基于ArcHydroTools的流域特征自动提取_以贵州省内乌江流域为例VIP免费

地球与环境2006年第34卷第3期30EARTHANDENVIRONMENTVol.34,No.3,2006文章编号：1672-9250（2006）03-0030-08基于ArcHydroTools的流域特征自动提取——以贵州省内乌江流域为例唐从国1，2，刘丛强1∗（1．中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，贵州贵阳550002；2．中国科学院研究生院，北京100049）摘要：简要回顾和讨论了基于栅格数字高程模型(DEM)自动提取流域特征的原理和方法，介绍了一个新的基于ArcGIS开发的提取流域特征的工具ArcHydroTools，基于ArcHydroTools提取流域特征包括5个流程：DEM的预处理、水流流向的确定、汇流栅格图的生成、河网的自动生成、子流域边界的划分。最后以贵州省内乌江流域为研究区进行了试验，试验结果表明：提取结果的精度在总体上是符合要求的，但在地势平坦区或人类活动干扰较大的地区，提取的结果与实际相差较大。从提取的效率和试验结果的精度两方面来看，基于ArcHydroTools的流域特征自动提取是切实可行的。关键词：ArcHydroTools；DEM；自动提取；最小水道集水面积阀值；流域特征中图分类号：P208；P331文献标识码：A随着数字技术的迅猛发展，特别是地理信息系统（GIS）在海量数据存储与管理、空间分析及可视化显示和制图等方面的卓越功能，已使目前水文模型研究的重点从流域水文统计模型转到GIS与水文机理模型相结合的分布式水文模型研究方面，而基于DEM提取流域水文特征技术正是这种研究的关键接口[1]。DEM是描述地面高程值空间分布的一组有序数组，能够反映一定分辨率的局部地形特征，通常有格网（GRID）、不规则三角网（TINs）、矢量（数字线划）（DLGs）3种形式[2]，其中栅格DEM最为普遍，计算处理方法简单有效，且和遥感数据在结构上容易匹配，在流域水文模拟中得到广泛应用。收稿日期：2006-03-08；修回日期：2006-04-18基金项目：中国科学院重要方向项目（KZCX3-SW-140）；中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1-SW-12)第一作者简介：唐从国(1978—)，男，博士，主要从事流域水文水环境研究。E-mail:tangcongguo@hotmail.com或easetang@yahoo.com.cn∗通讯作者：刘丛强，E-mail:liucongqiang@vip.skleg.ac.cn本文中利用ArcGIS及其扩展模块ArcHydroTools，在1:25万DEM的基础上，通过模拟水流流向、流域汇流能力、河网自动生成、子流域边界划分来提取流域特征，为下一步建立分布式水文模型及非点源污染模型提供水文参数。1基于DEM提取流域特征算法概述基于DEM提取流域特征算法，最早是1975年Peucker和Douglas[3]提出的基于谷点的算法，但该算法会生成许多不连续的河道片断，且会产生非单网格宽度的河网（用该方法提取的河网有可能在其垂直于水流流向上占有2个或2个以上的网格）[4－5]。目前应用最广泛的算法仍然是1984年O’Callaghan和Mark[6]提出的坡面径流模拟算法，该算法又称水流累积算法，其基础是栅格间水流流向的判别，核心是计算每个栅格点上游汇流区的面积即汇流累积值。坡面径流模拟算法按确定水流流向方法的不同出现了许多改进算法，可以分为单流向算法和多流向算法，其中单流向算法有D8（Deterministic-8node）[6]、Rho8（Random-8node）[7]、DEMON[8]、第3期唐从国等：基于ArcHydroTools的流域特征自动提取——以贵州省内乌江流域为例31D∞[9]算法等；多流向算法有FD8、FRho8等算法[10－12]。D8算法由于成熟稳定、易于程序实现，得到广泛应用。目前基于DEM提取流域特征有多种成熟的软件可用，通过这些软件，可以方便的实现上述一系列算法思想。常用的软件有美国ESRI(EnvironmentalSystemsResearchInstitute)公司提供的ArcGIS及相应的水文扩展模块；美国陆军工程公司研制的GRASS（GeographicResourcesAnalysisSupportSystem）系统[13]；RIVIX提供的RiverTools（2003年8月以前由RSI公司提供），目前发展到3.0版本，它的一个特点是可以处理很大的DEM数据；Garbrecht和Martz的TOPAZ（TOpographicPArameteriZation）工具[14]；美国BrighamYoung大学环境模型研究实验室开发的WMS（WatershedModelingSystem）软件[15]等。不同的软件使用不同的算法，所提取的流域特征也有一定的差别。ArcGIS和RiverTools在数据管...