1、第13頁 (共13頁)基于srtm-dem水系提取及驗(yàn)證方法研究以漢江為例引言以往的水文水資源的研究和實(shí)踐工作中，人們通常從地形圖或其它圖中手動獲取所需水系的分布，工作量巨大，耗時費(fèi)力，加上人為的水系分級或者忽略低級水系使水系提取標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，提取的水系網(wǎng)又很難做進(jìn)一步利用。隨著GIS在當(dāng)前各方面的應(yīng)用越來越廣，高精度的DEM獲取渠道逐步拓寬，從DEM中提取的水系滿足了人們某些領(lǐng)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網(wǎng)能自動生成，并且生成的水系趨近真實(shí)的水系網(wǎng)。水系提取精度在水系提取中是必須考慮的因素，科學(xué)合理的驗(yàn)證方法可以促進(jìn)提取方法的成熟。過

2、去的驗(yàn)證方法中很少使用遙感影像來驗(yàn)證水系提取的質(zhì)量，本研究嘗試使用從Landsat TM 影像中提取的水系情況作為驗(yàn)證資料，這種驗(yàn)證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從數(shù)字高程模型（DEM）中提取地表水文要素特征信息,進(jìn)行地表水文的空間分析，并將分析結(jié)果可視化顯示，能基于一定分辨率DEM分析顯示出地形的局部特征，按某種算法可以自動的將一定地理空間范圍內(nèi)的自然水系提取出來。在使用DEM數(shù)據(jù)提取水系以來，學(xué)者們對提取方法的研究層出不窮，其中一種是OCallaghan和Mark提出的坡面流模擬方法，通過模擬地表徑流在地表的流動來產(chǎn)生水系3。該算法依據(jù)水總是沿斜坡最陡

3、方向流動的原理，確定DEM中每一個柵格單元的水流方向；然后根據(jù)柵格單元的水流方向計(jì)算每一個柵格單元的上游匯流量，再選擇合適匯流量閾值來確定河網(wǎng)，這種方法可直接生成相互連接的河網(wǎng)，操作簡單，過程明確，結(jié)果能較好的反映真實(shí)水文要素，常常作為DEM水系提取時最好的方法。近幾年里很多學(xué)者實(shí)踐了這種方法，不僅提取出研究區(qū)水系網(wǎng)，而且在影響提取的水系網(wǎng)的多個因素和應(yīng)用提取的水系網(wǎng)求得其他水文特征方面也做出詳細(xì)的論述,他們驗(yàn)證出這種方法雖然仍存在一些缺陷，但能取得其它方法無法比擬的效果15。1 研究區(qū)概況研究區(qū)漢江又稱漢水，古時曾叫沔水，與長江、黃河、淮河并稱“江河淮漢”。漢江就長度而言為長江第一大支流，它

4、發(fā)源于陜西省西南部秦嶺與米倉山之間的寧強(qiáng)縣（隸屬陜西省漢中市，舊稱寧羌）冢山，而后向東南穿越秦巴山地的陜南漢中、安康等市，進(jìn)入鄂西后北過十堰流入丹江水庫，出水庫后繼續(xù)向東南流，過襄陽、荊門等市，在武漢市匯入長江。漢江流域涉及鄂、陜、豫、川、渝、甘6省市的多個地區(qū)。流域地勢西北高，東南低，西為褶皺隆起中低山區(qū)，東以平原丘陵為主。漢江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤，降水量較豐沛；但年內(nèi)分配不均，510月徑流量占全年75%左右，年際變化較大，是長江各大支流中變化最大的河流。漢江干流中下游區(qū)，是長江中游重點(diǎn)保護(hù)區(qū)之一。由于河槽泄洪能力與洪水來量嚴(yán)重不平衡，歷史上洪水災(zāi)害嚴(yán)重，也是長江支流中洪水災(zāi)害最

5、嚴(yán)重的一條。2 研究方法2.1 從DEM數(shù)據(jù)中提取水系2.1.1 DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理SRTM（Shuttle Radar Topography Mission，即航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命）數(shù)據(jù)是美國太空總署（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)測，由2000年2月11日美國發(fā)射的“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)上搭載的SRTM系統(tǒng)，花費(fèi)222小時23分鐘，采集到北緯60度至南緯56度之間的地表面數(shù)據(jù)。雷達(dá)影像數(shù)據(jù)總面積超過1.19億平方公里，采集到全球超過4/5的陸地表面數(shù)據(jù)。SRTM數(shù)據(jù)每個文件里包含一個經(jīng)緯方格，精度1 arc-second和3 arc-seconds，稱作SRTM1和SRTM3，或

