第２９卷第４期 吉林地质 Ｖ０１．２９ Ｎｏ．４ ２０１０年１２月 ＪＩＬＩＮ ＧＥｏＬ０ＧＹ Ｄｅｃ．２０ｌ０ 文章编号：１００１￣２４２７（２０１０）０４—１６３—５ ＡｒｃＧＩＳ环境下基于ＤＥＭ的信息提取及应用 李 刚 ，鄂文峰 ，张红红 ，谭琳。 １．吉林省水文水资源局，吉林长春１３００２２；２．吉林省地质调查院，吉林长春１３００６１；３．吉林省地质工程勘察院．吉林长春 １３ｏ０２ｌ 摘要：数字高程模型（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 和水文特征。本文以青海雁石坪地区ＤＥＭ数据为例，详细介绍了在ＡｒｃＧＩＳ软件中提取地形信息和水文信息的方 法、步骤以及提取时应注意的问题。 关键词：ＡｒｃＧＩＳ；数字高程模型；地形信息；水文信息；提取 中图分类号：ＴＰ３ｌ９文献标识码：Ｂ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＥＭ ｉｎ ＡｒｃＧＩＳ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ＬＩ Ｇａｎｇ ，Ｅ Ｗｅｎ ｆｅｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ．ｈｏｎｇ２，ＴＡＮ Ｌｉｎ １．Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｂｕｒｅａｕ ｆｏＪｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ；Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏＧｅｏｌｏｇｉｃ Ｓｕｒｖｅｙ ｆｏ Ｊｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００６１．Ｊ｛ｌｉｎ．Ｃｈｉｎａ：３．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｆｏＪｉｌｉｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２１，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｐｌｅｎｔｙ ｏｆ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ（ＤＥＭ）ｄａｔａ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｆｌｅｃｔ ｔｈｅ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｉｎ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ＡｒｃＧＩＳ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＥＭ ｄａｔａｓ ｏｆＹａｎｓｈｉｐｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＡｒｃＧＩＳ；Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ；ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ＡｒｃＧＩＳ是美国环境系统研究所ＥＳＲＩ 生成的荆江分洪区ＤＥＭ进行了坡度分析ｐ ；在提 （Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）开发的 取水文信息方面，唐从国等（２００６年）介绍了基 ＧＩＳ软件，是我国ＧＩＳ领域常用的商业软件之一。 于ＡｒｃＧＩＳ开发提取流域特征的工具Ｈｙｄｒｏ Ｔｏｏｌｓ， 数字高程模型（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ，ＤＥＭ）是 并以贵州省乌江流域为研究区进行实验 ；马振刚 由美国麻省理土学院的Ｍｉｌｌｅｒ教授针对高速公路的 等（２００８年）利用ＡｒｃＧＩＳ软件的Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ扩展 自动设计于１９５６年提出来的。