毕业论文：基于ArcGIS环境DEM流域特征提取研究.doc

本科生本科生毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 题题 目：目：基于基于 ArcGIS 环环境境 DEM 流域特征提流域特征提 取研究取研究 专业专业代代码码： ： 070703 作者姓名：作者姓名： 彭希彭希 学学 号：号： 2007202090 单单 位：位： 环环境与境与规规划学院划学院 指指导导教教师师： ： 肖燕肖燕 2011 年年 5 月月 31 日日 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指 导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的相应责任。 学位论文作者签名： 日期 指 导 教 师 签 名： 日期 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 目目 录录 前前 言言-1 1 1 研究区概况和源数据研究区概况和源数据-2 1.1 研究区概况 -2 1.2 源数据 -2 2 2 流域特征提取原理和流程流域特征提取原理和流程-2 2.1 提取流程 -3 2.2 提取原理 -4 2.2.1 无洼地 DEM 生成 -4 2.2.2 汇流累积量 -5 2.2.3 水流长度 -5 2.2.4 河网的提取 -5 2.2.5 流域分割 -7 3 3 实例分析实例分析-8 3.1 流域基础数据的获得 -8 3.2 不同级别河网的生成 -8 3.3 流域盆地的提取 -11 3.4 集水子流域提取 -11 3.5 DEM 提取的河网与水系图比较-12 结论结论-14 参考文献参考文献-15 致致 谢谢-16 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 摘要摘要 本文在 ArcGIS9 平台下基于数字高程模型（DEM）数据进行流域特征的自动 提取和划分。具体包括无洼地的 DEM 生成、水流方向的确定、汇流累积量分析、 河网的提取、流域的分割等。选择长江流域的洞庭湖流域为案例区。采用 SRTM DEM 数据和相关水系图做为基础数据，利用 ArcGIS9 的水文分析工具，进行了 案例区流域特征信息的提取。得到结果经辨析，与实际河流水系特征基本吻合。 关键词：关键词：ArcGIS； 数字高程模型（DEM） ；流域特征 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） Abstract Basing on ArcGIS9 lans digital elevation model (DEM), this paper performed data features automatic extraction and watershed division. Specifically it include the DEM development，without depressions in the direction of flow determination，the confluence cumulant analysis and river extraction，watershed segmentation etc.We Choose the Yangtze basin dongting lake basin as a case area.Taking srtmdem data and related water system figure as a basic ArcGIS9 data and using the hydrologic analysis tools.This paper made extraction of characteristic information from area basin. According to analysis the result and the actual river system fits experimental data well. Key words：ArcGIS；Digital Elevation Model；Watershed features 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 1 基于基于 ArcGIS 环境环境 DEM 流域特征提取研究流域特征提取研究 前前 言言 数字高程模型(Digital Elevation Model ，DEM) 数据中包含了丰富的地形、 地貌、水文信息，它能够反映各种分辨率的地形特征，通过 DEM 可以提取大量 的地表形态信息，如流域网格单元的坡向、坡度以及单元格之间的关系等1。随 着数字时代的到来，数字地形成为与空间地理信息相关研究的必然基础。数字地 形以数字高程模型 (Digital Elevation Models，缩写为 DEM)的形式存储，分为栅 格 DEM，不规则三角网 TIN 和等高线 DEM 三种。