基于渭河子流域DEM数据的镶嵌及水文信息提取

陈恬玥

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨陵，712100)

0 引言

河流水文信息的研究对水文与水资源专业具有着重大意义，是每一位水文人的必修课，随着计算机技术的发展进步，地理信息系统、数字化流域技术日益成熟和精进[1]，为利用DEM高程数据提取水文信息提供了非常大的便利。数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)，其主要来源为摄影测量、地面测量、已有地形图数字化、用测量仪器实地测量等，因其包含了丰富的水文、地形、地貌等信息，而且获取方便，常被用来作为水文提取、地形研究的基础数据[2]。本文基于对河流DEM高程数据的处理，对水流方向、水流长度、流量等一些水文信息的提取进行相关研究及分析。

1 研究区概况

渭河子流域(宝鸡峡以上)位于渭河流域西部，地处陕、甘、川三省交界处[3]。该流域属于温带大陆性季风气候，平均气温为11℃，一月最低，七月最高，整体呈现由东南向西北逐渐降低的趋势。受西太平洋副热带高压影响，夏季多雨，秋凉湿润，冬季受蒙古高压控制，降水稀少，年平均降水量491.7mm，自东南向西北逐渐减少[4]。渭河流域集中了全省64%的人口、56%的耕地、72%的灌溉面积和81%的生产总值，工农业非常发达，是陕西经济发展的核心地带。宝鸡峡作为渭河流域上重要的水利枢纽，其周围流域河系对其发挥功效有着重大影响，因此，对其流域水文信息的提取及分析至关重要。

2 DEM高程数据来源、镶嵌及渭河子流域的提取

2.1 数据来源

本文所用DEM高程数据来源于地理空间数据 云(http://www.gscloud.cn/)的GDEMDEM30m分辨率高程数据，取N34＿E103、N34＿E104、N34＿E105、N34＿E106、N34＿E107、N35＿E103、N35＿E104、N35＿E105、N35＿E106、N35＿E107十张影像图像，并进行镶嵌处理。

2.2 数据镶嵌

数字高程模型的镶嵌与图像的镶嵌技术本质大致相同，皆需将若干相邻的待镶嵌数据通过一定的算法合并成新的完整数据[5]。本文基于ArcGIS10.5中的镶嵌数据集(Mosaic Dataset)对DEM数据进行镶嵌，大致分为两步:

(1)建立镶嵌栅格数据集:在ArcCatalog中先新建个人地理数据库，再在数据库中添加栅格目录(Raster Catalog)，在目录底下建立镶嵌栅格数据集(Raster Dataset)。

(2)添加影像数据并进行镶嵌:在右侧的工具栏中点击Data Mangement——栅格(Raster)——栅格数据集(Raster Dataset)——镶嵌(Mosaic)，将数据镶嵌到数据集中，便可得到镶嵌后的图像。

2.3 渭河子流域的提取

在提取前应先获取渭河子流域研究区面矢量文件，将全国县级行政区(面)矢量文件与DEM高程数据镶嵌图进行叠加，打开图层属性表，选中自己所需的区域，导出数据，即可获取渭河子流域研究区的面矢量文件，用于裁剪镶嵌好的图片。再基于渭河子流域研究区的面矢量图对DEM高程数据镶嵌图进行按掩膜提取，在右侧按照以下顺序选择工具:Spatial Analyst Tools——提取分析(Extraction)——按 掩 膜 提 取(Extraction by mask)，对渭河子流域研究区进行提取，结果如图1所示。

图1 渭河子流域研究区DEM

3 水文信息的提取

3.1 水文地理数据模型Arc Hydro

随着科学技术的进步，对于DEM提取流域水文信息的方法也越来越智能化，人们根据不同原理开发了一系列软件，常用的软件如ArcGIS、GRASS系统、River Tools、WMS软件等[6]，不同的软件提取流域水文信息的侧重点是不同的。Arc Hydro是一个在ArcGIS里面用来分析地理空间的数据模型和工具，运用Arc Hydro可以对分水岭在矢量及栅格状态下进行刻画及描绘，定义及分析水力几何网络，管理时间序列数据以及设定和导出数据到数字模型，其工具集由Esri和CRWR共同搭建，需要在ArcGIS环境中运行，一些功能需要空间分析(Spatial Analyst)扩展，可以在对DEM数据进行填洼处理后，实现水流的地表模拟过程中的水流方向的确定、汇流量积累以及河流长度的计算、河网的提取等功能。