6、者稱作30M和90M數(shù)據(jù)，SRTM1文件里包含3601*3601個采樣點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，SRTM3文件里包含1201*1201個采樣點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)。由于受下載限制權(quán)限的影響，高分辨率的數(shù)據(jù)較少用于普通科研項(xiàng)目中。目前中國境內(nèi)可免費(fèi)下載的是90m分辨率高程數(shù)據(jù)，30m數(shù)據(jù)點(diǎn)算術(shù)平均得來的。采集數(shù)據(jù)經(jīng)過兩年多時間進(jìn)行了處理，生成我們現(xiàn)在可用的SRTM地形產(chǎn)品數(shù)據(jù)數(shù)字地形高程模型。原始DEM數(shù)據(jù)在存在洼地、坐標(biāo)系等方面存在問題，為使數(shù)據(jù)正確使用，提高計(jì)算速度等目的，本研究中對原數(shù)據(jù)進(jìn)行了下面一系列的處理。1.從STRM Data Search下載網(wǎng)頁中下載分辨率為90m的STRM DEM數(shù)據(jù)，漢江流域一共

7、占四個分區(qū)，為了得到完整的水系網(wǎng)，需將分隔開的四個區(qū)域拼接在一起。將下載數(shù)據(jù)添加到ArcMap中，點(diǎn)開工具箱里Data Management Tools-Raster-Raster Dataset-Mosaic To New Raster，將四幅DEM作為輸入，設(shè)置拼接后的文件名及存儲位置，其他參數(shù)均為默認(rèn)，將四幅數(shù)據(jù)合成一幅DEM。2.由于下載數(shù)據(jù)只有地理坐標(biāo)系GCS_WGS_1984，要想與TM數(shù)據(jù)提取水系進(jìn)行比較就必須在同一坐標(biāo)系中即WGS_1984_UTM_Zone_49N，所以要將下載數(shù)據(jù)進(jìn)行投影變換。點(diǎn)開工具箱里Data Management Tools-Projections a

8、nd Transformation-Raster-Project Raster，以合成DEM為輸入數(shù)據(jù)，設(shè)置輸出文件名，輸出坐標(biāo)系選中Import輸入跟原TM數(shù)據(jù)一樣的投影坐標(biāo)系，坐標(biāo)系參數(shù)參見表1。表1 投影坐標(biāo)系參數(shù)投影坐標(biāo)參數(shù)名稱參數(shù)取值ProjectionTransverse MercatorFalse Easting500000.000000False Northing0.000000Central Meridian111.000000Scale Factor0.999600Latitude Of Origin0.000000Linear UnitMeter (1.000000)Ge

9、ographic Coordinate SystemGCS_WGS_1984Angular UnitDegree (0.017453292519943299)Prime MeridianGreenwich(0.000000000000000000)續(xù)表投影坐標(biāo)參數(shù)名稱參數(shù)取值DatumD_WGS_1984SpheroidWGS_1984Semimajor Axis6378137.000000000000000000Semiminor Axis6356752.314245179300000000Inverse Flattening298.2572235630000300003.為降低數(shù)據(jù)計(jì)算量,

10、將上述DEM重采樣，降低柵格數(shù)據(jù)的數(shù)量。點(diǎn)開Data Management Tools-Raster-Raster Processing-Resample，以上述投影變換后的合成DEM為輸入，設(shè)置輸出名，輸出柵格單元大小設(shè)為500m，以默認(rèn)重采樣方式進(jìn)行重采樣。4.為進(jìn)一步降低計(jì)算量，縮短計(jì)算時間，根據(jù)所了解的漢江流域的大致范圍，可將計(jì)算范圍縮小，以達(dá)到提高計(jì)算效率的目的。在ArcCatalog里建立一Shapefile文件，文件名設(shè)為掩膜，要素類型為面Polygon。單擊Edit在坐標(biāo)系選項(xiàng)卡里選中Import輸入跟投影變換后的合成DEM數(shù)據(jù)一樣的投影坐標(biāo)系，坐標(biāo)系參數(shù)參見（表1）。將掩膜文

