《基于四川地區(qū)DEM的河網(wǎng)水文分析及建?！讽?xiàng)目設(shè)計(jì)

1、 成都信息工程學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院gis原理項(xiàng)目設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱基于四川地區(qū)dem的河網(wǎng)水文分析班 級(jí)測(cè)繪工程111班組 長(zhǎng)成 員 基于四川地區(qū)dem的河網(wǎng)水文分析及建模項(xiàng)目設(shè)計(jì)一、研究目的與意義 1、 研究區(qū)概況四川省簡(jiǎn)稱“川”或“蜀”，省會(huì)成都，位于我國(guó)西南地區(qū)、長(zhǎng)江上游，在東經(jīng)972110831，北緯26033419之間。四川盆地底部地區(qū)海拔300700米；四川盆地邊緣地區(qū)本區(qū)地形為山地，以海拔15003000米的中低山地為主；川西南山地區(qū)海拔多在3000米左右，個(gè)別山峰超過(guò)了4000米；川西北高原地區(qū)海拔40004500米。四川盆地幅員遼闊，近年來(lái)平均降水量：東部盆地大部平均年降水量90012

2、00毫米。但在地域上，盆周多于盆底；盆西緣山地是全省降雨最多之地，平均年為13001800毫米；盆東北和東南緣山地，平均年為12001400毫米；盆中丘陵區(qū)降雨最少，平均年為8001000毫米。四川有河流1400多條，流域面積在500平方公里以上的有343條，蘊(yùn)藏了充足的水資源和巨大的水能資源。 四川屬于長(zhǎng)江水系。長(zhǎng)江橫貫全省，宜賓以上稱金沙江，宜賓至湖北宜昌河段又名川江或蜀江。川江河段長(zhǎng)1030公里，流域面積50萬(wàn)平方公里。川江北岸支流多而長(zhǎng)，著名的有岷江、沱江和嘉陵江。南岸河流少而短，較長(zhǎng)的是烏江、綦江和赤水河，呈極不對(duì)稱的向心狀水系。四川境內(nèi)平均徑流量2171億立方米。2、 目的研究與地

3、表水流有關(guān)的各種自然現(xiàn)象如洪水水位及泛濫情況，或者劃定受污染源影響的地區(qū)，以及預(yù)測(cè)當(dāng)某一地區(qū)的地貌改變時(shí)對(duì)整個(gè)地區(qū)將造成的額影響等，應(yīng)用在城市和區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)業(yè)及森林、交通道路等許多領(lǐng)域，對(duì)地球表面形狀的理解也具有十分重要的意義。這些領(lǐng)域需要知道水流怎樣流經(jīng)某一地區(qū)，以及這個(gè)地區(qū)地貌的改變會(huì)以什么樣的方式影響水流的流動(dòng)。利用水文分析工具提取地表水流徑流模型的水流模型的水流方向、匯流累積量、水流長(zhǎng)度、河流網(wǎng)絡(luò)（包括河流網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)等）以及對(duì)研究區(qū)的流域進(jìn)行分割等。3、 意義通過(guò)本學(xué)期對(duì)gis軟件的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，利用gis軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析工具，使用國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)內(nèi)1:50萬(wàn)的dem數(shù)據(jù)在課外

4、利用自主學(xué)習(xí)方式完成本項(xiàng)目。通過(guò)分析，初步了解四川地區(qū)河網(wǎng)分布規(guī)律和大體走勢(shì)以及在河網(wǎng)模擬、流域提取和子流域劃分，為對(duì)四川地區(qū)水利水文計(jì)算及分析和河流改道方面提供依據(jù)。對(duì)四川省水文特征分析，有利于掌握四川省水資源的現(xiàn)狀，對(duì)水資源合理利用、開(kāi)發(fā)和保護(hù)起指導(dǎo)作用。二、主要技術(shù)路線三、主要數(shù)據(jù)及來(lái)源主要數(shù)據(jù)：四川省dem數(shù)據(jù)來(lái)源：國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)四、實(shí)現(xiàn)過(guò)程 圖1 原圖1 無(wú)洼地 dem 生成 dem 是比較光滑的地形表面模型， 但由于 dem 誤差以及一些真實(shí)地形或特殊地形的影響，使得 dem 表面存在一些凹陷的區(qū)域。 在進(jìn)行水流方向計(jì)算時(shí)， 由于這些區(qū)域的存在， 往往得到不合理的甚至錯(cuò)誤的水

