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资源调查与环境 RES OURCES S URVEY ENVI R0NMENT 第 3 3 卷第 3 期 Vo 1 3 3 No 3 文 章 编 号 ： 1 6 7 1 4 8 1 4 ( 2 O 1 2 ) O 3 2 0 6 0 5 两种不同 DE M 处理方法提取的水系比较 刘 昱 恒 ， 徐 宏根 ( 1中国地质大学( 北京) 地球科学与资源学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ) ( 2中国地质调查局武汉地质调查 中心， 武汉 4 3 0 2 0 5 ) 摘要 ： 水 系不但是重要 的自然地理要素 ， 而且对 防洪减灾 、 资源开发等有着重要 意义 。 基于 D E M 的坡面径流法 是最为常用的水系提取方法 ， 其提取精度直接取决于 D E M 中洼地的处 理方法。为了比较不同 D E M 处理方法对水 系提取精度 的影响 ， 本文 以江西省潦河流域 为例 ， 利用基 于 D E M 数据 的 J D算法 及基于辅助数 据 的 AG RE E方 法来处理实验 区 D E M ， 然后利用坡面径流法提取水 系。 结 果表明 ， 经两种方法后均可 以提取出连续的水系 ， 且提取 水系 的等级 、 数量 及长度相差不 大； 在提取精 度上， 在受人类 活动影响较小 的山地丘 陵地 区两 种方 法提取 的水系 比 较 吻合 ， 而在平坦地 区或受 人类活动影 响较 大的地区提取 的水系差 异较大 ， 且 AGR E E方法 处理后提 取的水系精 度较高 。 关键 词 ： 水系 ； 坡面径流法 ； 提取精度 ； 辅助数 据 中图分 类号： T P 7 5 3 文献标识码 ： A 数字水系是大多数地表水文分析模型的主要输 入数据 ， 在水 资源开发利用、 防洪减灾、 水域污染监 测及 水 土保 持 等诸 多方 面 也 得 到 了广 泛 的应 用 L 1 。 DE M 由于能够表达丰富地貌信息而被广泛的运用 于数字水系的提取。目前 ， 最常用的基于DE M 水系 提取方法是坡面径流法 ， 其原理是从 D E M 中隐含 的格点高程及地理信息 ， 凭借地表径流在地形作用 下的运动规律 的特征表达 ， 利用计算机 自动实现流 域 河 网水 系 的准确 提取 L 2 。 目前， 利用 D E M 提取水系主要有两种思路 ： 其 一 是依靠单纯 D E M 数据 的处理 。这种方法 由于插 值 误差 、 数 据 分辨 率尤 其 是水 平分 辨率 的影 响 ， D E M 数据往往不能反映小于分辨率范围内的地形 起伏 ， 由此造成平地和洼地而影响水系提取的精度 ， 因此 ， 洼地和平地流向的确定成为水系提取研究的 热点与难点 。 J e n s o n和 D o min iq u e提出了一种洼地 和平地的流向赋予算法 ( 以下简称 J & D算法) ， 该方 法首先寻找洼地或平地的流出点， 然后根据流 出点 的高程对洼地或平地进行增高 ， 最后从流 出点附近 的栅格开始从近及远赋予流 向值乜 。由于该算法稳 健且适应范围广而被广泛运用于一些商业软件， 例 如 E R S I Ar c G I S等。 该算法对山区或河流谷底存在 小范围闭合洼地的情况较有效 ， 但对于大范围的平 原或水体区域 内的洼地和平地进行处理时， 所提取 水系的效果和效率还不尽如人意 3 。其二是加入辅 助数据进行处理 。由于采用单一的 DE M 数据源很 难判断出流域局部真实的地形特征和水流方向， 因 此在提取流域水系等信息时往往需要加入辅助数据 进行修正。为此， Hu t c h in s o n提出了“ S t r e a m B u r n i n g ” 方法 ， 建议将河网辅助信息应用 于 DE M 中， 使 通过网格的水流与真实河网相对应 4 。S a u n d e r s 等 通过人 工数字化水 系 图来提 高虚拟 河 网精度 5 。 Tu r c o t t e等在 S a u n d e r s等研究 的基础上通过数字 河流 和湖 泊 网络 DR L N( Di g it a l R iv e r& L a k e N e t wo r k ) 来提高湖泊和平原 的水系提取精度L 6 。在 国 内， 王加虎等通过数字化不 同比例尺的地形图水系 等方式解决了 D E M 水系提取中的部分河道缺失 的 信息 。 此方法使提取出的河道流向更加准确 ， 在水系 提取方法上值得借鉴E 。