基于DEM流域河网水系提取和面雨量计算研究

曾广旭 曾月明 夏侯斌 谢苇华

摘要 基于DEM高程数据和ArcGIS 10.2工具软件，分析了赣江峡江枢纽流域水系的数据预处理、水系提取和面雨量计算的原理、过程和方法，通过水系的提取确定流域控制范围，为流域降水监测、面雨量计算和预报预警提供科学依据。

关键词 DEM；ArcGIS；水系提取；面雨量；峡江枢纽

中图分类号：TV125 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

在精细化的流域面雨量实况监测和预报预测预警气象服务中，对流域河网的水系特征、流域水系、流域边界和地形地貌特征等信息进行分析十分重要，流域河网的提取是流域面雨量计算、预报和水文模型建立的重要基础数据[1-3]。基于ASTER GDEM 30 m分辨率高程DEM数据，利用ArcGIS 10.2工具软件实现峡江水利枢纽赣江流域的河网提取。

1 流域水系提取研究

1.1 研究区概况

峡江水利枢纽位于吉安市峡江县，处于赣江流域中游，水域从上游而下流经泰和县、吉安县、吉州区、青原区等县（区），有乌江、孤江等支流汇流至峡江水利枢纽流域，是集船舶运输、洪水防护、水利发电等于一体的梯级控制性水利枢纽。流域集雨区地形以丘陵为主，南高北低，东西两边地势高。该流域属亚热带丘陵山区湿润季风气候区，全年雨量丰沛，近30年年均降雨量1 570.0 mm，但降水量的时空分布不均匀，年降水量的72%集中在3—8月，其中，汛期4—6月雨量占年降雨量的43%。

1.2 数据源和预处理

使用ASTER GDEM 30 m分辨率数字高程数据，投影为GCS_WGS_1984，数据范围为113.99°～116.00°E，25.99°～28.00°N，数据值域范围为-105～2 128 m，比例尺为1∶25万，其垂直精度和水平精度分别为30、20 m。

DEM数据因分辨率精度等会形成伪洼地现象，伪洼地会对准确计算水流方向产生一定的影响[4-5]。因此，在计算确定水流方向前，先对伪洼地的数据进行处理，将中心点逐个与紧邻周边点的高程值进行比较，当中心点高程值比紧邻周边高程值小时，则将中心点的值修改为紧邻周边点的最小值，将洼地栅格填平，保证所有栅格的水流方向通畅，重新生成具有一定流向无洼地的DEM高程数据（图1）。洼地填充通过ArcGIS水文分析中的填洼工具实现。

1.3 水系的提取

1.3.1 确定水流方向 流域河网水系的提取首先应获取水流方向，运用D8算法计算（图2）得到水流方向，在3×3九方栅格中，用中心栅格与其紧相邻的8个方向栅格的高程值进行计算，得出8个方向的距离权重坡度。如果是上下左右4个紧相邻的栅格，其距离权落差坡度用计算到的高程差数值除以1.0；如果是4个斜角上相邻的栅格，其距离权落差坡度用计算到的高程差数值除以1.414，用计算出的距离权落差逐个进行比较，判断出水流的方向。如果距离权落差的值＞0，则该栅格单元为流出，如果＜0，则栅格单元为流入。

1.3.2 计算汇流累积量 以流向数据栅格为输入，计算水域内汇流的累积栅格图。其方法是先扫描每个DEM栅格单元，在流向矩阵的指导下追踪流向，直至流向到达DEM区域的边界，从而得出整个DEM区域的径流累积量。通过ArcGIS水文分析中的流量工具。计算生成汇流累积栅格图后，即可观察所形成的河流网络。

1.3.3 提取流域栅格 利用ArcGIS中的栅格计算器工具，将汇流累積栅格图作为输入数据，实现对数据的计算和处理[6]。在栅格计算器工具使用条件分析SetNull（参数1，参数2）语句，将栅格图中满足条件的栅格值设置为NoData，输出所需径流累计量的河网栅格。SetNull（参数1，参数2）有2个参数，参数1表示需要设置为NoData的条件，条件为true时返回NoData，条件为false时返回参数2指定的栅格。通过SetNul（“Flow_Accumulation” ＜ 阈值，”Flow_Accumulation”），分别设置栅格汇流阈值为1 000、3 000、5 000，输出流域河网与地形图叠加，并与实际进行比较，最终确定阈值为3 000与实际最为接近（图3）。