它是用数字形式ｘ， 模块，以张家口洋河流域为例，探讨了数字高程 Ｙ，ｚ坐标来表达区域内地貌形态的，以微缩的形 模型（ＤＥＭ）的处理及其水文分析方法嘲；徐新 式再现了地表起伏变化特征，具有形象、直观、精 良等（２００４年）从ＤＥＭ特性出发，提出一种基于 确等特点。ＤＥＭ包含了丰富的地形、地貌、水文 ＤＥＭ自动提取全国流域的实用方法［６１；谢顺平等 信息，它能够反映各种分辨率的地形特征，通过 （２００６年）提出了面向分布式水文过程模拟和流 ＤＥＭ可以提取大量的地表形态信息…。 域特征提取的数字水系模型，一种基于ＤＥＭ的复 通过ＤＥＭ提取信息主要包括两部分：一是地 杂地形流域特征提取［７］。 形、地貌信息的提取；二是水文信息的提取。 不同学者对ＤＥＭ做过大量的研究，汤等（２００１ １ 地形信息提取 年）研究了基于ＤＥＭ尺度的概念与类型，ＤＥＭ 以ＤＥＭ为基础数据，利用ＡｒｃＧＩＳ可以提取 地形分析的尺度效应等问题［２１；王永信等（２００７ 多种地形因子，微观上包括坡度和坡向、坡面变率、 年）介绍了利用ＡｒｃＧＩＳ构建ＤＥＭ的方法，并对 坡向变率、平面曲率和剖面曲率；宏观上包括地表 收稿日期：２０１０－０３—２０：修订臼期：２０１０—０９—２２ 作者简介：李刚（１９７５一），男，吉林镇赉人，吉林省水文水资源局工程师 １６４ 吉林地质 第２９卷 粗糙度、地势起伏度、高程变异系数和地形切割深 其中ｈｅｉｇｈｔ代表高程值，ｓｌｏｐｅ代表坡度值。 度。 １．４沟壑密度 １．１坡度 沟壑密度也称为沟谷密度，是反映当地气候、 地质、地貌的一个基本指标，对于水土流失监测、 坡度是最重要的地形因子之一，是影响水土流 失强弱的关键。地表面任一点的坡度是指过该点 的切平面与水平地面的夹角。坡度表示了地表面在 水土保持有重要的意义。沟壑密度指单位面积内沟 壑的总长度，以ｋｍ／ｋｌｎ２为单位。数学表达式为： 该点的倾斜程度。ＡｒｃＧＩＳ中坡度包括两种表示方 法，一是坡度（Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｌｏｐｅ），二是坡度百分比 （Ｐｅｒｃｅｎｔ ｏｆ ｓｌｏｐｅ）。数学计算公式分别为： Ｄｅｇ 。ｅｏｆ§ 窟ｅ 键 竺×ｌ８０／蠢 Ｐ锨珊￡０ｆｓ蛔 里 ｉｏＤ％ ｑ 其中：ｍ是任一点的铅垂高度，ｎ是任一点坡面的 水平宽度，Ｐ为任一点的高程增量，ｇ为任一点的 水平增量。在实际运算过程一般采用拟合曲面法 （Ｂｕｒｒｏｕｇｈ ＰＡ １９８６年提出的窗口微分分析法）， 在３×３的ＤＥＭ栅格窗口进行，每个窗口中心为 一个高程点。要根据实际工作需求，选择合适的输 出单位（Ｏｕｔｐｕｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）。 １．２坡向 坡向是指地表面上一点的切平面的法线矢量 在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。对 于地面任何一点来说，坡向表征了该点高程值改 变量的最大变化方向。坡向值有如下规定：正北方 向为０度，按顺时针方向计算，取值范围为０。～ ３６０。。数学计算公式为： －－ａｒ￣蒡 其中： 是Ｘ方向高程变化率， 是Ｙ方向高 程变化率。 和 是在ＤＥＭ上用３×３移动窗口 进行计算的。 １．３坡长 坡长通常是指在地面上一点沿水流方向到其流 向起点间的最大地面距离在水平面上的投影长度。 在ＡｒｃＧＩＳ中，坡长是利用高程值和坡度值通过间 接计算得到的，首先利用Ｓｌｏｐｅ工具计算坡度值， 再用Ｒａｓｔｅｒ Ｃａｃｕｌａｔｉｏｎ工具计算坡长三ｓ，数学计算 公式： 厶：．鸳塑 ） 伪： － 式中：Ｄｓ为沟壑密度，∑ 为区域沟壑总长度， 为区域面积。 基于ＤＥＭ求算沟壑密度的关键在于确定研究 区域内的沟谷总长度，其技术路线如图（图１）所示。 以上操作是在ＡｒｃＧＩＳ中利用Ｓｐａｔｉａｌ Ａｎａｌｙｓｔ Ｔｏｏｌｓ和Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具集下进行的。提取沟壑密 度时要注意以下几点：①最短沟谷长度的取舍（视 工作尺度而定）；②汇流累计量阈值的设定，汇流 累计量初始阈值的大小将决定所提取河网的精细程 度，也就直接影响到所提取沟壑密度的大小，所以 要通过实验测定；③伪沟谷去除。 ２ 水文信息提取 ＡｒｃＧＩＳ中水文分析工具箱Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ能够方 便的提取大量的水文信息并加以直观显示。根据 ＤＥＭ提取河网、流域时要遵循一定的程序。 ２．