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1、 成都信息工程学院资源环境学院GIS原理项目设计项目名称基于四川地区DEM的河网水文分析班 级测绘工程111班组 长成 员 基于四川地区DEM的河网水文分析及建模项目设计一、研究目的与意义 1、 研究区概况四川省简称“川”或“蜀”，省会成都，位于我国西南地区、长江上游，在东经972110831，北纬26033419之间。四川盆地底部地区海拔300700米；四川盆地边缘地区本区地形为山地，以海拔15003000米的中低山地为主；川西南山地区海拔多在3000米左右，个别山峰超过了4000米；川西北高原地区海拔40004500米。四川盆地幅员辽阔，近年来平均降水量：东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；盆西缘山地是全省降雨最多之地，平均年为13001800毫米；盆东北和东南缘山地，平均年为12001400毫米；盆中丘陵区降雨最少，平均年为8001000毫米。四川有河流1400多条，流域面积在500平方公里以上的有343条，蕴藏了充足的水资源和巨大的水能资源。 四川属于长江水系。长江横贯全省，宜宾以上称金沙江，宜宾至湖北宜昌河段又名川江或蜀江。川江河段长1030公里，流域面积50万平方公里。川江北岸支流多而长，著名的有岷江、沱江和嘉陵江。南岸河流少而短，较长的是乌江、綦江和赤水河，呈极不对称的向心状水系。四川境内平均径流量2171亿立方米。2、 目的研究与地
3、表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况，或者划定受污染源影响的地区，以及预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的额影响等，应用在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域，对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。这些领域需要知道水流怎样流经某一地区，以及这个地区地貌的改变会以什么样的方式影响水流的流动。利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行分割等。3、 意义通过本学期对GIS软件的系统学习，利用GIS软件强大的数据处理和分析工具，使用国际科学数据服务平台内1:50万的DEM数据在课外
4、利用自主学习方式完成本项目。通过分析，初步了解四川地区河网分布规律和大体走势以及在河网模拟、流域提取和子流域划分，为对四川地区水利水文计算及分析和河流改道方面提供依据。对四川省水文特征分析，有利于掌握四川省水资源的现状，对水资源合理利用、开发和保护起指导作用。二、主要技术路线三、主要数据及来源主要数据：四川省DEM数据来源：国际科学数据服务平台四、实现过程 图1 原图1 无洼地 DEM 生成 DEM 是比较光滑的地形表面模型， 但由于 DEM 误差以及一些真实地形或特殊地形的影响，使得 DEM 表面存在一些凹陷的区域。 在进行水流方向计算时， 由于这些区域的存在， 往往得到不合理的甚至错误的水
5、流方向。因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始 DEM 数据进行洼地填充，得到无洼地的 DEM。 洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出 DEM 数据中的洼地区域，并计算洼地深度，然后，依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。 1.1 水流方向提取 水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定。对于每一格网。水流方向指水流离开此网格的指向。在 ARCGIS 中，通过对中心栅格的 1、2、4、8、16、32、64、128 等 8 个邻域栅格编码，中心栅格的水流方向便可有其中的某一值来确定。例如，若中心栅格的水流流向左边，则水流方向赋值 16。 启动 ArcTool
6、box，应用水文分析模块(Hydrology) 下的流向确定(Flow Direction ) 命令, 生成 8 方向水流流向图： 图2 原始图像水流方向提取效果图（整体）图3 原始图像水流方向提取效果图（局部）1.2 洼地计算 洼地区域是水流方向不合理的地方， 可以通过水流方向来判断哪些地方是洼地， 并进行填充。但是，并非所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地是地表形态的真实反映。因此在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，判断哪些地区是由于数据误差造成的，而哪些地区又是真实的地表形态。然后，在洼地填充时，设置合理的填充阈值。 基本过程先分别双击 Hydrology 工具集中的 S