11、件，投影變換后的合成DEM添加到ArcMap中，單擊Editor工具條，在其下拉菜單中點(diǎn)擊Start Editing開始編輯該面文件，根據(jù)以往所學(xué)知識在投影變換后的合成DEM數(shù)據(jù)上畫出漢江流域的范圍，以減少計(jì)算量，畫出的結(jié)果用Save Edits保存編輯，點(diǎn)Stop Editing停止編輯。點(diǎn)開工具箱里空間分析中Extraction-Extract by Mask，以投影變換后的合成DEM數(shù)據(jù)作為輸入，掩膜文件為掩膜數(shù)據(jù)，設(shè)置輸出結(jié)果名，提取出漢江流域范圍內(nèi)的DEM。如圖1所示。圖1 漢江流域大致范圍的DEM5由于存在“數(shù)據(jù)洼地”（即數(shù)據(jù)誤差造成的假洼地），水流方向計(jì)算時會出現(xiàn)逆流現(xiàn)象，水系生

12、成時出現(xiàn)水流斷流，使水系網(wǎng)不連續(xù)。水系提取時，首先要對原始DEM進(jìn)行獲取和填充，修正DEM數(shù)據(jù)。原理是搜索DEM中的每一個柵格點(diǎn)，找出比其周圍點(diǎn)的值都小的柵格點(diǎn)，將其標(biāo)為洼地，然后將其高程值抬升至周圍點(diǎn)的最低值將洼地填充。很多研究者認(rèn)為DEM數(shù)據(jù)的洼地填充與否，填充方法的優(yōu)劣對水系提取結(jié)果有著莫大的影響，為此提出了各種洼地獲取與填充的方法，對洼地進(jìn)行了正確而合理的填充610。在對漢江的研究中，應(yīng)用水文分析模塊中Fill工具，以原始漢江DEM數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行洼地填充，其中，洼地填充閥值設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)即將所有洼地進(jìn)行填充，并進(jìn)行兩次洼地填充，得到漢江無洼地DEM。用Spatial Analyst-

13、Raster Calculator工具，求出原DEM與第一次洼地填充的差值，可以得到原DEM數(shù)據(jù)中洼地的分布如圖2所示，第二次填洼后，求得第一次填洼與第二次填洼的差值為0，表示研究區(qū)洼地已全部被填充，生成無洼地DEM。圖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為四步：首先確定漢江水流流向，柵格單元的水流方向是指水流流出該單元格的方向。水流方向的確定采用D8 算法，計(jì)算出每一中心柵格與其周圍柵格的坡度，找出坡度最大的那個柵格，該柵格就是水流方向。兩個相鄰單元格i 和j 之間的坡度計(jì)算公式為：j = arctghi hj D （式1） 式中，hi和hj為兩個單元格的高程值，D為兩

14、單元格中心之間的距離6。再計(jì)算匯流量，上游匯流量指所有到達(dá)某一柵格的水流面積。原理是假想在流域內(nèi)的每一網(wǎng)格上降下一單位的水量，按水流方向每移動一個柵格，匯流量將增加一個單位，因此可以計(jì)算出每一柵格的上游累計(jì)匯流量，因?yàn)榈贸鼋Y(jié)果為累計(jì)流經(jīng)的柵格單元數(shù)量，需將其乘以柵格單元面積才是最后所求匯流量6。再設(shè)置匯流量閥值獲取水系柵格網(wǎng)絡(luò)，閥值設(shè)置應(yīng)以當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況為基礎(chǔ)，綜合各方面影響因素，多次嘗試設(shè)置合適的匯流量值。 最后轉(zhuǎn)換為矢量水系網(wǎng)。利用空間分析工具中水文分析模塊的Stream to Feature工具可將水系矢量化。在研究區(qū)漢江的應(yīng)用中過程：應(yīng)用水文分析模塊中的水流方向工具Flow Direc

15、tion，以無洼地DEM為輸入得修正后的水流方向，然后應(yīng)用水文分析模塊中的流向累積量Flow Accumulation工具，以水流方向和無洼地DEM作為輸入計(jì)算出匯流累積量，其他參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值即可。結(jié)果如圖3所示：圖3 匯流累積量以國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的各級水系為參照，分別將匯流量閥值設(shè)置為1000、800、500、400、550提取水系網(wǎng)，其中閥值為550時，提取的水系網(wǎng)與參照水系網(wǎng)最相近，所以設(shè)定匯流量的閥值為550，在Spatial Analyst下拉菜單中選擇Raster Calculator，在對話框內(nèi)輸入Flow Acc Flow550，得出匯流量值大于該閥值的柵格水系網(wǎng)，

