据来自于地理空间数据云（数据来源：http://www.gscloud.cn），空间分辨率为30 m×30 m，投影标系为D_WGS_1984。

2.2 研究方法

2.2.1 河网提取

研究采用目前应用较多的均值变点法确定最佳集水面积阈值[6,19-23]，具体步骤如下：

a 单位地势度序列

式中：Ti为分析窗口下的单位地势度；ti分析窗口下的河网密度；si集水面积阈值（km2）；i为矩形邻域的边长（m）。

b 对序列T 取对数ln(T)，得到新序列X，X为{xi,i＝2,3,4···40,45,50,55,60,65}。

c 序列X 的算术平均值X

d 序列X 的统计量S和Si

运用公式（3）计算得到统计量S。

令i=2，……，n，对每i将样本分为两段:X1，X2，……，Xi-1和Xi，i+1，n，算每段样本的算术平均值及统计量Si。

e S 与Si差值图

利用EXCEL 软件做S 与Si差值图，提取曲线变点，即最佳河网提取阈值。

2.2.2 河网数量特征

（1）河网长度和河网密度

河网密度指河网长度与对应区域面积的比值。运用ARCGIS10.6 的几何计算、字段计算器等工具计算、统计成都市最佳阈值下的河网长度和河网密度。

（2）河道弯曲系数

河道弯曲系数指河道的实际长度与对应河道直线长度的比值[24]。研究以1.3 作为平直河道和弯曲河道的分界点，即：弯曲系数小于1.3 的河道为平直河道，大于等于1.3 为弯曲河道。弯曲系数越大，表示河道越弯曲，汇流时间较长，水流速度越小，水对河道的冲刷力越小，调蓄能力弱[18]，对航运及排洪越不利，但是有利于自身的河流健康。

研究运用ARCGIS10.6 的属性分割工具按级别分割河网，用点线转换工具提取河网端点，获取对应的直线河网，使用字段计算器求算出河道弯曲系数，统计分析各河道类型长度及特征。

2.2.3 河网空间分布特征

在ARCGIS10.6 中将成都市最佳阈值的数字河网与地形地貌、流域叠加制图，探讨河网空间分布格局。基于ARCGIS10.6 的水文分析模块，构建批量河网提取模型（见图1）。

图1 ARCGIS10.6 基于DEM 批量提取河网模型Fig.1 ARCGIS10.6 batch extraction of river network model based on DEM

3 结果与分析

3.1 成都市不同集水面积阈值与河网密度关系

在ARCGIS10.6 批量提取河网模型中输入DEM数据及参数，运行模型得到不同集水面积阈值下的河网，求出不同阈值下河网密度。运用EXCEL2010软件建立集水面积阈值与河网密度的关系图（见图2），并进行对数方程拟合，决定系数：R2=0.912 5，拟合效果较好。从图2 可知，集水面积阈值与河网密度呈负相关，河网密度随集水面积阈值增大降低，呈由快变慢，最后趋于平稳的变化趋势，其中，曲线由陡变缓处（变点）对应的集水面积阈值即为河网提取的最佳阈值。

图2 河网密度与集水面积阈值对应关系拟合曲线Fig.2 Fitting curve of relationship between river network density and catchment area threshold

3.2 确定成都市河网提取的最佳集水面积阈值

从图3 的S-Si 变化曲线可知，第19 个点时SSi 差值达到最大，该曲线变点即为最佳集水阈值，该点对应的像元数为7 800，集水面积为7.02 km2。

图3 S 与 Si 差值图Fig.3 The difference diagram between S and Si

3.3 成都市河网数量特征

3.3.1 河长

（1）成都市河长

从图4 可知，成都市河网共5 级，总河长4 949.74 km。按河道类型，平直河道1 520.40 km，弯曲河道3 429.34 km，表明全市河道以有利于自身河流健康的弯曲河道为主。按河网级别，平直河道介于0～1 126.71km，弯曲河道介于21.69～1 457.51 km 之间，同级河长中，弯曲河道河长均高于平直河道，不同河道类型中均Ⅰ级河长最长，且河长均随河网级别增加快速递减。

图4 成都市不同流域、地貌类型及河道类型河长图Fig.4 River length map of different river basins,different landform types and river channel types in Chengdu

（2）不同流域河长

从流域河长来看，岷江流域河长为2 589.80 km，沱江流域河长2 359.94 km，分别占总河长的52.32%和47.68%。从图4 的流域河长分析表明，流域间河长以岷江流域总河长、按河道类型河长均相对较长。流域内，均以弯曲河道为主，同级河网河长弯曲河道均不同程度高于平直河道；不同类型河道河长均以Ⅰ级最长，且河长均随河网级别增加快速递减。

（3）主要地貌类型河长

成都市主要3 种地貌类型中，丘陵地貌河长2 122.95 km，平原地貌河长2 043.46 km，山地地貌河长783.33 km，分别占总河长的42.89%、41.28%和15.83%。从图4 的地貌类型河长分析表明，不同地貌类型河长以丘陵和平原为主，山地最小。河道类型对比表明，山地地貌中以平直河道明显占优，平原和丘陵则明显以弯曲河道为主，表明地貌类型可能对河道类型产生明显影响。除山地弯曲河道外，不同级别河长以Ⅰ级河长最长，均为随河网级别增加，河长递减的趋势，但递减速度在不同河道类型和级别间有明显差异。

