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[摘要]本研究以大兴安岭地区的塔河流域为研究对象，基于DEM数据，利用ArcGIS10软件自动提取水系信息。探讨不同阈值对提取结果的影响，通过实地考察数据和所提取的河网矢量数据对照，最终确定一个最佳的阈值，完成塔河流域的河网提取。从提取的实验结果来看，表明用该方法提取研究流域特征是可行并有效的。
[关键词]DEM ArcGIS10 水系信息 提取
[中图分类号] S276.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-7-208-2
0引言
数字流域水系提取系统是数字水文研究中的重要组成部分，高质量的水系提取模型能够大大提高整个水文模型在运作过程中的有效性和准确性，从而为提高区域水文模拟的精度提供了重要的保证[1]。本文运用ArcGIS10的水文分析工具，利用大兴安岭地区的DEM数据，对新林县境内的塔河流域进行河网的提取，讨论汇流面积阈值设置的大小与生成河网总长度存在的函数关系。
1研究区域概况与研究方法
1.1研究区域概况
大兴安岭境内的呼玛河系黑龙江一级支流，塔河是呼玛河的最大支流。呼玛河发源于大兴安岭主峰伊勒呼里山北麓，流向大致成“Ω”形，于呼玛县城注入黑龙江。塔河为呼玛河右岸支流，于固其故站附近注入干流，流域面积6606 km2。新林站以上流域位于塔河上游，流域面积2359km2，分布有灰化棕色针叶林土壤和针叶林植被。新林站以下分布有棕色针叶林土壤及针叶林植被，河道两侧，上游发育有泥炭沼泽土，中、下游发育有潜育草甸土。
1.2研究方法
利用DEM提取河流，首先要对洼地和平坦区域进行预处理。然后根据流向确定水流累积量，在进一步做河网提取，在提取过程中要根据研究区的气候地形等因素，经过反复试验确定一个阈值，在将集水面积与水流累计量大于或等于这个阈值的水流保留，进而得到河网。
2数据处理与分析
2.1数据预处理
实验数据以大兴安岭地区地形图为主，使用矢量化工具R2V和ESRI公司的Arc/Info首先将大兴安岭地形图导入R2V进行等高线矢量化，然后输出矢量ArcGIS的shape格式文件，导入Arc/Info中，加载空间参考坐标系并配准，将等高线数据用新林县边界线进行边界裁切，借助3D Analysis模块，使用Create TIN指令生成TIN，由于TIN表面分析功能较差（数字流域河网提取中阈值问题的研究，赵亚萍）所以将其转换为栅格DEM来进行水文分析，设置其插值分辨率10m。按照新林县行政区裁切后的DEM如图1所示。
2.2无洼地DEM生成
在DEM提取河网的过程中，由于资料输入误差、生成DEM时内插误差以及 DEM 分辨率等原因造成误差，往往会出现洼地和平坦区域，如果不对其进行处理，会产生不连续的河网[2]。
DEM是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于DEM误差及一些真实地形的存在，使得DEM表面存在一些凹陷的区域。在进行水流方向计算时，由于这些区域的存在，往往得不到合理甚至错误的水流方向[3]。因此在进行水流方向计算之前，应首先對原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。有些洼地是在DEM生成过程中带来的错误数据，但另外一些表示了真实的地形如采石场或岩洞等[4]。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地区域，并计算其洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。
2.3水流方向计算
水流方向指水流离开此格网时的指向，目前其确定方法有两种： ① 单向流法； ② 多向流法[1]。ArcGIS 10 的流向工具中用到的算法是单向流法中的“D8”方法。单向流法是假定一个栅格中的水只能从一个方向流出栅格，根据栅格高程判断水流的方向。“D8”方法是假设单个栅格中水流只能流入阈值相邻的8个栅格中。它用最陡坡度法（前提是地表不透水，将于均匀，流域但愿上的水流总是流向最低的地方）来确定水流方向，即在3x3的DEM栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间的距离落差，取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格，该方向即为中心栅格的流向。栅格图中储存每个栅格单元的流向代码[5]，如图2。
2.4汇流累积量计算
在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于流水方向数据计算得到的。汇流栅格图如图3所示。其中颜色越深的地方表示汇流栅格数目越多[5]。
2.5河网的提取
河网即河流网络。首先给定最小水道给养面积阈值，流域范围内集水面积超过该阈值的那些格点即定义为水道[6]。河网的生成是基于汇流累积矩阵的。当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，那么所有那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。河网的密度与上游集水面积阈值的选取有关，阈值越大，河网越稀疏，阈值越小，河网越密集[2]。
3结果分析