16、打開空間分析工具中水文分析模塊的Stream to Feature工具，以柵格水系網(wǎng)、水流方向?yàn)檩斎?，設(shè)置文件名，得到提取的矢量水系網(wǎng)，其中漢江流域水系網(wǎng)結(jié)果如圖4所示：圖4 漢江流域水系網(wǎng)22 從TM數(shù)據(jù)水系的提取LANDSAT是美國陸地探測衛(wèi)星系統(tǒng)，從1972年開始發(fā)射第一顆衛(wèi)星LANDSAT 1，到目前為止已經(jīng)發(fā)射的LANDSAT 7的7顆衛(wèi)星中，只有LANDSAT 5從1984年3月1日發(fā)射至今仍在超期運(yùn)行。LANDSAT 5衛(wèi)星主要軌道參數(shù)：近極近環(huán)形太陽同步軌道軌道高度為705km，傾角為98.2，24小時繞地球15圈，輻射寬帶為185km，重訪周期為16天。研究中用于驗(yàn)證的TM數(shù)

17、據(jù)正是LANDSAT 5遙感數(shù)據(jù)生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)信息參見（表2），TM數(shù)據(jù)空間參考參數(shù)參見（表1）。經(jīng)過校正過的TM數(shù)據(jù)可以真實(shí)的反應(yīng)地表真實(shí)水系網(wǎng)，由于目前還從TM中直接提取水系的方法還不成熟，所以研究中人工手動矢量化影像來提取其水系網(wǎng)。表2 TM數(shù)據(jù)相關(guān)的信息信息名稱信息取值A(chǔ)cquisition Date2007-9-15WOIDL1200911續(xù)表信息名稱信息取值Path/Row125 / 037Lor Reference ImageL51IKR1007258020100_HDF.102331334OriginImage courtesy of the U.S. Geologic

18、al SurveyProduct Creation Time2010-08-21T13:53:58ZRaster InformationColumns and Rows8241,7101Cell size(X,Y)30, 30FormatTIFFPixel Typeunsigned integerExtentTop3776715Left428385Right675615Bottom3563685StatisticsBuild Parametersskipped columns:1, rows:1, ignored value:MinMax0255Mean48.70397175183501Std

19、 dev37.13696697000832Classes02.2.1創(chuàng)建線文件在ArcCatalog里建立一Shapefile文件，設(shè)置文件名，要素類型為線Polyline。單擊Edit在坐標(biāo)系選項(xiàng)卡里選中Import輸入與無洼地DEM數(shù)據(jù)一樣的投影坐標(biāo)系（參見表1）。2.2.2提取水系將創(chuàng)建的線文件，TM數(shù)據(jù)添加到ArcMap中，單擊Editor工具條，在其下拉菜單中點(diǎn)擊Start Editing開始編輯該線文件，對影像進(jìn)行手動畫出水系網(wǎng)，矢量結(jié)果用Save Edits保存編輯，點(diǎn)擊Stop Editing停止編輯，得出結(jié)果即為驗(yàn)證依據(jù)。如圖5所示：圖5 從TM中提取水系網(wǎng)3研究結(jié)果的驗(yàn)證及

20、分析3.1用TM提取的水系驗(yàn)證將從DEM提取的漢江矢量化水系網(wǎng)，從TM矢量中提取水系網(wǎng)加載到ArcMap中，比較兩矢量化水系可以看出水系網(wǎng)的基本輪廓大致相同，但在有些部分重合度較好，有些部分卻有很大差別。當(dāng)水系網(wǎng)曲折度較小或水系級別較高時重合的較好，反映了當(dāng)?shù)卣鎸?shí)水系網(wǎng)；在一些拐彎較多的地方DEM矢量化水系網(wǎng)較平直，就很難反應(yīng)真實(shí)水系，提取結(jié)果的精度也降低，驗(yàn)證結(jié)果為圖6所示。3.2 用TM影像驗(yàn)證將從DEM提取的矢量水系網(wǎng)，TM影像加載到ArcMap中，可以觀察到DEM提取的水系網(wǎng)作為理論化提取，提取結(jié)果會出現(xiàn)很多因地形，應(yīng)用模擬地表徑流在地表的流動來產(chǎn)生水系的坡面流模擬方法等原因?qū)е碌姆钦?/p>

21、實(shí)水系，空間位置大致與影像相吻合，但也有些支流偏離了真實(shí)水系位置。通過實(shí)驗(yàn)，DEM數(shù)據(jù)的水系提取方法受提取方法參數(shù)的影響，尤其是DEM數(shù)據(jù)填充和匯流量閥值的人為設(shè)定，原數(shù)據(jù)的預(yù)處理尤為重要，因此應(yīng)用該方法對DEM數(shù)據(jù)提取的完善要這些參數(shù)的設(shè)定更加科學(xué)，這就需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)區(qū)域的具體情況和以往的經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果為圖7所示。圖6 矢量水系網(wǎng)與從TM中提取水系網(wǎng)同時顯示圖7 漢江流域水系網(wǎng)與TM影像同時顯示4討論經(jīng)本次研究，研究區(qū)漢江流域的水系網(wǎng)被成功提出，科學(xué)的坡面流模擬方法，易操作的實(shí)驗(yàn)流程，完備的水文分析模塊都是實(shí)驗(yàn)成功的重要因素。研究中，對原DEM數(shù)據(jù)的投影變換、重采樣、洼地填充，匯流量的閥值的合

