基于srmdem的大凌河流域地表水文模擬模型構(gòu)建

基于srmdem的大凌河流域地表水文模擬模型構(gòu)建

dem（數(shù)字高度模型）用于表示地形的三維向量有限序列（xi，yi，zi）（i.1，2，…，n），表示區(qū)域d中的實(shí)際地形起伏，其中（xi，yi）d是平面坐標(biāo)，zi是（xi，yi）的相應(yīng)高度。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,高精度DEM的獲取十分便捷。同時(shí),地理信息系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也使得DEM應(yīng)用范圍越來越廣泛,如基于DEM的分布式流域水文模型。用DEM模擬地表水文的方法有多種,ArcGIS中的水文分析模塊采用比較傳統(tǒng)的D8算法。筆者利用大凌河流域SRTMDEM數(shù)據(jù),運(yùn)用ArcGISModelBuilder構(gòu)建大凌河流域地表水文模擬模型,實(shí)現(xiàn)DEM填洼、水流方向的計(jì)算、流域的提取、匯流累積量的計(jì)算和河網(wǎng)的提取等步驟的自動(dòng)執(zhí)行,從而實(shí)現(xiàn)大凌河地表水文的自動(dòng)模擬。1數(shù)據(jù)和方法1.1資料來源SRTM(ShuttleRadarTopographyMission)是美國(guó)太空總署(NASA)和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局(NIMA)聯(lián)合測(cè)量的,SRTMDEM對(duì)外公開,獲取方便,目前廣泛應(yīng)用到各種地表水文模擬中。采用4幅分辨率為90m的STRMDEM,其DEM的行號(hào)和列號(hào)分別為(60,5)、(60,4)、(61,5)和(61,4),拼接后的4幅DEM(113.7°～125.3°E,34.6°～45.3°N)覆蓋了整個(gè)大凌河流域。此外,所用資料還包括大凌河流域部分區(qū)域2000年10月TM影像以及網(wǎng)上部分水文數(shù)據(jù)。1.2地表反應(yīng)和真實(shí)地表的計(jì)算DEM中的洼地區(qū)域是指水流方向不合理的地方,在進(jìn)行水文分析前需要進(jìn)行洼地區(qū)域的判斷。洼地有兩種類型:一是由數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)內(nèi)插造成的錯(cuò)誤地表描述;二是類似湖泊、陷穴和喀什特地貌等造成的真實(shí)地表反應(yīng)。對(duì)于第一種洼地需要在進(jìn)行地表水文模擬前進(jìn)行填平,對(duì)于第二種洼地要給予保留。這樣才能將DEM中的所有洼地填平,使之成為一個(gè)具有“水文學(xué)意義”的DEM,從而保證從DEM中提取的河網(wǎng)是連續(xù)的。洼地深度是最低高程值與最低出水口高程之差。1.3中心柵格的水流方向水流方向是指水流離開每一個(gè)柵格的方向,其計(jì)算是流域范圍界定和水系提取的前提。D8算法的思想是:在3×3的窗口中,對(duì)中心柵格與周圍柵格高程差值進(jìn)行對(duì)比,利用最大坡降的方法來判斷中心柵格的水流方向。水流方向由最大坡降ΔH決定,其計(jì)算公式為:ΔH=ΔZ/d*100(1)式中,ΔZ是與周圍單元格的高程差;d是與周圍各單元格的距離,它與柵格的方向有關(guān)。處于1、4、16、64這4個(gè)方向時(shí)(圖1),d=1;處于2、8、32、128這4個(gè)方向時(shí),d=2√d=2。比較中心柵格與周圍相鄰的8柵格的坡降ΔH的大小,最大坡降ΔH的方向就是該中心柵格的水流流向。ArcGIS中的水流方向分析工具FlowDirection的水流方向編碼規(guī)則(圖1),1、2、4、8、16、32、64、128分別代表東、東南、南、西南、西、西北、北、東北方向。圖2中,左邊是DEM,右邊是用FlowDirection進(jìn)行水流方向分析后水流方向的編碼。如果中心柵格到周圍柵格的坡降ΔH相當(dāng),將擴(kuò)大掃描窗口,直到確定方向?yàn)橹?如果中心單元格比周圍的8個(gè)柵格的高程值都要小,水流無法流出,則認(rèn)為該中心單元格為“噪聲”,將水流方向賦值為周圍最低的高程值。第一行的第二列高程為27的柵格,周圍柵格高程值分別為92、33、99、40、36,在右邊的水流方向編碼為33(圖2)。1.4dem累積量的計(jì)算匯流累積量是每點(diǎn)的匯流累積總量,它是河網(wǎng)提取的基礎(chǔ),其基本思想是:以規(guī)則格網(wǎng)表示的DEM每點(diǎn)處有一個(gè)單位的水量,按照自然水流由高到低的自然規(guī)律,按照水流方向的數(shù)字矩陣計(jì)算經(jīng)過每個(gè)柵格的累積量。一個(gè)柵格的匯流累積量是其上游全部經(jīng)過該柵格匯流累積量總和。1.5計(jì)算流域邊界由于拼接后的4副DEM有相當(dāng)大的一部分在大凌河流域之外,為方便流域的提取,需要對(duì)其進(jìn)行裁剪處理。先將拼接后的DEM投影到大地坐標(biāo)系,再根據(jù)已知的大凌河信息,對(duì)DEM進(jìn)行大概的裁剪,得到比較小的又覆蓋大凌河流域的DEM,從而縮小運(yùn)算區(qū)域,大大減少模型的運(yùn)行時(shí)間?