基于SRTM-DEM水系提取及验证方法研究-毕业论文

第 1 页 (共 14 页) 基于 SRTM-DEM 水系提取及验证方法研究 以汉江为例 摘要：介绍基于地表流漫流模型从数字高程模型(DEM)提取水系的提取方法，以汉江为 例提取汉江流域的水系，并用从汉江TM影像中提取的水系作为验证依据验证上述提取水系 方法的精确性。水系提取方法的主要流程是洼地的识别和填充、水流方向的确定、汇流累积 量的确定和河流栅格网络的生成以及矢量化水系的生成；从TM影像提取的水系为验证依据 验证上述提取水系方法的精确性。研究结果显示，从DEM中提取水系基本与真实水系吻合， 但是从某些局部看提取的水系还是存在偏差。 关键字：DEM数据水系提取；TM数据水系提取；验证 引言 以往的水文水资源的研究和实践工作中，人们通常从地形图或其它图中手 动获取所需水系的分布，工作量巨大，耗时费力，加上人为的水系分级或者忽 略低级水系使水系提取标准不统一，提取的水系网又很难做进一步利用。随着 GIS 在当前各方面的应用越来越广，高精度的 DEM 获取渠道逐步拓宽，从 DEM 中提取的水系满足了人们某些领域的需要，GIS 中水文分析模型(Hydrology model)提供的水系提取方法使水系网能自动生成，并且生成的水系趋近真实的 水系网。水系提取精度在水系提取中是必须考虑的因素，科学合理的验证方法 可以促进提取方法的成熟。过去的验证方法中很少使用遥感影像来验证水系提 取的质量，本研究尝试使用从 Landsat TM 影像中提取的水系情况作为验证资 料，这种验证方法是否可行可靠十分值得探索和研究。 GIS 中水文分析模型的主要功能是从数字高程模型（DEM）中提取地表水文 要素特征信息,进行地表水文的空间分析，并将分析结果可视化显示，能基于 一定分辨率 DEM 分析显示出地形的局部特征，按某种算法可以自动的将一定地 理空间范围内的自然水系提取出来。在使用 DEM 数据提取水系以来，学者们对 提取方法的研究层出不穷，其中一种是 OCallaghan 和 Mark 提出的坡面流模 第 2 页 (共 14 页) 拟方法，通过模拟地表径流在地表的流动来产生水系3。该算法依据水总是沿 斜坡最陡方向流动的原理，确定 DEM 中每一个栅格单元的水流方向；然后根据 栅格单元的水流方向计算每一个栅格单元的上游汇流量，再选择合适汇流量阈 值来确定河网，这种方法可直接生成相互连接的河网，操作简单，过程明确， 结果能较好的反映真实水文要素，常常作为 DEM 水系提取时最好的方法。近几 年里很多学者实践了这种方法，不仅提取出研究区水系网，而且在影响提取的 水系网的多个因素和应用提取的水系网求得其他水文特征方面也做出详细的论 述,他们验证出这种方法虽然仍存在一些缺陷，但能取得其它方法无法比拟的 效果15。 1 研究区概况 研究区汉江又称汉水，古时曾叫沔水，与长江、黄河、淮河并称“江河淮 汉” 。汉江就长度而言为长江第一大支流，它发源于陕西省西南部秦岭与米仓 山之间的宁强县（隶属陕西省汉中市，旧称宁羌）冢山，而后向东南穿越秦巴 山地的陕南汉中、安康等市，进入鄂西后北过十堰流入丹江水库，出水库后继 续向东南流，过襄阳、荆门等市，在武汉市汇入长江。汉江流域涉及鄂、陕、 豫、川、渝、甘 6 省市的多个地区。流域地势西北高，东南低，西为褶皱隆起 中低山区，东以平原丘陵为主。汉江流域属亚热带季风区，气候温和湿润，降 水量较丰沛；但年内分配不均，510 月径流量占全年 75%左右，年际变化较 大，是长江各大支流中变化最大的河流。汉江干流中下游区，是长江中游重点 保护区之一。由于河槽泄洪能力与洪水来量严重不平衡，历史上洪水灾害严重， 也是长江支流中洪水灾害最严重的一条。 