林凯荣等采用了目视解译 遥感影像方法对提取 出的河系进行修正 ， 此方法虽 然可以生成比较符合实际地形的河系， 但 目视解译 受研究者经验的影响较大 ， 而且花费大量时间- 8 。 郝 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 - 0 5 第一作者简介 ： 刘昱恒 ( 1 9 8 9 ) 男 ， 湖北钟祥人 ， 在读研究生 ， 中国地质大学 ( 北 京) 地球科学与资源学院。 第 3 3卷第 3期 刘昱恒 ， 等 ： 两种不同 D E M 处理方法提取 的水 系比较 2 0 7 振纯等采用主干河道数字化方法 ， 通过叠加处理 ， 改 变主干河道经过的格 网内高程值， 使河 网生成在主 干河 道 的约束条 件下 完成 。 F e r d i提 出 了 AGR E E 算法 ， 该方法根据输入 的矢量水系数据来重新调整 D E M 中相应栅格的高程值 1 。 。 。 该方法简单 、 易于实 现 ， 且配合 J 算 法可 以实现河 网水 系的准确提 取 ， 因此 ， 该方法也作为 A r c GI S水文分析 的一个模 块 而得到 了广泛 的运 用 。 这两种思路中， 前者以 J D算法因稳健可靠而 被广泛应用； 后者以AGR E E方法较为代表 。 为了比 较两种不 同 D E M 处理方法 对水系提取精 度的影 响 ， 本文 拟 以 江西 省潦 河 流 域 为例 ， 利 用基 于 D E M 数据的 J & D算法及基 于辅助数据的 AG RE E方法 来进行实验 区 D E M 填洼处理， 然后利用坡 面径流 法提取水系， 从而研究不 同方法提取的精度及适用 范围， 为流域河 网水 系的计算机 自动提取提供有益 的借 鉴 。 1 研究方法 1 1 坡 面径流 法提 取河 网步骤 1 1 1 无 洼地 DEM 生成 实际地形存 在真实的洼地 ， D E M 数 据因精度 不够或者数据异常会产生假洼地 。假洼地导致在河 网生成过程 中可能会造成不合理的中断， 降低 了生 成河 网的准确性 ， 所 以应 该在河网提取 前对 D E M 数据进行填 洼和平 地抬升 处理 以生 成无洼 D E M ( De p r e s s i o n l e s s DE M) 。洼地填充的简单方法是如 果某一栅格单元 的高程低于周围栅格单元 的高程 ， 则增加该栅格单元的高程 ， 直到水流可 以流到相邻 单元 。 1 1 2水流方 向确 定 通 过对 D E M 数 据预 处理 得到无 洼 D E M 数据 ， 然后确定各个栅格的水流方 向。确定流向最常用的 方法是 D8 算法。D8 算法假设单个 网格 中的水流只 有 8种可能的流 向， 即流人与之相邻的 8个网格。 它 可用最 陡坡度法来确定水 流的方 向， 即在 3 3的 D E M 网格上 ， 分别计算 中心网格与各 相邻 网格间 的坡降 ， 具有最大坡降值的栅格便为流入栅格 。 1 1 3 流 量 累积 矩 阵计 算 流域汇流能力分析是提取河流 网络的前提和基 础 。流域 内一个栅格的汇流能力反映了其汇聚水流 能力的强弱程度 ， 汇流能力特征值就表示水流能够 流入其中的周围栅格 的数 目。 因此 ， 一个栅格的汇流 能力特征值越大， 表示水流能够流入其 中的栅格数 目越多 ， 其汇流能力也就越强 。 根据无洼 D E M 数据 的生成 的水流方向栅格逆向跟踪计算能够注入该栅 格 的所有栅格数 目， 并将其标注为该栅格的汇流特 征值 ， 生成水流集聚栅格。 1 1 4河 网提取 在水流集 聚栅格中， 每一个栅格 的汇流特征值 代表着注入该栅格 的所有栅格的数量 。当栅格的特 征值大于某一给定 阈值时 ， 认为该栅格为河网栅格 ， 将这些栅格的值赋为 1 ， 小于该 阈值 的栅格值赋为 0 ， 即生成二值化的河网栅格 。 1 2 基于 D E M 数 据 的洼地 处理 方法 在利用 D8提取流域河 网及其他流域参数时遇 到的最大问题是在 D E M 中存在洼地。由于没有比 洼地更低的高程 ， 所 以无法确定水流方 向。J 8 算 法主要思想是首先扫描洼地， 找到洼地所在 区域的 出流点 ， 将该区域 内低于出流点的高程升到该出流 点高程 ， 然后修改平地( 原来已存在 的平地与经过填 充后的平地) 的水流方向， 即从平地栅格单元指向平 地周边最近的出流单元 ， 使流域内每个网格 的水流 都能够流到流域出口 2 。 1 3基于辅 助数 据 的洼地处 理方 法 AG RE E方法是一种将矢量河网图层作为附加 信息的 D E M 表面高程调整算法 ， 目的是使得 D E M 和 输 入 的矢量 河 网图层 相 一致口 。