基于数字化水系修正DEM提取流域河网研究

杨 松,王山东,卓中文,张晓平

(河海大学 地球科学与工程学院,江苏南京 210098)

基于数字化水系修正DEM提取流域河网研究

杨 松,王山东,卓中文,张晓平

(河海大学 地球科学与工程学院,江苏南京 210098)

基于DEM提取河网流域的基本原理以及将数字化水系的位置信息作为流域河网提取的限制条件,对主要河道的DEM值进行修改,然后设定不同的集水面积阈值提取相应的河网。根据河网密度与集水面积阈值的关系,利用均值变点分析方法,最终确定合理的集水面积阈值。结果表明使用该方法提取的河网流域更加接近真实水系。

DEM;数字化水系;河网提取;变点分析

0 引 言

基于DEM提取河网流域和汇流网络是建立分布式水文模型不可或缺的基础数据,河网流域的提取精度直接影响着分布式模型对汇流过程的模拟。国内外学者一直致力于如何提高精度,根据近年DEM提取河网流域的方法来看,一方面是基于DEM数据源本身,不断优化算法,以提高提取精度;孙崇亮[1]等提出了一些改进算法,包括移动出口算法、坡面径流模拟算法、谷线搜索算法、自动提取河网划分子流域等。另一方面是加入实际河网或主干河道修正DEM[2-4]以及在计算流向时[5]进行强制约束。俞雷[6]等将实际河网作为约束条件,进行河网提取时得到较好效果。董有福[7]等采用缓冲分析和栅格叠置,在平坦地区得到了真实的水流方向,消除了伪河道,实现了河网的二次精确提取。Matthew等研究也表明,修正DEM可以有效地提高平原水系提取的精度,但目前的修正方法还不完善[8]。

本文在以上研究的基础上,首先从遥感影像数字化水系,采用Agree算法,迭加数字化水系并修正研究区域的DEM,然后采用均值变点分析法定量以及合理地确定区域内的集水阈值,强制约束水流方向提取河网。最后结果表明附加该方法后提取的河网流域更加接近自然水系。

1 基于DEM提取河网的原理和方法

1.1 数据预处理

DEM的预处理包括“burn-in”主干河网和填平洼地。“burn-in”主干河网是为了使自动提取的河网与实际河网相吻合,而将河道所在格网的高程值人为降低。由于DEM本身误差以及一些特殊实际地形的存在,造成DEM表面存在许多洼地,从而在水流方向计算时,不能得到正确的流向,因此在流域河网水系提取时需要对原始的DEM进行填洼处理,得到无洼地的DEM。

1.2 确定水流方向

流向算法采用了最成熟、最常用的D8算法。D8算法假设每个水流格网单元只有8种可能的流向,并用8个特征码表示,如图1所示。然后采用最陡坡度法计算水流的方向,即在3*3的DEM网格上,计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差(R),取最大落差为水流方向。计算公式为:R=H/L,H为相邻网格中心点落差,L为两中心点之间的距离。

图1 水系流向编码

1.3 计算流向累积栅格

流域汇流能力分析是提取河流网络的前提和基础。流域内一个栅格的汇流能力反映了其汇聚水流能力的强弱程度,汇流能力特征值就表示水流能够流入其中的周围栅格的数目。具体计算方法为,以规则栅格表示数字高程模型每个点处有一个单位的水量,再根据区域内栅格的水流方向数据计算每个栅格所流过的水量数值,得到该区域的汇流累积量。

1.4 流域河网栅格的提取及集水区阈值的确定

在水流集聚栅格中,每一个栅格的汇流特征值代表注入该栅格的所有栅格的数量。当栅格的特征值大于某一给定阈值时,即汇流面积大于某一定面积时,认为该栅格为河网栅格,然后采用二值化的方法提取河网栅格。集水面积阈值的选取对基于栅格DEM提取的流域河网及其特征影响很大。因此,必须根据实际流域情况设定一个比较合理的集水面积阈值。

1.5 矢量河网的提取

将提取的栅格河网沿着河道转换成矢量即得到了矢量河网,再根据水流方向,沿着矢量河网,建立了能够表达河网上下游关系的拓扑,最终提取了整个流域的河网。

2 引入数字化水系进行DEM修正提取流域河网

本文采用分辨率为30 m ASTGTM2-GDEM的安徽省新安江流域地区的DEM为研究数据来源。根据该地区的影像图,由于分辨率的限制,只对主要的河道进行数字化,作为修正DEM的基础数据。采用“Agree”算法在ArcGIS软件下按照如图2所示确定整个流域汇水栅格,并利用均值变点分析方法定量地确定合理的集水面积阈值,使得在数字化水系的基础上使得提取的河网能够准确地模拟自然水系。

图2 基于数字化水系修正DEM提取流域河网的流程

2.1 集水面积阈值的确定

由于集水面积阈值将流域划分为坡地和河道,与河道中的水流特性不同,坡地上的水流以坡面流的形态进行汇集,故集水面积阈值的选择会影响流域汇流过程,进而影响到流域出口断面的径流过程[9]。因此,对以数字水系和汇流网络为基础的分布式水文模型而言,只有选择合理的阈值,才能使所提取出的水系更好代表流域中实际水系和汇流网络的汇流作用,减小径流模拟过程中汇流网络带来的不确定性。

本文依次设定集水面积阈值为3 km2、4 km2、5 km2、…、31 km2、32 km2、33 km2提取流域河网,分别计算河源密度(表1),得出集水面积阈值与河网密度的关系(图3)。