2 研究方法 2.1 从 DEM 数据中提取水系 2.1.1 DEM 数据预处理 SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机雷达地形测绘使 命）数据是美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联测，由 2000 年 2 月 11 日美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载的 SRTM 系统，花费 222 小时 第 3 页 (共 14 页) 23 分钟，采集到北纬 60 度至南纬 56 度之间的地表面数据。雷达影像数据总面 积超过 1.19 亿平方公里，采集到全球超过 4/5 的陆地表面数据。SRTM 数据每 个文件里包含一个经纬方格，精度 1 arc-second 和 3 arc-seconds，称作 SRTM1 和 SRTM3，或者称作 30M 和 90M 数据，SRTM1 文件里包含 3601*3601 个采 样点的高程数据，SRTM3 文件里包含 1201*1201 个采样点的高程数据。由于受 下载限制权限的影响，高分辨率的数据较少用于普通科研项目中。目前中国境 内可免费下载的是 90m 分辨率高程数据，30m 数据点算术平均得来的。采集数 据经过两年多时间进行了处理，生成我们现在可用的 SRTM 地形产品数据数 字地形高程模型。原始 DEM 数据在存在洼地、坐标系等方面存在问题，为使数 据正确使用，提高计算速度等目的，本研究中对原数据进行了下面一系列的处 理。 1.从 STRM Data Search 下载网页中下载分辨率为 90m 的 STRM DEM 数据， 汉江流域一共占四个分区，为了得到完整的水系网，需将分隔开的四个区域拼 接在一起。将下载数据添加到 ArcMap 中，点开工具箱里 Data Management Tools-Raster-Raster Dataset-Mosaic To New Raster，将四幅 DEM 作为输入， 设置拼接后的文件名及存储位置，其他参数均为默认，将四幅数据合成一幅 DEM。 2.由于下载数据只有地理坐标系 GCS_WGS_1984，要想与 TM 数据提取水系 进行比较就必须在同一坐标系中即 WGS_1984_UTM_Zone_49N，所以要将下载数 据进行投影变换。点开工具箱里 Data Management Tools-Projections and Transformation-Raster-Project Raster，以合成 DEM 为输入数据，设置输出 文件名，输出坐标系选中 Import 输入跟原 TM 数据一样的投影坐标系，坐标系 参数参见表 1。 表 1 投影坐标系参数 投影坐标参数名称参数取值 ProjectionTransverse Mercator False Easting500000.000000 False Northing0.000000 Central Meridian111.000000 Scale Factor0.999600 Latitude Of Origin0.000000 第 4 页 (共 14 页) Linear UnitMeter (1.000000) Geographic Coordinate SystemGCS_WGS_1984 Angular UnitDegree (0.017453292519943299) Prime MeridianGreenwich(0.000000000000000000) 续表 投影坐标参数名称参数取值 DatumD_WGS_1984 SpheroidWGS_1984 Semimajor Axis6378137.000000000000000000 Semiminor Axis6356752.314245179300000000 Inverse Flattening298.257223563000030000 3.为降低数据计算量,将上述 DEM 重采样，降低栅格数据的数量。点开 Data Management Tools-Raster-Raster Processing-Resample，以上述投影 变换后的合成 DEM 为输入，设置输出名，输出栅格单元大小设为 500m，以默认 重采样方式进行重采样。 4.