该方 法 通过 “ b u r n i n ” 方式将矢量河 网数据所在格网的高程值 人为降低一定数值 ， 从而将实 际河 网嵌入到 DE M 中。 在运用 AG RE E算法处理 D E M 时 ， 需要设置缓 冲区( B u f f e r ) 、 平滑( S mo o t h ) 、 增益 ( S h a r p ) 等 3个 参数， 这 3个参数代表 了 AG RE E算法 的 3个组成 部分。 首先， 根据设定的缓冲区参数确定在矢量河道 两侧创建 的缓冲 区宽度 ， 该宽度 以 D E M 图层栅格 的个数表示 ， 也就是设定的缓冲区参数的大小 。 平滑 参数表示缓冲区栅格 ( 从缓冲区的边界 到河道所处 栅格之间的栅格) 部分降低的总高度 ， 平滑处理将缓 冲区边界至河道栅格处的高程逐格降低 ， 每个栅格 降低的高度取决 于缓 冲区的宽度和平滑参数 的大 小 ， 使得河道及周边的地势呈一个“ V” 字形 ， 确保水 流将汇到河道栅格处 。最后 ， 在平滑处理的基础上， 根据 设定增 益参 数 的大小 在河道 所在 的栅 格再 次将 高程降低相应数值 ， 达到根据矢量河道对 D E M 进 行修正的目的E 1 o 。 2 实验设计 本研究选择江西省潦河流域为实验区， 面积为 I 5 6 0 k m ， 最高海拔 1 7 9 0 m。流域内有 2条支流几 2 0 8 资源调查与环境 乎平行流动 ， 最后汇合后注入鄱阳湖。 气候属亚热带 湿润季风气候 ， 光照充足 ， 雨量充沛 ， 年平均雨量约 1 5 0 0 mm， 但季节分布不均匀 ， 4 6 月为雨季 ， 降雨 集中， 多为暴雨， 其降雨量 占全年的 5 O 以上 ， 秋季 干旱 。土壤肥沃， 优越的 自然地理条件 ， 适合水稻等 多种高产作物生长， 林地覆盖率达 6 O 以上。 研究数据为 3 0 m 分辨率的 AS T E R GDE M、 1 ： 2 5万 D L G 水 系数 据及 2 0 0 5年 4月 2 7日获取 的 L a n d s a t E T M4 - 影像。对 D L G水系数据进行编辑 处理 ， 提取单线的干流水系。 分别利用基于 D E M 数 据的 J 算法和整合 DL G数据的 AGR E E方法对 D E M 中洼地 及平地进行处 理， 利用坡面径流法进 行水系提取， 采用 S t r a h l e r法对提取水系进行分级 编码 ， 然后提取 出的结果分别与E TM+影像 中的水 系进行叠加 比较， 从而检验不 同方法提取水 系的精 度 。为 了定 量 比较两 种 D E M 处 理方 法 提取 的水 系 差别， 本研究还计算了不 同方法提取出的各级别水 系 数量及 长度 。 3 结果与讨论 3 1 水 系提 取结 果 将原始 DE M 和读入 E S R I Ar c GI S中的水文模 块进行分析处理。Ar c G I S水文模块利用 J D算法 进行填洼处理， 采用 AGR E E算法来整合矢量水系。 本研究首先利用 J 8 d )算法对研 究区洼地进行填洼 处理后 ， 采用 D8单流向算法计算每个栅格的流向， 在此基础上计算各个栅格 的累计流量 ， 最后设置临 界集水面积阈值为 1 0 k m。 提取水系 ， 所得结果如 图 l所示 。在利用 AGR E E算法整合 DL G水系时， 缓 冲区、 平滑和增益值分别设为 3 、 2 O和 1 O ， 经过相应 步骤处理后， 仍设置临界集水面积阈值为 1 0 k m。 来 提取 水 系 ， 结果 见 图 1 。 从图 1中可 以看 出， 两种 D E M 处理方法均可 提取 出流 域水 系 。在 受人类 活 动影 响较小 的 山地 丘 陵地区， 地形坡度较大， 人为改造的河道较少 ， 两种 方 法提取 的结果 比较 一致 ， 且精度 较 高 ( 图 1 ) 。 但 在 下游的平坦地区( 如图 1中的 3个矩形框区域 ) ， 两 种方法提取的结果则存在较大差异 ， 如图 2 。 图 2中 B 、 c区域位于流域下游的平坦地 区， 地 形 坡度 小 于 3 。 。在 这样 的地 区 ， 河 流流 动 的 随机 性 比较大 ， 自然水系往往是弯曲的， 而 D E M 中有限的 高程信息很难确定水流方 向。因此 ， J & D方法处理 的 D E M 提取 的水系基本与实际存在较大差异 ， 提 取效果较差。第 2种处理方法将 DL G主干河网“ 烧 录” 到 DE M 后， 根据实 际河 网信 息， 通过 AGR E E 算法来修 正相应的 D E M 高程值， 将平坦地 区栅格 水流汇聚到附近的河道 中来 ， 提取的河 网基本与实 际吻合 。