其中栅格 DEM 比较普遍， 计算处理方法简单有效，而且和遥感数据在结构上容易匹配，在流域水文模拟中 得到普遍应用2 。 地理信息系统(GIS)也随着数字时代的到来而日益普及和应用，高分辨的 DEM 数据的方便获取使得人们把 DEM 数据应用到直接提取水系上来。DEM 是 地理信息系统的基础数据，也是流域地形分析的主要数据，国内外采用 GIS 的栅 格数据(DEM) 研究地表地形特征和水文特性，已作了大量的工作并已经研究开 发了许多生成数字流域的成熟算法和软件。目前应用最广泛的方法仍然是 1984 年由 Mark 提出的提取流域特征的 TOPAZ(Topographic PArameteriZation)方法， 该方法生成河网采取的是 D8 算法3。比如 ESRI 提供的 ARC /INFOGRID 模块 和 Hybrology 工具集，ArcView 扩展模块 hydrologic Functions，RSI 提供的 River Tools，Garbrecht J1MartzW 的 TOPAZ 工具，此外，美国 Brigham Young 大学开发的 WMS 软件，美国自然资源保护局和农业研究局联合开发的分布式 参数模型 An2nAGNPSE 都运用 TOPAZ 进行子流域的划分4。本文探讨的是利 用 ArcInfo Desktop 中的 Spatial Analysis 模块和 ArcHydro Tools 模块对研究区域 进行流域特征提取。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 2 1 研究区概况和源数据研究区概况和源数据 1.1 研究区概况研究区概况 洞庭湖是中国五大淡水湖之一， 长江中游重要吞吐湖泊。湖区位于湖南 省北部，长江荆河段以南，介于北纬28303020，东经 11040113 10。 洞庭湖是由水流沼泽、河网平原地貌 形成的自然 景观，东、南、西三面 环山，北部是敞口的马蹄形盆地，西北高，东南低；湖面海拔平均33.5m， 其中西洞庭湖 3536m，南洞庭湖 3435m，东洞庭湖 3334m，平均水深 67m，最深处 30.8m，总面积约 2691km2，其中西洞庭湖 345km2，南洞庭 湖 917km2，东洞庭湖 1478km2，湖水蓄量 178 亿立方 m；底质多泥或淤泥型； 主要入湖河流有湘江、资江、沅江、澧江四水、长江三口、汨罗江、藕池东支、 华容河。北面江水从松滋、太平、藕池、调弦 4 口汇入，南和西面有湘江 、 资江、沅江、澧水注入。湖水经城陵矶排入长江。通常年分4 口与 4 水入湖 洪峰彼此错开。由于 4 水和 4 口携带大量泥沙，每年约有 1.28 亿吨泥沙淤 积湖底。1825 年时湖水面积约 6，000km2，1890 年为 5400km2，1932 年为 4700km2，1960 年已减为 3141km2。现在以湖面高程 34.5m 计，湖水面积为 2820km2。昔日号称 八百里洞庭，今已分割为许多大小湖泊。水位变幅达 13.6m5。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 3 图 1 洞庭湖流域在湖南省的地理位置示意图 Figure 1 location in Hunan Dongting Lake Basin Schematic 1.2 源数据源数据 本文采用的数据包括：1:800 万长江流域的水系图、110115E，2530N 的 90m 分辨率的湖南省境内洞庭湖流域 SRTMDEM 数据，最大高程为 2124m， 最低高程为 26m。洞庭湖流域覆盖湖南省大部和湖北省、广西壮族自治区、贵州 省和重庆市部分地区，流域面积 262800 余 km2，湖南境内占总流域面积的 78%，约 204800 km2。 SRTMDEM 数据主要是由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA） 联合测量的，SRTM 的全称是 Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机 雷达地形测绘使命。SRTM 数据每经纬度方格提供一个文件，精度有 1 arc- second 和 3 arc-second，称作 SRTM1 和 SRTM3，或者 30M 或者 90M 数据。目前 能够免费获取中国境内的 SRTM3 文件，是 90m 的数据，每个 90m 的数据点是由 9 个 30m 的数据点算术平均得来的。本文即采用 SRTM3 数据。 2 流域特征提取原理和流程流域特征提取原理和流程 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 4 ArcGIS 的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型，辅助分析地表水 流从哪里产生、流向何处，再现水流的流动过程。水流通过地表通常是流向最陡 的方向，一旦水流流向被确定下来，就可算出有多少网格的水流流入给定的网格， 这以信息将决定流域边界和水流网络6。具体提取流程见图 2。 