3.3.2 河网密度

（1）成都市河网密度

从图5 知，成都市平均河网密度0.35 km·km-2，不同级别河网密度介于0.00～0.18 km·km-2之间，河网密度随河网级别的增加快速递减。

图5 成都市不同流域、地貌类型分级河网密度图Fig.5 River-net density map of different river basins and geomorphic types in Chengdu

（2）不同流域河网密度

从图5 可知，岷江流域和沱江流域的平均河网密度分别为0.36 km·km-2和0.33 km·km-2，其差异较小；不同流域间，河网密度均随河网级别的增加快速递减，与全市变化趋势一致。

（3）不同地貌类型河网密度

成都市三种主要地貌类型中，以平原的平均河网密度最高，为0.47 km·km-2，丘陵次之，为0.31 km·km-2，山地最低，仅为0.26 km·km-2。各地貌类型均以Ⅰ级河网密度最大，各级河网密度介于0.00～0.21 km·km-2之间，随河网级别增加快速降低；相同级别河网均以平原地貌河网密度最高，丘陵次之，山地最小。（见图5）

3.3.3 河道弯曲系数

（1）河道弯曲系数

成都市平均河道弯曲系数为1.39，不同级别河网的河道弯曲系数介于1.33～1.65 之间。从图6 可知，随河网级别增加河道弯曲系数呈总体增加的趋势，表明全市河道总体上属于弯曲河道，随着河网级别的递增，弯曲程度变大，河道汇流时间变长，流速度变小，水对河道的冲刷力变小，河道的调蓄能力变弱，但河道弯曲程度的增加，更利于提升河流建立和维持其生态系统健康的能力。

图6 成都市不同流域、地貌类型分级河道弯曲系数Fig.6 River bend coefficient of different river basins and geomorphic types in Chengdu

（2）不同流域河道弯曲系数

从图6 不同流域的结果来看，岷江流域和沱江流域的平均河道弯曲系数分别为1.36 和1.43，均属于弯曲河道类型。从河网级别来看，除岷江流域的Ⅳ级河网河道弯曲系数为1.17，属平直河道外，其余均属于弯曲河道。2 个流域的河道弯曲系数随河网级别增加总体呈增加的趋势。

（3）不同地貌类型河道弯曲系数

成都市平原、山地和丘陵地貌平均河道弯曲系数为1.54、1.33 和1.30，整体表现为弯曲河道类型；结合图6 可知，仅山地和丘陵地形中少数级别河道弯曲系数低于1.30。表明成都市不同地貌类型中，大部分级别的河道均为有利于健康的弯曲河道；不同地貌类型中以平原地貌河道为更利于健康，河网级别越高也更容易形成有利于健康的河道。

3.4 成都市河网空间分布特征

从图7 可知，成都市西南部岷江流域和东北部沱江流域均包含了平原、丘陵和山地3 种地貌类型，其中，沱江流域以丘陵地貌类型占比较高，而岷江流域内3 种地貌类型差异相对较小。河网分布的均匀程度在岷江流域明显高于沱江流域。不同地貌类型，以中部平原河网相对最密，东部及西南部丘陵次之，西部山地最疏。随着河网级别增加河网的分布的聚集度增加。岷江流域Ⅳ级和Ⅴ级河网主要集中在流域内平原的南部区域。沱江流域仅有2 条，其中，1 条至西向东穿越流域中部平原区由青白江区流出市域；另1 条则主要分布在简阳市的东南部至西向东南流出市域。不同河道类型，平直河流主要为Ⅰ级Ⅱ级的低级别河网，其中，Ⅰ级河网分布的均匀性最高，随着河网级别增加，平直河网数量急剧降低，分布也变得更为集中。岷江流域Ⅲ级以上河网平直河道仅有3 条，其中1 条分布在流域最东部山地，另外2 条则分布在流域中东部平原南部区域；沱江流域仅有2 条，分布地中部平原与丘陵交错带。弯曲河道相对平直河道则呈分布更广，且均匀性更高。

图7 成都市河网空间分布图Fig.7 Spatial distribution map of river network in Chengdu

4 讨论与结论

4.1 讨论

（1）河网阈值确定方法

已有的研究成果[3-6]表明，最佳集水面积阈值是河网提取关键因子之一，其大小直接决定提取河网的精度。现有的方法中大多通过建立河网密度（或水系分维数）与集水面积阈值之间关系曲线，运用目视解译、导数法、均值变点法、切线方程求解等得到转折点（拐点），转折点（拐点）所对应的阈值即为最佳集水面积阈值。但是，转折点（拐点）确定方法中，有的操作简单但是受人为主观影响较大，如目视解译法等；有的虽受人为主观影响小但是求算过程相对复杂，如切线方程求解法等；有的可能出现无法求得转折点（拐点）的情况，如导数法。本研究采用的是均值变点法，属求算过程略复杂，不受人为主观影响的方法，但是阈值间隔大小会一定程度上影响提取精度，研究最佳集水阈值为7 800 个像元（7.02 km2）。因此，探讨操作简单、不受人为主观影响且精度高的最佳阈值确定方法仍是今后研究的重点和难点。

（2）地貌对河网提取精度的影响

李世有[8]研究指出，同一个流域，用同一个集水面积阈值提取河网无法完全模拟出真实的河流水系。本研究通过提取河网与高清遥感影像对比结果表明，数字河网与实际河道间存在着不同程度的河道偏移和河网形态失真，且在不同地貌类型间差异非常明显，其中，以平原差异最大，丘陵次之，山地最小，这与宋晓猛[17]等研究成果一致。因此，如何快速有效提取复杂地形下的精准数字河网仍将是当前及未来一个重要研究方向，也是未来数字水文学研究的重要基础。