１无洼地ＤＥＭ的提取 由于ＤＥＭ误差及真实地形的存在，使得 ＤＥＭ表面存在着一些凹陷或尖峰的情况。在进行 水流方向计算时，往往得到不合理的甚至错误的 水流方向，所以应先对原始数据进行洼地填充或 削峰。其操作步骤如下：①提取水流方向。由于 洼地是水流方向不合理的地方，通过水流方向来 判断哪些地方是洼地，并进行填充。主要是利用 Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具集中ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ工具提取水流方 向；②洼地计算。利用ｓｉｎｋ工具计算洼地；并非 所有洼地是由数据的误差造成的，很多洼地是地 表形态的真实反映，所以需要计算洼地深度，来 判别由数据的误差造成的洼地。利用ｗａｔｅｒｓｈｅｄ工 具计算洼地的贡献区域，然后利用Ｚｏｎａｌ工具集 中ｚｏｎａｌ ｓｔａｔｉｓｔｉｃ工具计算每个洼地所形成的贡献区 域的最低高程ｚｏｎａｌｍｉｎ，利用ｚｏｎａｌ ｉｆｌｌ工具计算 每个洼地贡献区域出口的最低高程即洼地出水口 高程ｚｏｎａｌｍａｘ；在Ｓｐａｔｉａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｔｏｏｌｓ工具箱中 ｒａｓｔｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ工具，洼地深度ｓｉｎｋｄｅｐ＝ｚｏｎａｌｍａｘ— 第４期 李刚等：ＡｒｅＧＩＳ环境下基于ＤＥＭ的信息提取及应用 ｌ ６ ５ 图１计算沟壑密度技术流程图 Ｆｉｇ．１ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｌｆｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｖｉｎｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｚｏｎａｌｍｉｎ；③洼地填充。利用Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具集中 ３ ＤＥＭ应用实例 ｆｉｌｌ工具进行填充，此处可以依据计算的洼地深度 本文利用从美国马里兰大学网站上下载的青海 设定阈值，深度大于阈值的地方不填充。当工作 雁石坪地区９０ ｍ×９０ ｍ的ＤＥＭ（图２）为主要数 的精度要求不高时，对洼地ｓｉｎｋ可直接进行填充 据源，提取该地区的地形信息和水文信息。 ｉｆｌｌ，即不考虑ＤＥＭ数据存在误差的情况下把所有 ３．１坡度和坡向信息提取 的洼地填平。 利用Ｓｐａｔｉａｌ Ａｎａｌｙｓｔ Ｔｏｏｌｓ工具箱中Ｓｕｒｆａｃｅ工 ２．２汇流累积量的计算 具集，点击Ｓｌｏｐｅ工具计算坡度。本次研究利用两 汇流累积量数值矩阵表示区域地形每一点的流 种输出单位分别提取坡度如、坡向如图３所示。 水累积量。汇流累积量计算的主要目的是确定河流 ３．２水系提取和流域划分 网络，进而在河流网络的基础上确定流域边界即分 先将ＤＥＭ数据进行洼地填充，生成新的“无洼 水线，一般用汇流累积量（或称为集水面积）作为 河道认定的门槛标准。 地”ＤＥＭ，然后计算其水流方向ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，由 于本研究区不是一个闭合的流域系统，所以将边缘 汇流累积量的计算包括以下两方面：①利用 栅格的水流方向全部向外流。利用Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具 Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具集的ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ工具计算无洼地 集中ｆｌｏｗ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ工具计算该区域的汇流累积 ＤＥＭ的水流方向，可以得到８方向的水流流向。 量。 ＡｒｃＧＩＳ中的流向分析是比较任一点与其周围８个 利用Ｓｐａｔｉａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ工具箱中ｒａｓｔｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ 点间的高程大小与落差，将高程下降最大的方向 定位该点的流向；②利用Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具集中ｆｌｏｗ 工具，提取汇流累积量大于某阈值的栅格河网，开 ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ工具，计算汇流累积量。 