2.1 提取流程提取流程 以 DEM 数据为基础数据，生成水流方向数据。由水流方向数据计算洼地，并 做填洼处理生成无洼地的 DEM，计算无洼地 DEM 的水流方向。由无洼地 DEM 水流 方向数据计算得到汇流累积量数据。汇流累积量数据则可以提取河网、河网分级、 河网结点生成，再综合无洼地 DEM 数据计算得到的汇水区出水口和水流长度等数 据，最终集水流域生成。具体流程如下： 图 2 ArcGIS 中流域特征提取流程 Figure 2 ArcGIS feature extraction process in the basin 2.2 提取原理提取原理 ArcGIS 将水文分析模块集成到 ArcGIStoolbox 里，即 Hydrology tools。主要 包括地表径流模拟过程中的水流方向的确定、洼地填平、水流累积矩阵生成、网 络生成以及流域分割等。 2.2.1 无洼地 DEM 生成 DEM 流向 汇流累 积 填洼 是否填平流向 无洼地 DEM 河网提取 集水流域生成 水流长 河网分级 河网结点 汇水区出水口 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 5 DEM 是比较光滑的地形表面模型，但是由于 DEM 误差以及一些真实地形 （如卡斯特地貌）的存在，使得 DEM 表面存在着一些凹陷的区域。在进行水流 方向计算时，由于这些区域的存在，往往得不到合理的甚至错误的水流方向。因 此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始 DEM 数据进行洼地填充，得 到无洼地 DEM。 洼地的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，并计算其洼地的深度，然后，依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充 6。 1）水流方向提取。ArcGIS 中水流方向的提取用的是 D8 算法。对于每一格 网，水流方向指水流离开此格网时的指向。在 ArcGIS 中，通过对中心栅格的 8 个邻域栅格编码，中心栅格的水流方向便可由其中的一值来确定。水流的流向是 通过计算中心格网与邻域格网的最大距离落差来确定。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，则栅格间的距离为倍的栅格大2 小，否则距离为 1。 2）洼地计算与填充。洼地区域是流水方向不合理的地方，可以通过水流方 向来判断哪些地方时洼地，并且进行填充。但是，并非所有的洼地区域都是由于 数据的误差造成的，有很多洼地是地表形态的真实反映。因此在进行洼地填充之 前，必须计算洼地深度，判断是否是洼地。然后，在洼地填充是，设置合理的填 充阈值。当一个洼地区域被填平之后，这个区域与附近区域再进行洼地计算，可 能还会形成新的洼地。因此，洼地填充是一个不断反复的过程，知道所有的洼地 被填平、新的洼地不再产生为止。 2.2.2 汇流累积量 汇流累积量数值矩阵表示区域地形每点的流水量累积。在地表径流模拟过 程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的。对每一个网格来说，汇 流累积量的大小代表着其上游有多少格网的水流方向最终汇流经过该网格，汇 流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。 一个流域的汇流累积量计算是提取该流域河流网络的基础，流域内一个网 格的汇流量反应了其汇聚水流能力的强弱。一个网格的汇流累积量越大，其汇 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 6 流能力也就越强，该网格所代表的地形特征可能就是河谷；反之汇流累积量为 零的地方则可能代表流域的分水岭 7。 汇流累积量的 基本思想是：以 规则格网表示数字地面高程模型每点处有一 个单位的水量 。按照自然水流从高处流向低处的自然规律，根据区域地形的 水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，便得到了该区域的汇流累积量。 由水流方向数据得到汇流累积量计算的过程。 2.2.3 水流长度 水流长度指地面上一点沿水流方向到其流向起点 (或终点)间的最大地面 距离在水平面上的投影长度。水流长度直接影响地面径流的速度，进而影响地 面土壤的侵蚀力。因此，水流长度的提取和分析在水土保持工作中有很重要的 意义。目前，在 ArcGIS 中水流长度的计算方式有两种：顺流计算和溯流计算。 顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口的水平投影距 离。溯流计算是计算地面上每一点逆水流方向到其流向起点的水平投影距离。 应用水流方向数据进行逆流计算和溯流计算就可以得出水流长度数据。 2.2.4 河网的提取 提取地表水流网络是 DEM 水文分析的主要内容之一。