5、流方向。因此，在進(jìn)行水流方向的計(jì)算之前，應(yīng)該首先對(duì)原始 dem 數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無(wú)洼地的 dem。 洼地填充的基本過(guò)程是先利用水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算出 dem 數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域，并計(jì)算洼地深度，然后，依據(jù)這些洼地深度設(shè)定填充閾值進(jìn)行洼地填充。 1.1 水流方向提取 水流的流向是通過(guò)計(jì)算中心格網(wǎng)與鄰域格網(wǎng)的最大距離權(quán)落差來(lái)確定。對(duì)于每一格網(wǎng)。水流方向指水流離開(kāi)此網(wǎng)格的指向。在 arcgis 中，通過(guò)對(duì)中心柵格的 1、2、4、8、16、32、64、128 等 8 個(gè)鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可有其中的某一值來(lái)確定。例如，若中心柵格的水流流向左邊，則水流方向賦值 16。 啟動(dòng) arctool

6、box，應(yīng)用水文分析模塊(hydrology) 下的流向確定(flow direction ) 命令, 生成 8 方向水流流向圖： 圖2 原始圖像水流方向提取效果圖（整體）圖3 原始圖像水流方向提取效果圖（局部）1.2 洼地計(jì)算 洼地區(qū)域是水流方向不合理的地方， 可以通過(guò)水流方向來(lái)判斷哪些地方是洼地， 并進(jìn)行填充。但是，并非所有的洼地區(qū)域都是由于數(shù)據(jù)的誤差造成的，有很多洼地是地表形態(tài)的真實(shí)反映。因此在進(jìn)行洼地填充之前，必須計(jì)算洼地深度，判斷哪些地區(qū)是由于數(shù)據(jù)誤差造成的，而哪些地區(qū)又是真實(shí)的地表形態(tài)。然后，在洼地填充時(shí)，設(shè)置合理的填充閾值。 基本過(guò)程先分別雙擊 hydrology 工具集中的 s

7、ink、watershed 工具計(jì)算出洼地區(qū)域圖、洼地貢獻(xiàn)區(qū)域圖，打開(kāi) spatial analyst tools 工具箱中的 zonal 工具集，分別利用 zonal statistic、zonal fill 工具分別計(jì)算每個(gè)洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程，及計(jì)算每個(gè)洼地貢獻(xiàn)區(qū)域出口的最低高程，然后在 arcmap 中加載 spatial analyst 模塊，選擇 raster calculator 對(duì)話框，通過(guò)命令 sinkdep=（zonalmax-zonalmin）計(jì)算出洼地深度圖。 （1）洼地提取 圖4 洼地提取效果圖（2）洼地深度計(jì)算 a.計(jì)算洼地的貢獻(xiàn)區(qū)域 圖5 洼地的貢獻(xiàn)區(qū)域

8、b.計(jì)算每個(gè)洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程圖6 洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程c.計(jì)算每個(gè)洼地貢獻(xiàn)區(qū)域出水口的最低高程即洼地水口高程 圖7每個(gè)洼地貢獻(xiàn)區(qū)域出口的最低高程圖d.計(jì)算洼地深度 圖8 洼地深度圖1.3 洼地填充 經(jīng)過(guò)洼地提取后，可以確定原始 dem 上是否存在洼地，若有洼地，須進(jìn)行填充。而洼地深度的計(jì)算為填充閾值的設(shè)置提供了依據(jù)， 系統(tǒng)默認(rèn)條件下是不設(shè)閾值， 即所有的洼地區(qū)域都將被填平。參考洼地深度圖，結(jié)合小流域的實(shí)際地形，不斷調(diào)試將閾值設(shè)為 2500。 方法是雙擊 hydrology 工具集中的 fill 工具，選擇需要進(jìn)行洼地填充的原始 dem 數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)洼地填充生成的無(wú)洼地 d