为进一步降低计算量，缩短计算时间，根据所了解的汉江流域的大致范 围，可将计算范围缩小，以达到提高计算效率的目的。在 ArcCatalog 里建立 一 Shapefile 文件，文件名设为掩膜，要素类型为面 Polygon。单击 Edit 在坐 标系选项卡里选中 Import 输入跟投影变换后的合成 DEM 数据一样的投影坐标 系，坐标系参数参见（表 1） 。将掩膜文件，投影变换后的合成 DEM 添加到 ArcMap 中，单击 Editor 工具条，在其下拉菜单中点击 Start Editing 开始编 辑该面文件，根据以往所学知识在投影变换后的合成 DEM 数据上画出汉江流域 的范围，以减少计算量，画出的结果用 Save Edits 保存编辑，点 Stop Editing 停止编辑。点开工具箱里空间分析中 Extraction-Extract by Mask， 以投影变换后的合成 DEM 数据作为输入，掩膜文件为掩膜数据，设置输出结果 名，提取出汉江流域范围内的 DEM。如图 1 所示。 第 5 页 (共 14 页) 图 1 汉江流域大致范围的 DEM 5由于存在“数据洼地” （即数据误差造成的假洼地） ，水流方向计算时 会出现逆流现象，水系生成时出现水流断流，使水系网不连续。水系提取时， 首先要对原始 DEM 进行获取和填充，修正 DEM 数据。原理是搜索 DEM 中的每一 个栅格点，找出比其周围点的值都小的栅格点，将其标为洼地，然后将其高程 值抬升至周围点的最低值将洼地填充。很多研究者认为 DEM 数据的洼地填充与 否，填充方法的优劣对水系提取结果有着莫大的影响，为此提出了各种洼地获 取与填充的方法，对洼地进行了正确而合理的填充610。在对汉江的研究中， 应用水文分析模块中 Fill 工具，以原始汉江 DEM 数据作为输入进行洼地填充， 其中，洼地填充阀值设置为系统默认即将所有洼地进行填充，并进行两次洼地 填充，得到汉江无洼地 DEM。用 Spatial Analyst-Raster Calculator 工具， 求出原 DEM 与第一次洼地填充的差值，可以得到原 DEM 数据中洼地的分布如图 2 所示，第二次填洼后，求得第一次填洼与第二次填洼的差值为 0，表示研究 区洼地已全部被填充，生成无洼地 DEM。 第 6 页 (共 14 页) 图 2 洼地分布及高程 2.1.2 水系的提取 水系提取大致可以分为四步： 首先确定汉江水流流向，栅格单元的水流方向是指水流流出该单元格的方 向。水流方向的确定采用 D8 算法，计算出每一中心栅格与其周围栅格的坡度， 找出坡度最大的那个栅格，该栅格就是水流方向。两个相邻单元格 i 和 j 之 间的坡度计算公式为： j = arctghi hj D （式 1） 式中，hi和 hj为两个单元格的高程值，D 为两单元格中心之间的距离6。 再计算汇流量，上游汇流量指所有到达某一栅格的水流面积。原理是假想 在流域内的每一网格上降下一单位的水量，按水流方向每移动一个栅格，汇流 量将增加一个单位，因此可以计算出每一栅格的上游累计汇流量，因为得出结 果为累计流经的栅格单元数量，需将其乘以栅格单元面积才是最后所求汇流量 6。 再设置汇流量阀值获取水系栅格网络，阀值设置应以当地的实际情况为基 础，综合各方面影响因素，多次尝试设置合适的汇流量值。 最后转换为矢量水系网。利用空间分析工具中水文分析模块的 Stream to Feature 工具可将水系矢量化。 在研究区汉江的应用中过程：应用水文分析模块中的水流方向工具 Flow Direction，以无洼地 DEM 为输入得修正后的水流方向，然后应用水文分析模 第 7 页 (共 14 页) 块中的流向累积量 Flow Accumulation 工具，以水流方向和无洼地 DEM 作为输 入计算出汇流累积量，其他参数设置为默认值即可。