目前河网提取方法 主要采用地表径流漫流模型：首先，在无洼地DEM 上利用最大坡降法计算 出每一个栅格的水流方向；然后，依据自然水流由高处流往低处的自然规律， 计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量。假设每一个栅 格携带一份流水，那么栅格的汇流累积量就代表着该栅格的水流量。基于上述 思想，当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，所有汇流量大于临界 值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网格，就是河网。 1）河网生成。 DEM 中某一栅格点若能形成水系，则必须存在一定规模的 级别的上游给水区，因此可以给定一个适当的最小水道集水面积阈值 79， 上游汇水面积等于最小水道集水面积阈值的栅格点定义为水道的起始点，上游 汇水面积大于最小水道集水面积阈值的栅格点定义为水道，将汇流栅格图所 有大于或者等于最小水道集水面积阈值的栅格提取出来，即得到了河网。不 同级别河谷对应不同的阈值，不同区域级别的河谷对应的阈值也是不同的。所 以，在设定阈值时，应通过不断的实验和利用现有的实验和利用现有的地图等 其他资料辅助检验的方法来确定。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 7 2)Stream Link 的生成。Stream Link 记录河网中结点之间的链接信息，它 主要记录河网的结构信息。 Stream Link 每条弧段连接着两个作为出水点或者 汇合点的结点，或者连接着出水点和河网起始点。因此通过提取Stream Link 可以得到每一个河网弧段的起始点和终止点。同样，也可以得到汇水区 域的出水点。用水流方向数据和栅格河网数据即可以得到Stream Link。 3)河网分级。河网分级是对一个线性的河流网络以数字标识的形式划分级 别。在地貌学中，河流的分级依据河流的流量、形态等因素进行。不同级别的 河网代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流累积量越大，一般是主流，而级 别较低的河网一般则是支流。 在 ArcGIS 的水文分析中，提取两种常用的河网分级方法： Strahler 分级 和 Shreve 分级。Strahler 分级是将所有河网弧度中没有支流河网弧段定为第1 级，两个 1 级河网弧段汇流成的河网弧段为第2 级，以此类推，直到河网的 出水口。在这种分级中，当且仅当同级别的两条河网弧段汇流成一条河网弧段 时，该弧段级别才会增加，对于那些低级弧段汇入高级弧段的情况，高级弧段 的级别不会改变； Shreve 分级第 1，2 级河网定义与 Strahler 分级相同，不 同的是高级别的河网弧段，其级别的定义是汇入其河网弧段级别之和，这种河 网分级到最后出水口位置时，其河网的级别数刚好是该河网所有的1 级河网 弧段的个数。 2.2.5 流域分割 流域又称集水区域（watershed） ，是指流经其中的水流和其他物质从一个公 共的出水口排出从而形成的一个集中的排水区域，也可以用流域盆地、集水盆地 或水流区域等来描述。集水流域显示了每个流域汇水区域的大小。流域的分界线 即为分水岭。分水线包围的区域称为一条河流或水系的流域，流域分水线所包围 的区域面积就是流域面积。 1）流域盆地的确定，流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域，可利 水流方向确定所有相互连接并处于同一流域盆地的栅格区域。首先，确定分析窗 口边缘出水口的位置，所有流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。其次找出 所有流入出水口的上游栅格的位置，即为流域盆地集水区。利用流域分析，可以 从很大一个研究区中选择感兴趣的流域并且将该流域从整个研究区域分割出来单 独进行分析。用水流方向数据即可以得到流域盆地数据。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 8 2）汇水区出水口的确定。出水口即流域内水流的出口，是整个流域的最低 处。在水文分析中，经常基于更小的流域单元进行分析，因而需要对流域进行分 割。流域的分割首先要确定小级别流域的出水口的位置。它的思想是：以记录着 潜在但并不准确的小级别流域出水口位置的点数据为基础，搜索该点一定范围内 汇流累积量较高的栅格点，这些栅格点就是小级别流域的出水点。如果没有出水 点的栅格和矢量数据，可利用已生成的 Stream Link 数据作为汇水区的出水点。 3）集水流域的生成。集水流域生成的思想是：先确定出水点，即该集水区 的最低点，然后结合水流方向，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅 格，一直搜索到流域的边界，即分水岭为止。应用水流方向数据和流域出水口点 数据 StreamLink 就可以得到每一条河网弧段的集水区，也就是最小沟谷的集 水区域。 