9、em。 圖9 經(jīng)洼地填充生成的無(wú)洼地 dem2 匯流累積量計(jì)算 在地表徑流模擬過(guò)程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。首先基于無(wú)洼地 dem 生成水流方向圖，利用該數(shù)據(jù)，雙擊 hydrology 工具集中的 fill accumulation 工具計(jì)算出匯流累積量數(shù)據(jù)。 （1） 基于無(wú)洼地 dem 生成水流方向圖 圖10 無(wú)洼地 dem 水流方向圖（整體）圖11 無(wú)洼地 dem 水流方向圖（局部）3 水流長(zhǎng)度計(jì)算 水流長(zhǎng)度指地面上一點(diǎn)沿水流方向到流向起點(diǎn) （或終點(diǎn)） 間的最大地面距離在水平面上的投影長(zhǎng)度。它分為順流計(jì)算及溯流計(jì)算兩種，可通過(guò)雙擊 hydrology 工具集中的 flow

10、 length 工具實(shí)現(xiàn)，其中計(jì)算方向分別選擇順流計(jì)算 downstream 或溯流計(jì)算 upstream。水流長(zhǎng)度的提取和分析在水文學(xué)或水土保持工作中均具有很重要意義， 因?yàn)樗鏖L(zhǎng)度直接影響地面徑流的速度，進(jìn)而影響地面土壤的侵蝕力。 (1) 順流計(jì)算的水流長(zhǎng)度 (2) 溯流計(jì)算的水流長(zhǎng)度 圖12 溯流計(jì)算出的水流長(zhǎng)度圖4河網(wǎng)的提取與分級(jí) 河網(wǎng)分級(jí)是對(duì)一個(gè)線性的河流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分級(jí)別的數(shù)字標(biāo)識(shí)。在地貌學(xué)中，對(duì)河流的分級(jí)是根據(jù)河流的流量、形態(tài)等因素進(jìn)行河流的分級(jí)。而基于dem提取的河網(wǎng)的分支具有一定的水文意義。利用地表徑流模擬的思想，不同的級(jí)別的河網(wǎng)首先是它們所代表的匯流累積量也不同，級(jí)別越高的河網(wǎng)

11、，其匯流累積量也越大，那么在水文研究中，這些河網(wǎng)往往是主流，而那些級(jí)別較低的河網(wǎng)則是支流。河網(wǎng)的分級(jí)同樣可以研究水流的運(yùn)動(dòng)、匯流模式，對(duì)于水土保持等也具有重要的意義。圖13提取的柵格河網(wǎng)圖圖14河網(wǎng)的strahler分級(jí)結(jié)果圖15河網(wǎng)的shreve分級(jí)結(jié)果通過(guò)dem數(shù)據(jù)本文運(yùn)用arcgis軟件進(jìn)行了河網(wǎng)的提取，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與官方給出的四川主要河流進(jìn)行對(duì)比，提取的主要河流基本一致。可以說(shuō)明運(yùn)用此類方法可以更有效的分析研究區(qū)域的水文分布，并且對(duì)以后的有關(guān)研究提供了一定的基礎(chǔ)和驗(yàn)證。5流域分割圖13 流域分割6.以上是手動(dòng)提取水體，由于數(shù)據(jù)較大，處理步驟較多。所以本文進(jìn)行了簡(jiǎn)單的建立了利用dem數(shù)

12、據(jù)對(duì)水體提取的模型。其初始數(shù)據(jù)是無(wú)洼地dem，經(jīng)過(guò)以下步驟，可以初步提取研究區(qū)的水體信息，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程。模型建立如下：建立模型的意義：隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，地理信息技術(shù)也在不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)在地理信息中占據(jù)的地位更加重要。不同的研究建立模型也是必不可少的。所以建立模型對(duì)以后的研究會(huì)有很大的幫助。五、總結(jié)本項(xiàng)目通過(guò)國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)下載的四川省dem數(shù)據(jù)，在gis平臺(tái)支持下可以快速地獲取流域的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并可以根據(jù)匯流累積單元數(shù)的閾值來(lái)生成不同密度的河網(wǎng)。但dem的空間分辨率、dem資料生產(chǎn)方式，以及不同地形特色等因素對(duì)提取結(jié)果有一定影響，同時(shí)選取適當(dāng)閾值對(duì)急流面積的大小及提取空間正確性也需要進(jìn)一步的相關(guān)探討。就總體而言，現(xiàn)有的gis軟件所提供的水文模擬分析功能，為我們?cè)谒牡乩硇畔⑻崛『泳W(wǎng)模擬、流域提取和子流域