7、ink、Watershed 工具计算出洼地区域图、洼地贡献区域图，打开 Spatial Analyst Tools 工具箱中的 Zonal 工具集，分别利用 Zonal Statistic、Zonal Fill 工具分别计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程，及计算每个洼地贡献区域出口的最低高程，然后在 ARCMAP 中加载 Spatial Analyst 模块，选择 Raster Calculator 对话框，通过命令 sinkdep=（zonalmax-zonalmin）计算出洼地深度图。 （1）洼地提取 图4 洼地提取效果图（2）洼地深度计算 A.计算洼地的贡献区域 图5 洼地的贡献区域
8、B.计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程图6 洼地所形成的贡献区域的最低高程C.计算每个洼地贡献区域出水口的最低高程即洼地水口高程 图7每个洼地贡献区域出口的最低高程图D.计算洼地深度 图8 洼地深度图1.3 洼地填充 经过洼地提取后，可以确定原始 DEM 上是否存在洼地，若有洼地，须进行填充。而洼地深度的计算为填充阈值的设置提供了依据， 系统默认条件下是不设阈值， 即所有的洼地区域都将被填平。参考洼地深度图，结合小流域的实际地形，不断调试将阈值设为 2500。 方法是双击 Hydrology 工具集中的 FILL 工具，选择需要进行洼地填充的原始 DEM 数据，经过洼地填充生成的无洼地 D
9、EM。 图9 经洼地填充生成的无洼地 DEM2 汇流累积量计算 在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的。首先基于无洼地 DEM 生成水流方向图，利用该数据，双击 Hydrology 工具集中的 Fill Accumulation 工具计算出汇流累积量数据。 （1） 基于无洼地 DEM 生成水流方向图 图10 无洼地 DEM 水流方向图（整体）图11 无洼地 DEM 水流方向图（局部）3 水流长度计算 水流长度指地面上一点沿水流方向到流向起点 （或终点） 间的最大地面距离在水平面上的投影长度。它分为顺流计算及溯流计算两种，可通过双击 Hydrology 工具集中的 Flow
10、 Length 工具实现，其中计算方向分别选择顺流计算 Downstream 或溯流计算 Upstream。水流长度的提取和分析在水文学或水土保持工作中均具有很重要意义， 因为水流长度直接影响地面径流的速度，进而影响地面土壤的侵蚀力。 (1) 顺流计算的水流长度 (2) 溯流计算的水流长度 图12 溯流计算出的水流长度图4河网的提取与分级 河网分级是对一个线性的河流网络进行分级别的数字标识。在地貌学中，对河流的分级是根据河流的流量、形态等因素进行河流的分级。而基于DEM提取的河网的分支具有一定的水文意义。利用地表径流模拟的思想，不同的级别的河网首先是它们所代表的汇流累积量也不同，级别越高的河网
11、，其汇流累积量也越大，那么在水文研究中，这些河网往往是主流，而那些级别较低的河网则是支流。河网的分级同样可以研究水流的运动、汇流模式，对于水土保持等也具有重要的意义。图13提取的栅格河网图图14河网的Strahler分级结果图15河网的Shreve分级结果通过DEM数据本文运用ArcGIS软件进行了河网的提取，通过对实验结果与官方给出的四川主要河流进行对比，提取的主要河流基本一致。可以说明运用此类方法可以更有效的分析研究区域的水文分布，并且对以后的有关研究提供了一定的基础和验证。5流域分割图13 流域分割6.以上是手动提取水体，由于数据较大，处理步骤较多。所以本文进行了简单的建立了利用DEM数
12、据对水体提取的模型。其初始数据是无洼地DEM，经过以下步骤，可以初步提取研究区的水体信息，简化了实验过程。模型建立如下：建立模型的意义：随着信息技术的高速发展，地理信息技术也在不断进步，计算机技术在地理信息中占据的地位更加重要。不同的研究建立模型也是必不可少的。所以建立模型对以后的研究会有很大的帮助。五、总结本项目通过国际科学数据服务平台下载的四川省DEM数据，在GIS平台支持下可以快速地获取流域的河网结构，并可以根据汇流累积单元数的阈值来生成不同密度的河网。但DEM的空间分辨率、DEM资料生产方式，以及不同地形特色等因素对提取结果有一定影响，同时选取适当阈值对急流面积的大小及提取空间正确性也需要进一步的相关探讨。就总体而言，现有的GIS软件所提供的水文模拟分析功能，为我们在水文地理信息提取河网模拟、流域提取和子流域划分等方面，听过了强大的数据处理和分析工具，这些理论，技术和方法的不断几点和创新，为GIS在水利水文计算和分析方面提供了更加成熟的理论基础和更加广阔的应用前景。附：团队成员及其分工和完成情况郭东泽：负责DEM数据的选择及处理。贝玉莲：负责研究地现状调查及设计报告的撰写。费晓燕：负责研究目的确定及设计报告的撰写。刘敏：负责数据的采集及参考文献的搜集。张文龙：负责研究结果的整理及分析。