总之 ， 两种不 同的 DE M 处理方法 ， 在受人 类活动影响较小的山地丘 陵地区提取的水系 比较吻 合 ， 而在平坦地 区或受人类活动影响较大的地区提 取 的水系差异较大 ， 且 AGR E E方法处理后提取的 水系精度较高。 图 1 两种不 同 D E M 处理方法提取的水系 比较 ( 图中矩形框分另 为 图 2中 A、 B、 C的位置 ) F i g 1 Co mp a r i s o n o f wa t e r s y s t e ms e x t r a c t e d f r o m DEM b a s e d o n t WO d i f f e r e n t p r e p r o c e s s i n g me t h o d s ( t h e r e c t a n g l e s A。 B a n d C r e p r e s e n t r e s p e c t i v e l y t h e l o c a t i o n s o f wa t e r s y s t e ms s h o wi n g i n Fi g 2 A，B a n d C) 2 1 O 资源调查与环境 2 0 1 2正 参考 文献 E 1 3 E 2 - 1 E 3 E C E s 李辉 ， 代侦勇 ， 张利华 ， 等 利用数学形态学 的遥感影像 水系提取方法 E J 武汉 大学学报信息科 学版 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 8 ) ： 9 5 6 9 5 9 J e n s o n S K，Do min i q u e J OEx t r a c t in g t o p o g r a p h i c s t r u c t ur e f r om digit a l e l e va t ion da t a f o r g e og r a p hic al in f o r ma t i o n s y s t e m a n a l y s i s J P h o t o g r a mme t r ic E n g i n e e r in g a n d Re mo t e S e n s i n g，1 9 8 8， 5 4( 1 1 )： 1 5 9 3 1 60 0 李辉 ， 陈晓玲 ， 张利华 ， 等 基 于三方 向搜 索的 D E M 中 洼地处理 方法研究 J 水科 学进展 ， 2 0 0 9 ， 2 O ( 4 ) ： 4 7 3 4 79 Hu t c h in s o n M F A n e w p r o c e d u r e f o r g r id d in g e l e v a t io n a n d s t r e a m l in e d a t a wit h a u t o ma t ic r e mo v a l o f s p u r io u s p i t s J J o u r n a l o f Hy d r o l o g y ，1 9 8 9 ， 1 0 6 ( 3 4 ) ： 2 1 1 2 3 2 Sa u nde r s W ，M a idme nt D R Gr id b a s e d wa t e r s he d a n d s t r e a m n e t wor k de l in e a t io n f o r Sa n An t o nio Nue c e s c o a s t a l b a s in A I n：P r o c e e d in g s o f Te x a s E 6 w a t e r 95：A Co mpo ne nt Co nf e r e n e e o f t he Fir s t I n t e r n a t io n a l C o n f e r e n c e o f W a t e r Re s o u r c e s En g in e e r i n g C S a n A n t o n io ： AS C E，1 9 9 5 ： 1 6 1 7 Tu r c o t t e R，F o r t in J P， Ro u s s e a u A N ，e t a 1 De t e r min a t io n o f t h e d r a in a g e s t r u c t u r e o f a wa t e r s h e d u s in g a digit al e l e v a