始进行分析时，可以选择从小到大的几个汇流累积 量阈值，观察最适合提取河网的阈值范围；其次利 ２．３河网的提取及流域的划分 用Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具集中ｓｔｒｅａｍ ｔｏ ｆｅａｔｕｒｅ工具矢量化 河网的提取是以提取的汇流累积量为标准的。 将各河道按有效的水流方向连接产生流域河网，划 栅格的河网；最后利用Ｅｄｉｔｏｒ工具，手动删除伪沟 分流域水系。流域又称集水区域，是指流经其中的 谷。这样就得到了由ＤＥＭ提取的流域自然水系。 通过实验选取ｆｌｏｗ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ １ ０００ ０００作为阈 水流和其它物质从一个公共的出水口排出从而形成 值提取水系，通过修改后得到该地区的水系分布图。 的一个集中的排水区域。其边界是依据ＤＥＭ的数 字地形分析来确定的，按照生成的起始河道和流域 流域划分是在无洼地ＤＥＭ提取水流方向ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ数据基础上，利用Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ工具集中 水系，从最低级河道到高一级河道直至全流域。 ｂａｓｉｎ工具计算得到的。通过分类确定区域，对小 １６６ 吉林地质 髓 倒 ：：： 图２原始ＤＥＭ数据 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ＤＥＭ ｄａｔａ △Ｎ △Ｎ ｍ３利用Ｄｅｇｒｅｅ和Ｐｅｒｃｅｎｔ提取的坡度图 Ｆｉｇ．３ Ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｓｌｏｐｅ ｍａｐ ｂｙ ｄｅｇｒｅｅ ａｎｄ ｐｅｒｃｅｎｔ 第２９卷 第４期 李刚等：ＡｒｃＧＩＳ环境下基于ＤＥＭ的信息提取及应用 １ ６７ 图 例 ＧＲＩ Ⅲ 疆疆１ 露 。 羹。 ４ 口６ 图４划分流域图 Ｆｉｇ．４ Ｐａｒｔｉｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ 区域进行合并或删除，利用ｃｏｎｖｅ￣ｉｏｎ工具，将生 度问题研究综述【Ｊ】．武汉大学学报信息科学版，２００６，成的栅格转换成矢量就能得到流域划分图（图４）△Ｎ 。 ３１（１ ２１：１ ０５９－１ ０６６． 【３１５Ｅ永信，张成才，刘丹丹，严高霞．基于ＡｒｃＧＩＳ９．０的ＤＥＭ的生 成及坡度分析［Ｊ１．气象与环境科学，２００７，３０（２）：４８—５ １． ４ 结语 ［４】唐从国，刘丛强．基于Ａｒｃ Ｈｙｄｒｏ Ｔｏｏｌｓ的流域特征自动提取 ＡｒｃＧＩＳ中Ｓｐａｔｉａｌ Ａｎａｌｙｓｔ Ｔｏｏｌｓ和Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ …以贵州省内乌江流域为例［Ｊ］．地球与环境，２００６，３４（３）： 工具集提供了强大的空间分析和水文信息提取功 ３０－３７． 能；本文以青海雁石坪地区的ＤＥＭ数据为例，进 ［５】马振刚，李黎黎基于ＧＩＳ和ＤＥＭ的洋河流域水文特征提取 行了坡度和坡向的提取、河网的生成以及流域的划 方法研究［Ｊ１＿河北北方学院学报（自然科学版）２００８，２４（１）：６９— 分。此次实践证明了ＡｒｃＧＩＳ技术在地形地貌以及 ７２． 水文分析中具有良好的适用性，提高了工作效率， 【６］徐新良，庄大方，贾绍风，胡云峰．ＧＪｓ环境下基ＴＤＥＭ的中国 又保证了数据提取的精度。这对数字流域、水资源 流域自动提取方法［Ｊ］．长江流域资源与环境，２００４，１ ３（４）： 勘查与评价等方面具有十分重要的意义。 ３４３－３４８． 参考文献： 【７１谢顺平，都金康，罗维佳，邓 敏．基于ＤＥＭ的复杂地形流域 特征提取ｆＪ］．地理研究，２００６，２５（１）：９６—１０． 【１】汤，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． 【２Ｊ汤，刘学军，房亮，罗明良．ＤＥＭ及数字地形分析中尺