1.3.4 河网栅格矢量化 以生成的阈值为3000的流量栅格数据作为输入，运用ArcGIS水文分析中的河流链接工具，首先获取到每个河网弧段的始末点，并计算出汇水区的出流点。其次，使用斯特拉勒方法对河网进行分级，为每个河流分配1个级别值。最后，将流量栅格图矢量化，使用gird_code字段中的唯一值绘制直观显示的河网（表1、图4）。

1.3.5 提取流域 使用编辑工具标注河网的汇流点（倾泻点），采用捕捉倾泻点的工具对河网流域进行分析，捕捉河网流域内累积流量最大的栅格点确定倾泻点，再以倾泻点为中心，一定距离范围内搜索累积流量最大的栅格点，并将倾泻点移动至此处。使用分水岭工具进一步处理流域，提取出流域的分水岭，得到赣江峡江枢纽流域图（峡江枢纽至石虎塘航电枢纽段）（图5）。通过ArcGIS计算出的峡江枢纽至石虎塘航电枢纽段控制的水系流域面积为1.63万 km2。

2 流域面雨量计算分析

提取出的峡江枢纽至石虎塘航电枢纽段的水系流域包括永丰、吉水、吉州区、青原区、吉安县、安福、永新和泰和北部部分区域。将在峡江枢纽水系流域内的174个雨量站点的经纬度信息导入ArcGIS，采用泰森多边形法计算各站点所影响的泰森多边形区域的面积，用多边形包含的雨量站的降雨强度表示多边形区域内的降雨强度，按照174个雨量站点的泰森多边形区域面积占比和实测雨量值计算流域内面雨量（表2、图6、图7）。

面雨量=

式中，m表示雨量站的个数；Ri表示单个站点的降雨量；Ai表示单个站点泰森多边形的面积；A表示流域的总集水区面积。

3 結束语

利用DEM数据和ArsGIS提取的峡

江枢纽至石虎塘航电枢纽段的水系网与现实中的流域水系和集水区面积进行验证比较。结果表明：制作提取的水系网和集水区面积具有较强的一致性，但也有少量的偏差，存在偏差的原因主要如下：一是DEM垂直和水平数据的精度还不够高，影响了数据的处理结果；二是ArcGIS软件使用和计算中，其参数的设定有一定的影响，如汇流累积阈值的设定对水系提取的密度和精度均有影响。

参考文献

[1] 汤国安，李发源，刘学军.数字高程模型教程[M].北京：科学出版社，2010.

[2] 李翀，杨大文.基于栅格数字高程模型DEM的河网提取及实现[J].中国水利水电科学研究院学报，2004，2（3）：50-56.

[3] 曾向辉，曲树国，冯杰.一种改进的DEM数字水系简易提取方法研究[J].水利水电技术，2015，46（3）：17-21.

[4] 叶爱中，夏军，王纲胜，等.基于数字高程模型的河网提取及子流域生成[J].水利学报，2005，50（5）：531-537.

[5] 杨华容，文路军，彭文甫，等.基于DEM和GIS的流域水文信息提取：以巴中市为例[J].人民长江，2016，47（8）：34-38.

[6] 王玉德.基于ArcGIS的泰森多边形法计算区域平均雨量[J].吉林水利，2014， 34（6）：58-60，63.

Research on Water System Extraction and Surface Rainfall Calculation of River Network Based on DEM Basin

—Taking XiaJiang Hub Basin of Ganjiang River as An Example

Zeng Guang-xu et al（Ji’an Meteorological Bureau， Ji’an， Jiangxi 343000）

Abstract Based on DEM elevation data and ArcGIS 10.2 tool software， the principles， processes， and methods of data preprocessing， water system extraction， and surface rainfall calculation in the Ganjiang Xiajiang River Hub watershed were analyzed. By extracting the water system， the control range of the watershed was determined， providing a scientific basis for accurate and precise precipitation monitoring， surface rainfall calculation， and prediction and warning in the watershed.

Key words DEM; ArcGIS; Water system extraction; Surface rainfall; Xiajiang hub