结果如图 3 所示： 图 3 汇流累积量 以国家基础地理信息系统数据中的各级水系为参照，分别将汇流量阀值设置为 1000、800、500、400、550 提取水系网，其中阀值为 550 时，提取的水系网与 参照水系网最相近，所以设定汇流量的阀值为 550，在 Spatial Analyst 下拉 菜单中选择 Raster Calculator，在对话框内输入“Flow Acc Flow550“， 得出汇流量值大于该阀值的栅格水系网，打开空间分析工具中水文分析模块的 Stream to Feature 工具，以栅格水系网、水流方向为输入，设置文件名，得 到提取的矢量水系网，其中汉江流域水系网结果如图 4 所示： 第 8 页 (共 14 页) 图 4 汉江流域水系网 22 从 TM 数据水系的提取 LANDSAT 是美国陆地探测卫星系统，从 1972 年开始发射第一颗卫星 LANDSAT 1，到目前为止已经发射的 LANDSAT 7 的 7 颗卫星中，只有 LANDSAT 5 从 1984 年 3 月 1 日发射至今仍在超期运行。LANDSAT 5 卫星主要轨道参数： 近极近环形太阳同步轨道轨道高度为 705km，倾角为 98.2，24 小时绕地球 15 圈，辐射宽带为 185km，重访周期为 16 天。研究中用于验证的 TM 数据正是 LANDSAT 5 遥感数据生成的数据产品，该数据信息参见（表 2），TM 数据空间 参考参数参见（表 1）。经过校正过的 TM 数据可以真实的反应地表真实水系网， 由于目前还从 TM 中直接提取水系的方法还不成熟，所以研究中人工手动矢量 化影像来提取其水系网。 表 2 TM 数据相关的信息 信息名称信息取值 Acquisition Date2007-9-15 WOIDL1200911 第 9 页 (共 14 页) 续表 信息名称信息取值 Path/Row125 / 037 Lor Reference ImageL51IKR1007258020100_HDF.102331334 OriginImage courtesy of the U.S. Geological Survey Product Creation Time2010-08-21T13:53:58Z Columns and Rows8241,7101 Cell size(X,Y)30, 30 FormatTIFF Raster Information Pixel Typeunsigned integer Top3776715 Left428385 Right675615 Extent Bottom3563685 Build Parametersskipped columns:1, rows:1, ignored value: MinMax0255 Mean48.70397175183501 Std dev37.13696697000832 Statistics Classes0 2.2.1创建线文件 在 ArcCatalog 里建立一 Shapefile 文件，设置文件名，要素类型为线 Polyline。单击 Edit 在坐标系选项卡里选中 Import 输入与无洼地 DEM 数据一 样的投影坐标系（参见表 1） 。 2.2.2 提取水系 将创建的线文件，TM 数据添加到 ArcMap 中，单击 Editor 工具条，在其下 拉菜单中点击 Start Editing 开始编辑该线文件，对影像进行手动画出水系网， 矢量结果用 Save Edits 保存编辑，点击 Stop Editing 停止编辑，得出结果即 为验证依据。如图 5 所示： 第 10 页 (共 14 页) 图 5 从 TM 中提取水系网 3 研究结果的验证及分析 3.1 用 TM 提取的水系验证 将从 DEM 提取的汉江矢量化水系网，从 TM 矢量中提取水系网加载到 ArcMap 中，比较两矢量化水系可以看出水系网的基本轮廓大致相同，但在有些 部分重合度较好，有些部分却有很大差别。当水系网曲折度较小或水系级别较 高时重合的较好，反映了当地真实水系网；在一些拐弯较多的地方 DEM 矢量化 水系网较平直，就很难反应真实水系，提取结果的精度也降低，验证结果为图 6 所示。 