1、1基本原理DEM是數(shù)字高程模型的英文簡(jiǎn)稱(DigitalElevationMode),是流域地形、地物識(shí)別的重要原始資料。自20世紀(jì)60年代以來,在利用數(shù)字高程模型DEM提取流域水文特征,模擬地表水文過程方面,國(guó)內(nèi)外都開展了大量的研究。1.1基于DEM進(jìn)行流域分析的原理從DEM提取流域特征，一個(gè)良好的流域結(jié)構(gòu)模式是確定算法的前提和關(guān)鍵。1967年ShreveL描述的流域結(jié)構(gòu)模式一直被后來的水文學(xué)者所引用.并設(shè)計(jì)了一些成熟的算法。Shreve使用一個(gè)具有一個(gè)根的樹狀圖來描述流域結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，主要包括兩個(gè)部分，一部分是結(jié)點(diǎn)集，一部分是界線集。溝谷結(jié)合點(diǎn)和溝谷源點(diǎn)共同組成一個(gè)溝谷

2、結(jié)點(diǎn)集。所有的溝谷段組成溝谷段集，形成一個(gè)溝谷網(wǎng)絡(luò)；所有的分水線段組成分水線段集，形成一個(gè)分水線網(wǎng)絡(luò)；溝谷段集和分水線段集共同組成界線集。圖1流域結(jié)構(gòu)模式圖(已)溝谷結(jié)點(diǎn)(f)溝谷源點(diǎn)(g)分水線段(h)分水圾點(diǎn)溝谷網(wǎng)絡(luò)中的每一段溝谷都有一個(gè)匯流區(qū)域，這些區(qū)域由流域分水線集來控制。外部溝谷段有一個(gè)外部匯流區(qū)而內(nèi)部溝谷段有兩個(gè)內(nèi)部匯水區(qū)，分布在內(nèi)部溝谷段的兩側(cè)。整個(gè)流域被分割成一個(gè)個(gè)子流域每個(gè)子流域好象是樹狀圖上的一片“葉子”。Shreve的樹狀圖流域結(jié)構(gòu)模型是簡(jiǎn)單明確的.雖然溝谷網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)模型和線模型與在柵格DEM中用于表示溝谷結(jié)點(diǎn)和溝谷線的柵格點(diǎn)和柵格鏈之間存在著拓?fù)洳灰恢滦浴５o出了溝谷

3、網(wǎng)絡(luò)、分水線網(wǎng)絡(luò)和子匯流區(qū)的定義，明確表達(dá)了它們之間的相關(guān)關(guān)系，成為設(shè)計(jì)流域特征提取技術(shù)的基礎(chǔ)。1.2常用算法流向判定建立在3X3的DEM柵格網(wǎng)的基礎(chǔ)上，其方法有單流向法和多流向法之分，但單流向法因其確定簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便而應(yīng)用廣泛。1.2.1單流向法單流向法假定一個(gè)柵格中的水流只從一個(gè)方向流出柵格，然后根據(jù)柵格高程判斷水流方向。目前應(yīng)用的單流向法是D8法。此外，還有Rho8方法、DEMON法、Lea法和D法等。最常用的是D8法：假設(shè)單個(gè)柵格中的水流只能流入與之相鄰的8個(gè)柵格中。它用最陡坡度法來確定水流的方向，即在3X3的DEM柵格上，計(jì)算中心柵格與各相鄰柵格間的距離權(quán)落差（即柵格中心點(diǎn)落差除以柵

4、格中心點(diǎn)之間的距離），取距離權(quán)落差最大的柵格為中心柵格的流出柵格。所謂最陡坡度法的原理是假設(shè)地表不透水，降雨均勻那么流域單元上的水流總是流向最低的地方“窗口滑動(dòng)指以計(jì)算單元為中心，組合其相鄰的若干個(gè)單元形成一個(gè)窗口”，以“窗口”為計(jì)算基本元素，推及整個(gè)DEM，求取最終結(jié)果。目前應(yīng)用最廣泛的是基于流向分析和匯流分析的流域特征提取技術(shù)。JensonandDomingue（1988）設(shè)計(jì)了應(yīng)用該技術(shù)的典型算法，該算法包括3個(gè)過程：流向分析，匯流分析和流域特征提取。1）流向分析：以數(shù)值表示每個(gè)單元的流向。數(shù)字變化范圍是1255。其中1：東；2：東南；4南；8：西南；16：西；32：西北；64：北；12

5、8：東北。除上述數(shù)值之外的其它值代表流向不確定，這是由DEM中洼地”和“平地”現(xiàn)象所造成的。所謂“洼地”即某個(gè)單元的高程值小于任何其所有相鄰單元的高程。這種現(xiàn)象是由于當(dāng)河谷的寬度小于單元的寬度時(shí)，由于單元的高程值是其所覆蓋地區(qū)的平均高程，較低的河谷高度拉低了該單元的高程。這種現(xiàn)象往往出現(xiàn)在流域的上游。“平地指相鄰的8個(gè)單元具有相同的高程，與測(cè)量精度、DEM單元尺寸或該地區(qū)地形有關(guān)。這兩種現(xiàn)象在DEM中相當(dāng)普遍，JensonandDomingue在流向分析之前，將DEM進(jìn)行填充；將“洼地”變成“平地”，再通過一套復(fù)雜的迭代算法確定“平地”流向。流向分析過程如圖所示。5圖2流向分析示意圖78726

