基于dem的流域水文特征提取方法研究

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1、http://www.paper.edu.cn*基于DEM的流域水文特征提取方法研究1，2，3原立峰（1.中科院成都山地灾害与环境研究所，成都610041；（2.中科院地理科学与资源研究所，北京100101；3.中国科学院研究生院，北京100039）Email:yuanlf@lreis.ac.cn摘要：运用GIS软件ArcGIS，以黄土丘陵沟壑区小流域为例，探讨了从数字高程模型（DEM）中提取流域水文特征的详细过程，包括：DEM的生成和预处理、水流方向的确定、流域汇流能力分析、河网的提取、流域边界的确定和子流域的划分。提出了基于DEM自动生成数字流域的一种方

2、法，并将自动提取的流域与从地形图和遥感影像相结合手工提取的流域作了对比分析。结果表明，利用该方法提取的流域与利用手工方法提取的流域基本一致，平均误差为4.3%，证明该方法具有较高的精度。关键词：DEM栅格GIS水文模拟20世纪60年代以来，在利用数字高程模型（DigitalElevationModel，简称DEM）提取流域水文特征，模拟地表水文过程方面，国内外都开展了大量的研究。最早出现的提取流域特征的方法是Peuker（1975）等所采用的基于谷点识别的方法，它能够通过标识流域中的凸点和凹点来表示潜在的河道和山脊点；但该法会生成许多不连续的河道片段和非单网

3、格宽的河网，没有能够产[1]生出真实的径流路径。O'Callaghan和Mark（1984）提出了识别河网的方法，指出只有在DEM[2]中每一个单元格网都确定了排水方向后才能够自动生成连续、单宽的河网。Jenson和Domingue（1988）提出了确定平坦地区流向的方法，该方法首先寻找出与具有流向的格网单元相邻的那些格网，然后确定这些格网单元的流向。Tanboton（1991）等人开发了基于栅格DEM的计算河床坡[3]度和流域中自分水岭至流域出水口的最长河道的长度等水文参数的方法。Quinn（1991）等人[4]提出将水流按坡度的比例分散地分配给高程较低的

4、相邻格网的多流向算法。Freeman（1991）[5][6][7][8]也提出将水流按指数方法分配的多流向算法。在国内，郝振纯、汤国安、闾国年等许多学者对于流域特征的提取也进行了大量的研究。从DEM中提取的流域水文特征，为水文过程模拟[9]提供流域内每一个点的下垫面信息，已经成为建立分布式水文模型不可或缺的前提条件。目前，国外已经开发出能够自动提取流域水文特征的软件，如：ESRI研制的GIS软件ArcGIS，ArcView中的水文扩展模块，RSI提供的水文分析工具RiverTools，美国BrighamYoung大学开发的WMS（WatershedModel

5、ingSystem），以及Garbrecht和Martz开发的TOPZA（TOographicalParameteriZAtion）等。本文利用GIS软件ArcGIS9.0中的水文分析模块，在1：5万DEM的基础上，对黄土丘陵基金项目：国家杰出青年基金项目（40225004）资助-1-http://www.paper.edu.cn沟壑区典型样区的水文特征进行了提取，模拟了水流方向，流域的汇流能力，河网的提取，流域出水口的确定，流域边界的确定和子流域的划分。该项研究对于黄土高原数字流域的建设和流域水资源的现代化管理具有实践意义。1试验基础和信息源2试验区位于陕

6、北延安地区燕儿沟流域，样区面积为12km（3km×4km），最大高程1276.2m，2最小高程984.5m，平均高程1106.4m，沟谷密度4.26km/km，地表平均坡度21.8°，流域大致呈东南—西北走向，地表形态复杂，以充分发育的梁峁地形为主，属于典型的黄土丘陵沟壑区。研究区域信息源主要包括：1：50000地形图（等高距为20m，采用高斯克里格投影，北京54坐标系，地图单位为米）；以地形图为基础生成的DEM（25m×25m）；另外，经过几何校正的1：10000彩红外航空正射影像图作为流域特征提取的参照资料。a）等高线图b）DEMc）航片图1试验区基本的

7、信息源Fig.1BasalInformationonStudyArea2研究方法2.1DEM的建立与预处理本文考虑到地形图上表示峁顶的等高线是闭合的，以及在表示谷底时等高线分布稀疏，这些特征导致生成DEM时会被处理为平地，所以在矢量化地形图时，加入了离散高程点图层，利用该图层修改由等高线生成的三角形不规则网地形数据，图2a、2b分别显示了修改前后地形特征的对比情况。利用以上方法建立栅格DEM的具体过程和方法为：○1将流域1：50000地形图作为底图扫描输入计算机，利用ArcGIS软件进行配准和矢量化，建立空间拓扑关系，分别生成等高线和高程点两个图层；○2对等

8、高线和高程点图层进行高程赋值；○3采用三角形不规则网