22、理設(shè)置使計(jì)算速度提高和水系提取精度提高。但通過驗(yàn)證也可以看出提取的水系仍與真實(shí)水系網(wǎng)有一定的差異，主要是因?yàn)橹夭蓸拥南袼卦O(shè)置稍大使真實(shí)水系網(wǎng)中的較小水文特征被消除；研究中提取的水系網(wǎng)為理論水系網(wǎng)，在一些受地形影響的地方產(chǎn)生理論水流，使提取結(jié)果與真實(shí)水系網(wǎng)間存在偏差，所以要想提高水系網(wǎng)提取的精度應(yīng)設(shè)置合適的重采樣像素值，應(yīng)用某種方法去除理論水流等。在本研究中用從TM影像提取的水系網(wǎng)作為驗(yàn)證依據(jù)，粗略地判斷了從DEM數(shù)據(jù)中提取的水系網(wǎng)的精度。由于沒有深入研究水系網(wǎng)的精度值的定量表達(dá)，所以只能通過目視判斷。雖然無法得出量化的精度值，但是在研究中還是可以看出DEM數(shù)據(jù)的水系與真實(shí)水系網(wǎng)的不同，因此，從

23、TM影像提取的水系網(wǎng)和TM影像可以作為驗(yàn)證依據(jù)來驗(yàn)證從DEM提取的水系網(wǎng)的精度，而求得量化的精度值將成為今后我們用TM影像驗(yàn)證水系提取的精度的努力方向。5結(jié)論在本次研究中，應(yīng)用水文分析模型從DEM數(shù)據(jù)中提取的水系網(wǎng)與真實(shí)水系大略吻合，但也有一定的差異，主要原因是DEM獲取和處理時存在誤差，也受數(shù)據(jù)DEM數(shù)據(jù)預(yù)處理、參數(shù)設(shè)置、理論提取等因素的影響，為此，提高DEM提取水系網(wǎng)的精度需克服上述影響因素，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，采用科學(xué)獲取的數(shù)據(jù)源，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)處理數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)。從驗(yàn)證結(jié)果看，從TM影像提取的水系作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)來驗(yàn)證從DEM數(shù)據(jù)提取的水系精度是一個很成功的驗(yàn)證方法，必會隨著TM影像處理技術(shù)的

24、改進(jìn)而應(yīng)用到更多的領(lǐng)域中。參 考 文 獻(xiàn)1 趙健，賈忠華，羅紈. ARCGIS環(huán)境下基于DEM的流域特征提取J. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，2006，17（1）.2 陳永良，劉大有，虞強(qiáng)源. 從DEM 中自動提取自然水系J. 中國圖象圖形學(xué)報(bào)， 2002，7（1）.3 孫艷玲，劉洪斌，謝德體等. 基于DEM流域河網(wǎng)水系的提取研究J. 資源調(diào)查與環(huán)境，2004,25（1）4 周貴云，劉瑜，鄔倫. 基于數(shù)字高程模型的水系提取算法J. 地理學(xué)與國土研究， 2000，16（4）.5 湯國安，楊昕. ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程M. 北京：科學(xué)出版社，2006.6 俞雷，劉洪斌，武偉. 基于DEM

25、的重慶三峽庫區(qū)水系提取試驗(yàn)研究J. 地理科學(xué)，2006，26（5）.7 李勤超，李宏偉，孟嬋媛. 基于DEM提取水域特征的一種算法實(shí)現(xiàn)J. 測繪科學(xué)， 2007，32（1）.8 徐濤，胡光道. 基于數(shù)字高程模型自動提取水系的若干問題J. 地理與地理信息科學(xué)，2004，20（5）.9 謝順平，都金康，王臘春. 利用DEM 提取流域水系時洼地與平地的處理方法J. 水科學(xué)進(jìn)展，2005，16（4）.10 李昌峰，馮學(xué)智，趙銳. 流域水系自動提取的方法和應(yīng)用J. 湖泊科學(xué)，2003，15（3）.The Research of Extraction and Verification of Water System Based on SRTM-DEMin