对比分析汇流能力阈值分别为200和50提取的河网信息可知，汇流能力阈值越大，模拟河网越稀疏；汇流能力阈值越小，模拟河网越稠密。本实验中采用试误方法来确定阈值，并结合实地调查，经过试验发现当阈值定为50时（如图4所示），提取的河网过于详细， 有些河网在实际中并不存在，阈值定为200时（如图5所示），提取的河网过于粗糙，许多河流分支难以提取出来；阈值定为100时（如图6所示），提取出的河网与实际河网基本一致。
4结论
从数字高程模型直接提取河网及相关流域信息，适合于对大范围流域的DEM数据进行处理与提取。该方法不仅程序简单效率高，而且适用于各种复杂地形。研究结果表明该套方案提取结果与实际河流水系特征基本吻合，自动化提取程度较高，说明人为应用DEM划分的流域结果是合理的，在分析流域的河网水系结构特征时具有一定的应用价值。
Abstract： Dased on the DEM datas ，the research which is on TaHe valley of the Daxinganling utilize the ArcGIS10 automatically to collect the riversystem's informations.Probing into the relationship between different thresholds and the extracted results.Then，finishing extracting from the digital river network of the TaHe watershed by confirming the best threshold .Extracted from the experimental results， the study showed that watershed characteristics extracted by this method is feasible and effective.
Keywords：DEM ArcGIS10 riversystem's information extract
参考文献
[1]聂振钢.基于DEM的流域和水系提取系统研究[D].北京：北京林业 大学，2008
[2]黄娜娜，宁芊.基于 DEM 的数字河网提取方法及应用研究[J].人民长江，2011，42（24）： 50-53
[3]汤国安，杨昕，等.地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2013，478
[4]汤安国，刘学军，闾国年，等.数字高程模型及地学分析的原理和方法[M].北京：科学出版社，2005 ，243-251.
[5]吴辉，严志雁，汪镇达.基于DEM的自动河网提取方法[J].水利与建筑工程学报，2012，10（4）：27-30
[6]任立良，刘新仁.数字高程模型在流域水系拓扑结构计算中的应用[J].水科学进展，1999，10（2）：129-134.
[关键词]DEM ArcGIS10 水系信息 提取
[中图分类号] S276.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-7-208-2
0引言
数字流域水系提取系统是数字水文研究中的重要组成部分，高质量的水系提取模型能够大大提高整个水文模型在运作过程中的有效性和准确性，从而为提高区域水文模拟的精度提供了重要的保证[1]。本文运用ArcGIS10的水文分析工具，利用大兴安岭地区的DEM数据，对新林县境内的塔河流域进行河网的提取，讨论汇流面积阈值设置的大小与生成河网总长度存在的函数关系。
1研究区域概况与研究方法
1.1研究区域概况
大兴安岭境内的呼玛河系黑龙江一级支流，塔河是呼玛河的最大支流。呼玛河发源于大兴安岭主峰伊勒呼里山北麓，流向大致成“Ω”形，于呼玛县城注入黑龙江。塔河为呼玛河右岸支流，于固其故站附近注入干流，流域面积6606 km2。新林站以上流域位于塔河上游，流域面积2359km2，分布有灰化棕色针叶林土壤和针叶林植被。新林站以下分布有棕色针叶林土壤及针叶林植被，河道两侧，上游发育有泥炭沼泽土，中、下游发育有潜育草甸土。
1.2研究方法
利用DEM提取河流，首先要对洼地和平坦区域进行预处理。然后根据流向确定水流累积量，在进一步做河网提取，在提取过程中要根据研究区的气候地形等因素，经过反复试验确定一个阈值，在将集水面积与水流累计量大于或等于这个阈值的水流保留，进而得到河网。
2数据处理与分析
2.1数据预处理
实验数据以大兴安岭地区地形图为主，使用矢量化工具R2V和ESRI公司的Arc/Info首先将大兴安岭地形图导入R2V进行等高线矢量化，然后输出矢量ArcGIS的shape格式文件，导入Arc/Info中，加载空间参考坐标系并配准，将等高线数据用新林县边界线进行边界裁切，借助3D Analysis模块，使用Create TIN指令生成TIN，由于TIN表面分析功能较差（数字流域河网提取中阈值问题的研究，赵亚萍）所以将其转换为栅格DEM来进行水文分析，设置其插值分辨率10m。按照新林县行政区裁切后的DEM如图1所示。
2.2无洼地DEM生成
在DEM提取河网的过程中，由于资料输入误差、生成DEM时内插误差以及 DEM 分辨率等原因造成误差，往往会出现洼地和平坦区域，如果不对其进行处理，会产生不连续的河网[2]。