3.2 洼地填充

DEM被认为是较为光滑的地形表面的模拟，但是由于生成DEM数据的过程大多数是由离散的高程点或者等高线数据进行插值(反距离加权、样条、克里金插值法)获得，使DEM数据中可能存在一些洼地，如果DEM数据不进行填洼处理就用来生成流向，这些洼地像元的数值会用其周边像元的最低值填充，进而导致水流流向计算出现偏差[7－8]，影响后期水文信息提取的精确度，因而在提取水文信息之前可使用Arc Hydro中的Fill工具对DEM数据进行填洼处理，从而保证从DEM数据中提取的自然水系是连续的。

3.3 计算河流方向及河流长度

在对栅格表面进行填洼处理后需进行流向计算，以确定DEM中每个栅格的水流方向。Arc Hydro中的Flow Direction工具可以通过计算每个栅格单元水流的方向，最终得到整个研究区水流流向的栅格文件。Arc Hydro模型中利用目前最广泛使用的单流向算法D8算法，即最大距离权落差或最大坡降法[9]，在3×3的DEM栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间的距离权落差(即栅格中心点落差除以栅格中心点之间的距离)，取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格。其中以数值表示每个单元的流向，数字变化范围是1～255。具体原理如图2所示。

图2 D8算法原理

而对于河流长度的计算，则是基于流向栅格的基础上应用Arc Hydro中的Flow Length工具，根据流向栅格计算流长，即计算每个单元格沿着流向到其流向起始点或终止点之间的距离。经分析，此研究区流域水流方向较为复杂，且在研究区左下部存在一定范围的水流连续向东流动的情况，中上部流域河流长度较长，并且河流长度以中上部流域为中心向四周大致呈递减趋势。

图3 渭河子流域河流方向栅格

图4 渭河子流域河流长度栅格

3.4 计算汇流累积量

汇流累积量是此范围内每点的流水累计程度以数字矩阵的形式表示，以规则的网格划分整个区域形成栅格图，水流按照从高至低的自然规律流动，对每个栅格来说，其汇流累积量的大小即其上游按水流方向流经此格网的所有格网数之和。易知，汇流累积量数值越大，形成地表径流的可能性越大，较大值的栅格的连线可能就是潜在河网，汇流累积量为0的栅格像元通常对应山脊线。因此，在提取河网前应先计算汇流累积量，可调用Arc Hydro中的Flow Accumulation工具进行流量计算。

3.5 河网的提取以及阈值对其的影响

河网指的是分布较密的交错纵横的河道所构成的水系。自然形成的水系千变万化，归纳起来大致可分为3种，即“羽毛状”“平形状”“混合状”，其不同形状影响着各流域径流的变化。河网提取过程主要是基于汇流累积量数据，当汇流累积量达到一定值时便可通过设定适当阈值来提取河网[10－11]。在ArcToolbox中的Spatial Analyst中调用栅格工具，输入公式及不同的阈值后可对不同密度的河网进行提取，分别取阈值为4000，200000，2000000，提取结果如图5、6、7所示。

图5 阈值为40000时的河网分布

图6 阈值为200000时的河网分布

图7 阈值为2000000时的河网分布

基于不同阈值下提取的河网密度一般不同，针对此研究区，在阈值取为2000000时提取出的河网分叉过少，不能描述此区域的流域分布情况，在一定程度上失去了研究意义。通常情况下，阈值设定的越小，提取出的河网分叉越多、越复杂。因此，进行水流网络的提取，关键是根据汇流累积量设置阈值，由此可见河系网络提取的关键因子是阈值。

4 结论

本文以渭河子流域(宝鸡峡以上)为研究区，基于ArcGIS10.5技术对其DEM高程数据进行预处理，并对其水文信息的提取原理及结果进行了分析研究，得出以下结论:

(1)在提取镶嵌好的DEM高程数据图时不采用clip工具，而采用Extraction by mask工具可以避免因栅格数据和矢量数据坐标范围不一致而导致数据丢失的问题，保证了提取范围的精确性。

(2)基于不同集水面积阈值提取的河网密度有所不同。阈值是提取流域河网密度的决定性因素，阈值设定越大，提取河网密度较稀疏，可根据流域自然地理状况及提取需要设置不同阈值以精确提取河网。

(3)流域是水资源的自然载体，也是水资源规划、管理、开发、利用、保护与科学研究的基本应用单元，通过对流域水文信息的提取可以更进一步对流域的水文要素进行探究，在水文工作上有着重大的意义。

(4)Arc Hydro工具的应用保证了提取流域水文特征信息的高效性以及准确性。随着Arc-GIS技术的广泛应用，研究人员应对其进行更加深刻的研究并且加以创新，熟练掌握，更好地为水文工作的完成提供保障。