6、971584974675649465069534437384864585522312468614721161974533412111222224822248811248412812822482222481111542) 匯流分析：匯流分析的主要目的是確定流路。在流向柵格圖的基礎(chǔ)上生成匯流柵格圖匯流柵格上每個(gè)單元的值代表上游匯流區(qū)內(nèi)流入該單元的柵格點(diǎn)的總數(shù)，既匯入該單元的流入路徑數(shù)(NIP),NIP較大者，可視為河谷，N1P等于0則是較高的地方，可能為流域s的分水嶺。圖3匯流分析示意圖22224822248811248412812822482222481111540000000111200375

7、400002001000124002473523) 提取流域特征：有了流域匯流柵格圖就可以很方便地提取流域的各種特征參數(shù)。例如模擬流域水系，可以設(shè)置一個(gè)NIP閾值，大于該值的格點(diǎn)為溝谷線上的點(diǎn)，連接各個(gè)溝谷線上的點(diǎn)就形成了河網(wǎng)。在匯流矩陣(匯流柵格)上求子流域的方法如下：從河谷單元或孤立的洼單元開始，向上游搜索所有流向該單元的單元，這些單元構(gòu)成以開始單元為流域出口的子流域。模擬出水系及流域邊界后，利用GIS的相關(guān)函數(shù)，就可以很方便地得到流域的各項(xiàng)特征參數(shù)，如河流的長(zhǎng)度、坡癬、流域面積等。1.2.2多流向法多流向法的提出比較晚，由Quinn等1991年提出，但它的應(yīng)用比較少。這種方法所考慮的仍然

8、是中心柵格與其周圍的8個(gè)柵格之間的關(guān)系，其產(chǎn)流仍然是點(diǎn)源，水流路徑也是一維的線，由中心柵格中心點(diǎn)指向相鄰柵格中心點(diǎn)；惟一的不同就是將水流按坡度的比例分散地分配給高程較低的相鄰柵格。同時(shí)Freeman提出將水流按指數(shù)方法分配。2ArcGISHydrology介紹ArcGIS提供的水文分析模塊主要用來建立地表水的運(yùn)動(dòng)模型，輔助分析地表水流從哪里產(chǎn)生以及要流向何處，再現(xiàn)水流的流動(dòng)過程。同時(shí)，通過水文分析工具的應(yīng)用，也可以有助于了解排水系統(tǒng)和地表水流過程的一些基本的概念和關(guān)鍵的過程，以及怎樣通過ArcGIS水文分析工具從DEM數(shù)據(jù)上獲取更多的水文信息。1) FlowDirection：水流方向提取，A

9、rcGIS中采用D8單流向法來進(jìn)行水流方向分析。2) Sink:洼地計(jì)算。洼地區(qū)域是水流方向不合理的地方，可以通過水流方向來判斷那些地方是洼地，然后再對(duì)洼地進(jìn)行填充。有一點(diǎn)必須清楚的是，并不是所有的洼地區(qū)域都是由于數(shù)據(jù)的誤差造成的，有很多洼地區(qū)域也是地表形態(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)誤差造成的洼地而哪些地區(qū)又是真實(shí)的地表形態(tài)，然后在進(jìn)行洼地填充的過程中，設(shè)置合理的填充閾值。3) Fill：洼地填充。4) FlowAccumulation：匯流分析。在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算而來的。對(duì)每一個(gè)柵格來說，其匯流累積量的大

10、小代表著其上游有多少個(gè)柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過該柵格，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成地表徑流。5) FlowLength:水流長(zhǎng)度。水流長(zhǎng)度通常是指在地面上一點(diǎn)沿水流方向到其流向起點(diǎn)(終點(diǎn))間的最大地面距離在水平面上的投影長(zhǎng)度。水流長(zhǎng)度是水土保持上的重要因子之一，當(dāng)其他條件相同時(shí)，水力侵蝕的強(qiáng)度依據(jù)坡的長(zhǎng)度來決定，坡面越長(zhǎng)，匯聚的流量越大，其侵蝕力就越強(qiáng)，水流長(zhǎng)度直接影響地面徑流的速度，從而影響對(duì)地面土壤的侵蝕力。因此，對(duì)于水流長(zhǎng)度的提取和分析，在水土保持工作中有很重要的作用。目前水流長(zhǎng)度的提取方式主要有兩種，一種是順流計(jì)算(DOWNSTREAM),一種是溯流(UPSTREAM)計(jì)算。順流計(jì)算是計(jì)算地面上每一點(diǎn)沿水流方向到該點(diǎn)所在流域出水口最大地面距離的水平投影；溯流計(jì)算者是計(jì)算地面上每一點(diǎn)沿水流方向到其流向起點(diǎn)間的最大地面距離的水平投影。6) MapAlgebra：利用地圖代數(shù)來進(jìn)行河網(wǎng)提取。目前常用的河網(wǎng)提取方法是采用地表徑流漫流模型計(jì)算：首先是在無洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一個(gè)柵格的水流方向；然后利用水流方向柵格數(shù)據(jù)計(jì)算出每一個(gè)柵格在水流方向上累積的柵格數(shù)，即匯流累積量，所得到的匯流累積量則代表在一個(gè)柵格位置上有多少個(gè)柵格的水流方向流經(jīng)該柵格；