DEM是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于DEM误差及一些真实地形的存在，使得DEM表面存在一些凹陷的区域。在进行水流方向计算时，由于这些区域的存在，往往得不到合理甚至错误的水流方向[3]。因此在进行水流方向计算之前，应首先對原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。有些洼地是在DEM生成过程中带来的错误数据，但另外一些表示了真实的地形如采石场或岩洞等[4]。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地区域，并计算其洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。
2.3水流方向计算
水流方向指水流离开此格网时的指向，目前其确定方法有两种： ① 单向流法； ② 多向流法[1]。ArcGIS 10 的流向工具中用到的算法是单向流法中的“D8”方法。单向流法是假定一个栅格中的水只能从一个方向流出栅格，根据栅格高程判断水流的方向。“D8”方法是假设单个栅格中水流只能流入阈值相邻的8个栅格中。它用最陡坡度法（前提是地表不透水，将于均匀，流域但愿上的水流总是流向最低的地方）来确定水流方向，即在3x3的DEM栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间的距离落差，取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格，该方向即为中心栅格的流向。栅格图中储存每个栅格单元的流向代码[5]，如图2。
2.4汇流累积量计算
在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于流水方向数据计算得到的。汇流栅格图如图3所示。其中颜色越深的地方表示汇流栅格数目越多[5]。
2.5河网的提取
河网即河流网络。首先给定最小水道给养面积阈值，流域范围内集水面积超过该阈值的那些格点即定义为水道[6]。河网的生成是基于汇流累积矩阵的。当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，那么所有那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。河网的密度与上游集水面积阈值的选取有关，阈值越大，河网越稀疏，阈值越小，河网越密集[2]。
3结果分析
对比分析汇流能力阈值分别为200和50提取的河网信息可知，汇流能力阈值越大，模拟河网越稀疏；汇流能力阈值越小，模拟河网越稠密。本实验中采用试误方法来确定阈值，并结合实地调查，经过试验发现当阈值定为50时（如图4所示），提取的河网过于详细， 有些河网在实际中并不存在，阈值定为200时（如图5所示），提取的河网过于粗糙，许多河流分支难以提取出来；阈值定为100时（如图6所示），提取出的河网与实际河网基本一致。
4结论
从数字高程模型直接提取河网及相关流域信息，适合于对大范围流域的DEM数据进行处理与提取。该方法不仅程序简单效率高，而且适用于各种复杂地形。研究结果表明该套方案提取结果与实际河流水系特征基本吻合，自动化提取程度较高，说明人为应用DEM划分的流域结果是合理的，在分析流域的河网水系结构特征时具有一定的应用价值。
Abstract： Dased on the DEM datas ，the research which is on TaHe valley of the Daxinganling utilize the ArcGIS10 automatically to collect the riversystem's informations.Probing into the relationship between different thresholds and the extracted results.Then，finishing extracting from the digital river network of the TaHe watershed by confirming the best threshold .Extracted from the experimental results， the study showed that watershed characteristics extracted by this method is feasible and effective.
Keywords：DEM ArcGIS10 riversystem's information extract
参考文献
[1]聂振钢.基于DEM的流域和水系提取系统研究[D].北京：北京林业 大学，2008
[2]黄娜娜，宁芊.基于 DEM 的数字河网提取方法及应用研究[J].人民长江，2011，42（24）： 50-53
[3]汤国安，杨昕，等.地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2013，478
[4]汤安国，刘学军，闾国年，等.数字高程模型及地学分析的原理和方法[M].北京：科学出版社，2005 ，243-251.
[5]吴辉，严志雁，汪镇达.基于DEM的自动河网提取方法[J].水利与建筑工程学报，2012，10（4）：27-30
[6]任立良，刘新仁.数字高程模型在流域水系拓扑结构计算中的应用[J].水科学进展，1999，10（2）：129-134.