流域特征参数提取

杨峰峰

【摘要】本文主要考虑运用现代计算机的快速运算能力，提取流域特征参数，通过对大量流域特征参数的提取，可以分析流域之间的差异，本文通过ArcGIS数据处理软件处理全球共享的数字高程模型（DEM），提取流域的平均海拔、河道平均比降、河道汇流长度、流域形状系数等，通过计算，数据提取快，且准确度高，因此，通过ArcGIS数据处理软件可以快速处理DEM数据，流域特征参数的快速提取为水文预报模型输入参数提供基础支撑，为开展相似流域的提取，提供了大量的数据来源。

【关键词】ArcGIS；数字高程模型；流域特征参数

在计算机技术迅速发展的时代，利用计算机快速处理遥感及地理信息系统数据成为我们工作的趋势，利用计算机及软件技术通过处理DEM数据及遥感数据可以快速的提取流域的特征參数（平均海拔高程、河道平均比降河长、流域表面平均比降及流域植被情况等），为大范围的快速处理水文基础数据问题减少了人力物力，且精度高。

1、DEM数据处理

在实际应用研究中，根据研究区域的特点，首先需要对空间数据进行处理，裁剪、拼接、坐标转换投影、填凹等操作，以便获得需要的数据，数据裁剪是从大范围的空间数据中裁剪出我们需要分析的区域，以获得真正需要的数据作为研究区域，减少不必要的参与运算的数据，提高计算速度。

1.1 裁剪

DEM的数据如果太大，通常的计算机的运算能力不满足要求，因此需要对DEM数据进行裁剪，美国环境系统研究所（ESRI）公司和美国德克萨斯州奥斯汀大学水资源研究中心联合开发的功能强大的水文分析模块Arc Hydro Tools，在Arc Hydro Tools中提供了多种对栅格数据的提取方法，包括点值、多边形提取，可以获取需要的栅格数据。

1.2 投影

在数据处理时，需要数据具有统一的平面坐标系，在数据分析之前需要首先统一坐标系，将DEM数据（地理坐标）投影成统一的平面坐标，在中国，通常采用80坐标系，或者54坐标系。

1.3 填凹

在基于 DEM 的河网自动提取过程中，洼地和平坦区是确定水流方向和推求完全联接的排水系统的主要障碍与挑战。平坦区是导致出水口不确定和河道平行的主要因素。预处理的目的是将 DEM 中的洼地和平坦区域改造成斜坡，使 DEM 数据反映的地形特征均由斜坡构成。这种处理可使水流能根据地表径流漫流模型流出流域边界，也使流域信息提取的后续步骤能正确进行。

2、数字流域的生成

数字流向判定建立在3×3 的DEM 栅格网的基础上，其方法有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确定简单、应用方便而应用广泛。单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出栅格，然后根据栅格高程判断水流方向。目前应用最广泛的是基于流向分析和汇流分析的流域特征提取技术。Jenson and Domingue （1988）设计了应用该技术的典型算法，该算法包括三个过程：流向分析、汇流分析及流域特征提取。

2.1 流向分析

水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。在 ArcGIS 中通过将中心栅格的 8个邻域栅格编码，水流方向便可以其中的某一值来确定，以数值表示每个单元的流向。数字变化范围是1～255。其中1：东；2：东南；4南；8：西南；16：西；32：西北；64：北；128：东北。

水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定。距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格对中心栅格的方向值为 2、8、32、128，则栅格间的距离为 2 的开平方根，否则距离为1。

2.2 汇流分析

汇流分析的主要目的是确定流路。在流向栅格图的基础上生成汇流栅格图.汇流栅格上每个单元的值代表上游汇流区内流入该单元的栅格点的总数，既汇入该单元的流入路径数（NIP），NIP较大者，可视为河谷；NlP等于0，则是较高的地方，可能为流域的分水岭。

3、成果与结论

通过ArcGIS软件可以快速计算流域特征参数，为大量处理水文参数提供了很好的工具，且精度高。还可以处理植被方面的遥感图片，统计流域植被覆盖类型及程度，为新安江模型的降雨径流计算提供了大量的输入参数，可以使模型预报精度提高，还可以进行不同流域的相似性分析。

参考文献：

[1] 郭晓宁，等. 基于遥感和GIS的甘肃省森林生态面积调查与价值评估[J]. 遥感技术与应用，2009，4 ： 217-221.

[2] 熊立华，郭生练，等. 利用DEM提取地貌指数的方法述评[J]. 水科学进展，2002，11： 775-779.