3 实例分析实例分析 3.1 流域基础数据的获得流域基础数据的获得 基于以上理论，本次实验对洞庭湖流域的流域特征提取的基础是获得无洼地 DEM 和水流方向，水流累积量数据。首先用 Spatial Analyst Tools 中 Hydrolody 工具集的 Flow Direction 工具和 Fill 工具生成无洼地的 DEM 数据，填洼后的 DEM 数据，最大高程为 2115，最小高程为 15。再用 Flow Direction 工具对无洼 地的 DEM 数据计算出无洼地 DEM 数据的水流方向，利用 Flow Accumlation 工 具由水流方向数据得到汇流累积量数据（如图 3） 。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 9 图 3 汇流累积量 Figure 3 confluence cumulant 3.2 不同级别河网的生成不同级别河网的生成 以汇流累积量数据为基础，用 Spatial Analyst 分析模块下的 Raster Calculator 设定阈值提取河网，得到栅格河网。不同的汇水面积阈值得到不同的河网，具有 很大的随意性，如图 3.1，3.2，3.3 就是不同阈值设定下得到的河网。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 10 图 3.1 汇流累积量大于等于为 10 万的河网 Figure 3.1 confluence cumulant for 10 million more than equal to the river 图 3.2 汇流累积量大于等于 3 万的河网 Figure 3.2 confluence cumulant for 3 million more than equal to the river 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 11 图 3.3 汇流累积量大于等于 1 万的河网 Figure 3.3 confluence cumulant for 1 million more than equal to the river 河网的详细程度是由给定的最小集流阈值的大小决定的，由上图可以看出， 最小集流阈值越小河网越详细，最小集流阈值越大提取的河网越稀疏。最小阈值 的设定可以根据提取数据的用途来确定。本实验通过多次试验，最终确定阈值为 3 万个累积栅格来提取河网。 3.3 流域盆地的提取流域盆地的提取 流域盆地用 Hydrolody 下 Basin 工具由水流方向数据生成。再用 Hydrolody 工具集的 Stream Link 工具对水流方向数据和栅格河网数据生成Stream Link 数据，作为汇水区的出水口。 3.4 集水子流域提取集水子流域提取 以 Stream Link 数据作为流域的出水口数据结合水流方向数据通过 Hydrology 工具集中的 Watershed 工具计算得到集水区域。以流域盆地和矢量 河网的数据作为背景 ，如图 4。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 12 图 4 集水区域的计算结果 Figure 4 catchment area calculation results 3.5 DEM 提取的河网与水系图比较提取的河网与水系图比较 DEM 提取的河网和 1:8000000 的水系图对比吻合的比较好，由于对比水系图 的比例尺过小，所以对比水系图弯曲细节被拉伸，但是可以看出 DEM 提取的河 网主干的河道弯曲模拟很好，各大支流都比较符合实际流向。图 6 是在 DEM 生 成的 TIN 图和矢量河网图的叠加图。用来充分说明洞庭湖流域的水系分布景观。 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 13 图 5 DEM 提取的河网和对比水系图 Figure 5 DEM extraction and contrast stream figure 图 6 提取河网的 3D 效果图 Figure 6 extraction of 3D rendering varies 聊城大学本科毕业论文聊城大学本科毕业论文（设计）（设计） 14 表 1 实际流域面积和 DEM 提取面积比较 Table 1 actual basin area and DEM extraction area comparison 洞庭湖流域实际总面积 /km210 湖南省境内洞庭湖实际 面积/km210 DEM提取的湖南省内洞 庭湖面积/km2 相对精度/% 26.28 万20.48 万19.71 万96 实际湖南省境内洞庭湖流域面积约占洞庭湖流域总面积的 78%，DEM 提取 的河网流域面积占洞庭湖流域面积约为 75%，误差很小。各项数据比较如表 1。 结论结论 本文以湖南省洞庭湖流域为例，利用 ArcGIS 进行了基于 SRTMDEM 的 流域特征提取研究， 提取的河网流域面积精度为 96%，达到了很好的效果 ， 可以应用于实践 。 不同的最小集流阈值得到不同详细程度的河网，如何确