如图3显示了河网密度与集水面积阈值的关系,从图3中可以看出当集水面积阈值比较小时,河网密度很大;随着集水面积阈值变大,河网密度开始有一个大的降低趋势,使得河网密度变化变得平缓。这是因为,集水面积阈值越大,在水流累积栅格图层中超过集水面积阈值的栅格就少,河道起始点的位置会向流域地势平坦处“退缩”,坡地上的河网外链逐渐从河网中消失,伪河道被删除,当全部的坡地河网外链被移除时,伪河道也就全部被删除,此时的集水面积阈值是一个临界值[10]。

以往的研究中多为人工判断曲线上由陡变缓点的位置,这种方法中人的主观性影响较大。本次实验采用统计学上的均值变点分析法科学地计算出拟合曲线上由陡变缓的点位。

图3 河网密度与集水面积阈值的关系

表1 河源密度与集水面积阈值的关系

均值变点分析法计算过程大致如下[11]:设有样本序列H0

(2)计算总体样本的统计量:

均值变点法原理,即变点的存在会使原始样本的统计量S与样本分段后的统计量Si之间的差距增大。

按照上面的步骤,根据表1中河网密度与集水面积阈值之间的关系,在处理样本序列时,对河网密度值乘以1 000,将单位化为1,然后利用均值变点法的公式计算样本序列的统计量S和Si的值,其两者的差值变化拟合曲线见图4。

由图4可以容易得到,在集水面积为10 km2的时候,差值最大。因此,本文经过统计理论方法计算,基于分辨率为30 m的DEM,适合安徽省新安江流域地区的集水面积阈值为10 km2,此时提取的河网更加接近实际水系。

图4 分段后的样本统计量与原始样本的统计量差值变化

2.2 结果分析比较

根据文中确定的合理阈值,在ArcGIS软件下的水文模块分析方法[12],没有加入数字化水系图修正DEM的情况下,依据提取河网的流程,得到的流域河网并与数字化水系对比分析如图5,可以看出一方面河网密度比数字化水系增加,因为遥感影像分辨率限制,数字化水系不能准确反映实际的流域河网形态,另一方面在平原地区,容易出现平行河道以及伪河道。

经过加入数字化水系修正DEM后,选择确定好的集水面积阈值,提取的河网如图6所示,一方面能够真实地反映实际流域河网,另一方面在平原地区能够较好地与数字化水系的形态一致,消除了平行 的伪河道。

图5 数字化水系图(左图)以及ArcGIS软件下没有修正DEM提取的河网图(右图)

图6 数字化水系图(左图)以及加入数字化水系修正DEM后提取的河网图(右图)

3 结 语

本文基于在数字化水系的基础修正研究区域内的DEM,同时定量地确定合理的集水面积阈值,从而提高流域河网算法的提取精度。通过引入数字化水系信息,可以对DEM本身的误差和分辨率的限制对流域河网提取所带来的部分误差进行消除,并通过均值变点分析的方法确定合理的集水面积阈值,提取的河网更加接近自然水系,最终能够为准确地计算流域河网汇流模拟提供基础,为分布式水文模型的研究和发展提供了更高精度的基础数据。

[1]孙崇亮,王卷乐.基于DEM的水系自动提取与分级研究进展[J].地理科学进展,2008,27(1):118-124.

[2]郝振纯,李 丽.基于DEM的数字水系的生成[J].水文,2002,22(4):8-10,52.

[3]王加虎,郝振纯,李 丽.基于DEM和主干河网信息提取数字水系研究[J].河海大学学报(自然科学版),2005,33(2):119-122.

[4]李 丽,郝振纯,王加虎.复合信息提取流域特征及其应用[C]//夏军主编.水问题的复杂性与不确定性研究与进展.北京:中国水利水电出版社,2004:196-205.

[5]郑子彦,张万昌,邰庆国.基于DEM与数字化河道提取流域河网的不同方案比较研究[J].资源科学,2009,31(10):1730-1739.

[6]俞 雷,刘洪斌,武 伟.基于DEM的重庆三峡库区水系提取试验研究[J].地理科学,2006,26(5):616-621.

[7]董有福,汤国安,罗明良.DEM水文分析中一种有效消除伪水道的简易方法[J].测绘通报,2008,12:53-55.

[8]Matthew E Baker,Donald E Weller,Thomas E Jordan.Comparison of automated watershed delineations:effects on land cover areas,percentages,and relationships to nutrient discharge[J].Photogram Metric Engineering&Remote Sensing,2006,72(2):159-168.

[9]李 丽.分布式水文模型的汇流演算研究[D].南京:河海大学,2007.

[10]易卫华,杨 平.基于DEM数字河网提取时集水面积阈值的确定[J].江西水利科技,2008,34(4):259-262.

[11]项静恬,史久恩.非线性系统中数据处理的统计方法[M].北京:科学出版社,1997.

[12]石春力,李 雪,孙 韧,等.Arc Hydro模型在流域水文特征提取中的应用-以蓟县沙河流域为例[J].水资源与水工程学报,2012,23(1):73-80.

Research on Extraction of Watershed River Network Based on DEM Enhanced by Digital River System

YANG Song,WANG Shan-dong,ZHUO Zhong-wen,ZHANG Xiao-ping
(College of Earth Science and Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China)

According to the basic method for extracting the river channel network of watershed based on DEM and taking the digital river system's catchment properties as controlling factors,the DEM values of main river channels are revised.In addition,the different DEM-based river network is extracted by varying catchment area threshold.At the same time,based on the relation of the river network density and catchment area threshold,the method of change-point analysis is used to produce an ideal catchment area threshold.The results show that the river network watershed extracted by this method would fit well with the actual river system.

DEM;digital river system;river network extraction;change-point analysis

P343

A

1672—1144(2013)02—0123—04

2012-10-01

2012-12-30

杨 松(1987—),男,河南南阳人,硕士研究生,研究方向为GIS二次开发、水文分析等。