t io n m o d el a n d a d ig it a l r iv e r a nd l a k e n e t w o r k J J o u r n a l o f H y d r o l o g y ，2 0 0 1 ， 2 4 0 ： 2 25 24 2 7 王加虎 ， 郝振 纯 ， 李 丽 基于 DE M 和主干 河 网信息 提 取 数 字 水 系研 究 E J 河 海 大 学 学 报 ： 自然 科 学 版 ， 2 0 0 5， 3 3 ( 2 ) ： 1 1 9 1 2 2 E 8 林凯荣 ， 郭生练 ， 陈华 ， 等 利用遥感信息修正 数字河网 的研 究 J 武 汉 大学 学 报 ： 工 学 版， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 6 ) ： 4 8 5 2 9 郝振纯， 李丽 基于 D E M 的数字水系的生成 J 水 文 ， 2 0 0 2 ， 2 2 ( 4 )： 8 - 1 0 1 O h t t p： ww w e e u t e x a s e d u p r o f ma i d me n t GI S H Y DR0 f e r d i r e s e a r c h a g r e e a g r e e h t ml 1 1 郑子彦 ， 张万 昌， 邰庆 国 基 于 D E M 与数 字 化河 道提 取流域河 网的不 同方案 比较研究 E J 资源科学 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 1 0 ) ： 1 7 3 O 一 1 7 3 9 Co mpa r is o n s o f wa t e r s y s t e m s e x t r a c t e d f r o m DEM wit h t wo d if f e r e nt p r o c e s s ing me t h o d s LI U Yu h e n g ，XU Ho n g g e n ( 1 S c h o o l o f t h e E a r t h S c ie n c e s a n d R e s o u r c e s ， C h in a Un iv e r s i t y o f G e o s c ie n c e s ， B e q i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) ( 2 Wu h a n C e n t e r of G e o l o g ic a l S u r v e y， Wu h a n 4 3 0 2 0 5 ， C h in a ) Abs t r a e t W a t e r s y s t e ms a r e n ot o nl y imp or t a nt na t ur a l d e t a il s，but a l s o c r it ic a l da t a s ou r c e s f o r f l o o d pr e v e n t io n，d is a s t e r r e du c t i on a nd e xp l oi t a t ion o f na t ur a l r e s ou r c e s W a t e r s ys t e m s a r e us ua l l y e xt r a c t e d f r o m DEM( d ig i t a l e l e v a t io n d a t a )wit h s l o p e r u n o f f me t h o d，t h e a c c u r a c y o f wh ic h is d e t e r min e d b y t h e p r o c e s s ing me t h o d of d e p r e s s io ns in DEM I n o r de r t o s t u dy t h e e f f e c t o f d if f e r e n t DEM pr o c e s s ing me t h o ds on t he a c c ur a c y o f e xt r a c t e d wa t e r s ys t e m ，we c o mpa r e d wat e r s ys t e m s e x t r a c t e d f r o m DEM wit h t wo p r o c e s s