；诓眉艉蟮腄EM,先計(jì)算洼地深度,判斷DEM的填洼閾值。然后按照選定的閾值進(jìn)行DEM填洼,得到無洼DEM。基于無洼DEM,得到水流方向,然后進(jìn)行盆地流域計(jì)算,可以得到流域邊界。再根據(jù)水流方向和流域邊界,可以提取大凌河流域內(nèi)的水系(圖3)。2結(jié)果與分析2.1形成地表模型采用ArcGIS的水文分析工具集下的Fill工具進(jìn)行填洼時(shí),如果不對(duì)填洼閾值項(xiàng)Zlimit進(jìn)行選擇,默認(rèn)為將所有的洼地填充。為了避免將真實(shí)地形中的洼地填充,需要計(jì)算洼地深度分布圖,然后結(jié)合實(shí)際地形,可以得到一個(gè)合理的填洼閾值。而計(jì)算洼地深度的關(guān)鍵在于計(jì)算洼地最低高程點(diǎn)和最低出水口,其大致計(jì)算步驟是:由裁剪后的DEM獲得水流方向矩陣,然后依次計(jì)算洼地分布圖、洼地貢獻(xiàn)區(qū)域、洼地最低高程點(diǎn)、和洼地最低出水口。最后,用最低出水口圖減去洼地最低高程圖,即可獲得洼地分布圖。這一系列處理運(yùn)用ArcGISModelBuilder構(gòu)建模型(圖4)。在模型數(shù)據(jù)輸入和DEM裁剪后,設(shè)置相關(guān)系數(shù),即可獲得洼地深度分布圖(圖5)。2.2大凌河流域邊界提取結(jié)合洼地分布圖和實(shí)際地形圖,可以確定填洼閾值,選擇填洼閾值為3500,然后對(duì)DEM進(jìn)行填洼處理獲得無洼DEM。再運(yùn)用ArcGIS水文分析工具集中的FlowDirection、Basin工具,可以得到流域盆地分布圖。對(duì)比網(wǎng)上的水文數(shù)據(jù),可以確定流域盆地分布圖中Pixelvalue為1435、1508、1549和1744的部分為大凌河流域。在MapAllegeable工具中,采用con(outbasin==836|outbasin==1435|outbasin==1508|outbasin==1549|outbasin==1744,1)命令,可以初步確定大凌河流域邊界。最后,進(jìn)行矢量化、平滑處理操作,即可獲得最終的大凌河邊界圖(圖6)。提取的面積為23488km2,與網(wǎng)上2.35萬km2相符合。提取大凌河流域邊界時(shí),采用ArcGISModelBuilder構(gòu)建模型(圖7)。該模型以裁剪后的DEM和填洼閾值為輸入?yún)?shù),獲得了無洼DEM和水流方向,并實(shí)現(xiàn)了大凌河流域邊界的自動(dòng)提取。2.3河網(wǎng)的自動(dòng)提取2.3.1閾值選取分析在提取河網(wǎng)過程中,選擇的閾值大小直接影響到最終提取河網(wǎng)的總長(zhǎng)度及河網(wǎng)密度。如果河網(wǎng)提取閾值選擇過大,提取的河網(wǎng)會(huì)損失小支流的末梢,河網(wǎng)密度也相應(yīng)變小。如果河網(wǎng)提取閾值選擇偏小,提取的河網(wǎng)會(huì)增加不存在的小支流,河網(wǎng)密度也偏大。為此,在提取河網(wǎng)之前,首先進(jìn)行河網(wǎng)提取閾值的選擇。先選擇2000、3000、9000、14000、20000、24000、30000、50000為閾值生成河網(wǎng),其河網(wǎng)長(zhǎng)度分別為4348.9、3587.6、2059.3、1625.6、1345.1、1200.3、1071.8、837.2km。依次采用線性、多項(xiàng)式、對(duì)數(shù)、乘冪、對(duì)數(shù)和移動(dòng)平均函數(shù)對(duì)閾值和河網(wǎng)長(zhǎng)的關(guān)系進(jìn)行趨勢(shì)分析。通過對(duì)比R2,不難發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)性與乘冪函數(shù)(y=224589x0.5172)擬合度最好,R2=0.9996(圖8)。由河流的總長(zhǎng)度,即可反算出河網(wǎng)提取閾值。2.3.2匯流累積量的提取大凌河及其主要支流總長(zhǎng)為1321.4km,將其代入擬合函數(shù)y=224589x-0.5172,解得x=20528。以20528為河網(wǎng)提取閾值,得到大凌河流域內(nèi)主要河流的提取效果(圖9)。大凌河及其主要支流提取后的總長(zhǎng)度為1332.3km與已知數(shù)據(jù)相差10.9km。這是由于已知數(shù)據(jù)只有大凌河及其主要支流,而更細(xì)小的支流被閾值20528濾去。為觀察提取更細(xì)小支流的效果,以TM影像為參考,從不同閾值中選擇比較接近實(shí)際的提取結(jié)果。比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)提取閾值為3000時(shí),最接近實(shí)際地表水文情況(圖10)。TM影像波段4、3、5組合有利于內(nèi)陸水體和陸地與水體邊界的界定,因此以疊加此波段組合TM影像為背景色,可得到疊加TM影像的河網(wǎng)(圖11)。由圖11可見,匯流累積量越大,也就是越靠近支流干道的地方提取效果越好。而在更小的支流末梢(橢圓圈中),則無法提取。3地表文模擬基于DEM,根據(jù)水文分析的基本原理,運(yùn)用ArcGISModelBuilder構(gòu)建大凌河流域