遥感技术在流域提取中的应用研究
【摘 要】本文简单介绍了在干旱-半干旱地区的山区流域以遥感技术进行河流流域自动提取的方法，并以中国最西部的木吒尔特河为例，在ArcGIS软件中实现该方法，并对该方法在西北部山地的适应性与可用性进行评价。
【关键词】遥感；流域提取；ArcGIS
一、概述
地形是流域最基本的自然要素，随着计算机科学和地理信息系统学科的发展，数字高程模型（DEM）作为地形地貌的数字化表达和显示方式，成为现在空间地理信息研究的重要基础数据，广泛应用于水文模型分析、区域地形地貌特征、区域数字地形分析、景观设计等领域[1]。
中国的地形地貌多种多样，在华东地区以平原丘陵为主，而西北部地区以高原和山地为主。流域提取技术在高差相对较大的地方可以起到较好作用，所以本文选取中国西北部地区的木扎尔特河作为研究区，应用ArcGIS软件与中等分辨率DEM数据进行数字流域自动提取，并对自动提取的结果进行探讨分析。
二、数据准备
2.1 数据简介
数字高程模型是数字流域地形地貌特征呈现的常用表达形式，描述了研究区地而高程的分布情况，包含了丰富的水文、地形、地貌信息[2-5]。DEM通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTM）的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生[6]。
2.2 数据下载
首先在Google Earth等遥感图像视图软件上大体确定研究区域的范围，然后搜索相关DEM下载网址（如地理空间数据云）下载研究区DEM数据。为了保证研究区水系提取范围正确，应该确保DEM数据下载范围比研究区范围稍大一些。DEM数据的分辨有多种，本文所采用的是中级分辨率30米，属于中等分辨率数据，原始数据覆盖面积为10330.4平方公里。
三、数据处理与结果分析
3.1 图像预处理
在ArcGIS里打开原始DEM影像，并对多幅影像进行镶嵌处理使其成为单一影像。
3.2 填洼与削峰
在原始DEM数据中，通常都有洼地和尖峰，对此有两种基本的解释：一种是认为洼地和尖峰是真实的地表形态（如喀斯特地形等），在分析过程中应以有水文意义的方法加以处理[7]。在DEM数据中如果存在洼地，会使水流方向的判定出现紊乱，导致最终提取的结果产生较大误差，所以需要用到填洼处理。填洼一般使用的方法是Jenson和Dominguez提出的八流向填洼方法[8]，该方法原理是若单一像元的周围高程都大于该单像元，则认为该像元为洼地，此时将周围像元的最低值赋给该像元，使其平坦；同理，若一个像元高程均高于其周围点，则将周围点中最高的值赋给该像元，使其达到削峰的目的。
3.3 流向计算
原始DEM在经过填洼计算之后，可以直接用来计算流向数据。流向计算一般使用D8算法，D8算法的原理是基于水永远是向地势低的地方下流，所以在DEM数据上任一像元周围可建立8个点，该像元的水永远流向8个点中高程最低者。
3.4 流量计算
在确定流向之后，需要对每个像元点做汇流量的计算。汇流的意义在于确定每个点上游的区域内所有汇入该像元的总量，这是一个不断累积的过程。只有在连续不间断的像元中累积足够量的水，才会形成地表径流，成为一个可以流动的河流模型。
3.5 河网提取及盆域分析
经过流量计算之后，会在DEM数据上形成栅格河流，此时可以设置阈值对河网的精细程度形成控制。阈值越大，河网越稀疏，只保留径流量大的河道；阈值越小，河网越密集，会保留小径流量的河道。在确定阈值之后，对栅格河网进行矢量化即得到需要的河网水系。ArcGIS软件通过识别盆地间的山脊线，在分析窗口中描绘流域盆地。通过分析输入流向栅格数据找出属于同一流域盆地的所有已连接像元组。通过定位窗口边缘的倾泻点（水将从栅格倾泻出的地方）及凹陷点，然后再识别每个倾泻点上的汇流区域，来创建流域盆地。这样就得到流域盆地的栅格。
四、结果与分析
经过上述计算之后，得到木扎尔特河流域。
4.1 流域高程
经裁剪后，得到木扎尔特河单独的流域DEM遥感示意图。可以看出木扎尔特河流域北方外围边界高程较高，南方高程较低，整体地势呈现出西北往东南逐渐降低。木扎尔特河流域的高程最大值是6843米，高程最小值是1397米，平均高程3713.88米，流域面积达到3219.97平方千米。
4.2 流域坡度
经过坡度计算之后，得到木吒尔特河流域坡度示意图。在坡度分布图上可以看出在河道周边的坡度值相对较高，而河道里面的坡度值相对最小。其原因是河道底部相对平坦，而河谷周边由于河水下蚀而导致的高低落差大，形成坡度值高点集中在河谷周边的现象。木扎尔特河的最大坡度值为88.66度，最小值为0，平均值为28.62度，标准差为18，表明了流域内的坡度差异很大，反映了地形高低起伏陡峭不平，符合山地特征。
4.3 流域河网
对栅格河网矢量化后得到的木扎尔特河流域水系分布图。木扎尔特河主干河流1条，大型支流5条，主河道全长139.6千米，整体上宽下窄叶脉状分布，上游2条大型支流，中游右侧2条条大型支流，下游有另一条支流汇入，最长支流长达38千米。
4.4 河网分级
对于河流汇水累积量的不同，还可以对河道进行分级管理。设定不同的阈值可以获得想要的分级程度。下图对木扎尔特河进行1到4級的分级。4级代表汇水量高，对应河流的下游，1级代表汇水量低，对应河流上游。
五、结论
基于DEM数字高程模型的研究已经非常深入了，特别是对于地形地貌的提取与识别技术已经广泛应用于地学领域，而流域提取技术仍然是现在和今后的研究热点。本文描述了流域提取技术在中国西北部地区的应用研究，是对流域提取技术适用于干旱-半干旱区域的一次简单尝试，结论发现流域提取技术在国内西北部应用具有良好的适用性，成功提取了木扎尔特河流域面积，河流长度及流域内的坡度分布参数，并对结果数据进行了图片可视化的处理，提高了数据的可阅读性，同时对今后在中国西北部地区的山区河流提取提供了一次成功的参考经验。
【参考文献】
[1]王峥，张亚梅，谭春阳.基于DEM的庙台沟流域数字地形提取与分析[J].水利科技与经济，2018，24（10）：76-80.
[2]徐新良，庄大力，贾绍风，等. GIS环境下基于DEM的中国流域自动提取力法[J].长江流域资源与环境，2004，13 （04） 343-348.
[3]黄娜娜，宁芋.基于DEM的数字河网提取力法及应用研究[J].人民长江，2011，42 （24）：50-53.
[4]沈中原，李占斌，李鹏，等.基于DEM的流域数字河网提取算法研究[J].水资源与水工程学报，2009，20 （1）：20-24.
[5]熊立华，郭生练.基于DEM的数字河网生成方法的探讨[J]长江科学院院报，2003，20 （4）：14-17.
[6]陈敬周. 数字高程模型的生成与应用[D].太原理工大学，2007.
[7]赵博华.基于DEM的流域特征提取方法研究进展[J].人民珠江，2016，37（02）：43-47.
[8]，Jenson S K， Dominguez ，J O Extraction Topographic structure from digital elevation data for geographic informationsystem analysis[J] Photogrammetric engineering and remote sensing， 1988， 54（11）：1593-1600.