3.2 用 TM 影像验证 将从 DEM 提取的矢量水系网，TM 影像加载到 ArcMap 中，可以观察到 DEM 提取的水系网作为理论化提取，提取结果会出现很多因地形，应用模拟地表径 流在地表的流动来产生水系的坡面流模拟方法等原因导致的非真实水系，空间 位置大致与影像相吻合，但也有些支流偏离了真实水系位置。通过实验，DEM 第 11 页 (共 14 页) 数据的水系提取方法受提取方法参数的影响，尤其是 DEM 数据填充和汇流量阀 值的人为设定，原数据的预处理尤为重要，因此应用该方法对 DEM 数据提取的 完善要这些参数的设定更加科学，这就需要结合实验区域的具体情况和以往的 经验，验证结果为图 7 所示。 图 6 矢量水系网与从 TM 中提取水系网同时显示 第 12 页 (共 14 页) 图 7 汉江流域水系网与 TM 影像同时显示 4 讨论 经本次研究，研究区汉江流域的水系网被成功提出，科学的坡面流模拟方 法，易操作的实验流程，完备的水文分析模块都是实验成功的重要因素。研究 中，对原 DEM 数据的投影变换、重采样、洼地填充，汇流量的阀值的合理设置 使计算速度提高和水系提取精度提高。但通过验证也可以看出提取的水系仍与 真实水系网有一定的差异，主要是因为重采样的像素设置稍大使真实水系网中 的较小水文特征被消除；研究中提取的水系网为理论水系网，在一些受地形影 响的地方产生理论水流，使提取结果与真实水系网间存在偏差，所以要想提高 水系网提取的精度应设置合适的重采样像素值，应用某种方法去除理论水流等。 在本研究中用从 TM 影像提取的水系网作为验证依据，粗略地判断了从 DEM 数据中提取的水系网的精度。由于没有深入研究水系网的精度值的定量表达， 所以只能通过目视判断。虽然无法得出量化的精度值，但是在研究中还是可以 看出 DEM 数据的水系与真实水系网的不同，因此，从 TM 影像提取的水系网和 TM 影像可以作为验证依据来验证从 DEM 提取的水系网的精度，而求得量化的精 度值将成为今后我们用 TM 影像验证水系提取的精度的努力方向。 5 结论 在本次研究中，应用水文分析模型从 DEM 数据中提取的水系网与真实水系 大略吻合，但也有一定的差异，主要原因是 DEM 获取和处理时存在误差，也受 数据 DEM 数据预处理、参数设置、理论提取等因素的影响，为此，提高 DEM 提 取水系网的精度需克服上述影响因素，根据当地实际情况，采用科学获取的数 据源，结合以往经验处理数据，设置参数。从验证结果看，从 TM 影像提取的 水系作为验证数据来验证从 DEM 数据提取的水系精度是一个很成功的验证方法， 必会随着 TM 影像处理技术的改进而应用到更多的领域中。 参 考 文 献 第 13 页 (共 14 页) 1 赵健，贾忠华，罗纨. ARCGIS环境下基于DEM的流域特征提取J. 水资源与水工程学报， 2006，17（1）. 2 陈永良，刘大有，虞强源. 从DEM 中自动提取自然水系J. 中国图象图形学报， 2002，7（1）. 3 孙艳玲，刘洪斌，谢德体等. 基于DEM流域河网水系的提取研究J. 资源调查与环境， 2004,25（1） 4 周贵云，刘瑜，邬伦. 基于数字高程模型的水系提取算法J. 地理学与国土研究， 2000，16（4）. 5 汤国安，杨昕. ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程M. 北京：科学出版社，2006. 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）. 7 李勤超，李宏伟，孟婵媛. 基于DEM提取水域特征的一种算法实现J. 测绘科学， 2007，32（1）. 8 徐涛，胡光道. 基于数字高程模型自动提取水系的若干问题J. 地理与地理信息科学， 2004，20（5）. 9 谢顺平，都金康，王腊春. 利用DEM 提取流域水系时洼地与平地的处理方法J. 水科学 进展，2005，16（4）. 10 李昌峰，冯学智，赵锐. 流域水系自动提取的方法和应用J. 湖泊科学， 2003，15（