基于不同DEM數(shù)據(jù)源的膠東半島流域特征提取對(duì)比與分析

付繼強(qiáng)，王周龍，馬金衛(wèi)，郭玲玲，王萌，宋倩茹

（1.魯東大學(xué)地理與規(guī)劃學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025；2.煙臺(tái)市國(guó)土資源局福山分局，山東 煙臺(tái) 265500；3.煙臺(tái)大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264003；4.山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司，山東 煙臺(tái) 264002）

0 引言

河網(wǎng)水系是描述一個(gè)地區(qū)的基本水文參數(shù)，它不僅反映了地區(qū)的地貌特征，更直觀地表達(dá)了地表水文狀況，可為區(qū)域流域規(guī)劃、防洪減災(zāi)、生態(tài)保護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。小流域的提取可方便簡(jiǎn)潔地表達(dá)出地區(qū)的水文地域劃分，從而在面源污染的估算中統(tǒng)計(jì)每個(gè)小流域?qū)φw的污染百分比情況，為治污管治指明監(jiān)管方向。河流網(wǎng)絡(luò)和集水流域劃定為一個(gè)地區(qū)受某種污染源影響的范圍提供了依據(jù)，也可作為地貌改變的指示標(biāo)志。眾多學(xué)者對(duì)流域的信息提取方面已經(jīng)做了大量的研究，尤其是近年來(lái)數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展及GIS在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、空間分析和制圖方面的優(yōu)勢(shì)，使GIS與水文模型結(jié)合的分布式應(yīng)用日益廣泛。其中以O(shè)’Callaghan等在1984年提出的坡面流累積方法最為流行［1］，該方法是以水流在地表上漫流的方式為基礎(chǔ)從DEM中提取河網(wǎng)水系。

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是描述地面高程值空間分布的一組有序數(shù)組，能夠反映一定分辨率的局部地形特征，通常有格網(wǎng)（GRID）、不規(guī)則三角網(wǎng)（TINs）、矢量（數(shù)字線(xiàn)劃）（DLGs）3種形式［2］。隨著RS和GIS技術(shù)的發(fā)展，尤其是高精度全球免費(fèi)DEM數(shù)據(jù)的分發(fā)，使得采用多種模型技術(shù)來(lái)分析流域各種水問(wèn)題提供必要的空間信息。DEM數(shù)據(jù)更是成為仿真模擬、地形分析和三維空間數(shù)據(jù)處理的核心數(shù)據(jù)［3］。利用DEM提取數(shù)字河網(wǎng)及小流域，只需結(jié)合研究區(qū)的地形狀況，利用ArcMap下Arc Hydro Tools擴(kuò)展模塊就可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)字河網(wǎng)及對(duì)應(yīng)的小流域范圍，大大縮短了數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間，同時(shí)也大大降低了成本。

在前人研究的基礎(chǔ)上，以膠東半島為研究區(qū)，運(yùn)用水文分析工具，基于2種DEM數(shù)據(jù)源提取河網(wǎng)水系，并通過(guò)河網(wǎng)精度分析，確定與1∶25萬(wàn)真實(shí)河網(wǎng)最為接近的數(shù)據(jù)源。同時(shí)，初步分析了11條代表性河流的流域主要特征。

1 研究區(qū)概況

膠東半島是指山東省膠萊河以東陸地區(qū)域，北臨渤海，東靠黃海，與遼東半島和朝鮮半島隔海相望。總面積42 680km2，包括青島市、煙臺(tái)市、威海市域全部以及濰坊市的一部分。濰河流域也納入研究區(qū)，以保證提取的膠萊河流域的完整性。膠東半島遍布低緩丘陵，地勢(shì)起伏和緩、谷寬坡緩的波狀丘陵，丘陵的邊緣是地表傾斜、海拔40～70m的平原，延伸至坦蕩的華北平原。山脈多近NE走向，中北部分布偉德山、昆崳山、牙山以及大澤山、羅山、艾山等，嶗山主峰嶗頂為半島最高峰，海拔1 133m。

半島水系多發(fā)源于中部山地，南北分流，獨(dú)流入海，河床比降大，源短流急。河川徑流洪枯期懸殊，汛期集中全年徑流量的70%～80%，流量過(guò)程線(xiàn)隨降水變化而迅速漲落；洪水時(shí)南北溝通，枯水時(shí)南北分流。流域面積在1 000km2以上的河流有膠萊河、大沽河、大沽夾河、母豬河、黃水河等。其中，膠萊河全長(zhǎng)130 km，總流域面積3 978.6km2，以平度市姚家為界分為南北兩段，北至萊州灣為北膠萊河，南與大沽河匯流入膠州灣為南膠萊河。膠東半島最長(zhǎng)河流為大沽河，全長(zhǎng)179.9km，流域面積6 131.3km2（含南膠萊河）。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及其處理

基于SRTM（Shuttle Radar Topography Mis－sion）和 ASTER GDEM（Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radiometer）2種DEM數(shù)據(jù)源提取數(shù)字河網(wǎng)，并進(jìn)行精度比對(duì)分析。SRTM即航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)，是在德國(guó)和意大利航天機(jī)構(gòu)的參與下，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和國(guó)家空間信息情報(bào)局（NGA）合作共同完成［4］。其DEM數(shù)據(jù)覆蓋率為全球的80%，包括SRTM1和SRTM3兩種，該文采用覆蓋中國(guó)全境的空間分辨率為90m×90m的SRTM3數(shù)據(jù)。

ASTER GDEM是美國(guó)航空航天局（NASA）和日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI）于2009年6月29日聯(lián)合發(fā)布的，是迄今為止最精確、最完整的地球陸地海拔地形圖，覆蓋了全世界陸地面積的99%［5］，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯83°至南緯83°之間的所有陸地區(qū)域，垂直、水平數(shù)據(jù)分別率分別為20m，30m，可信度均達(dá)到95%。

2種數(shù)據(jù)源的具體對(duì)比如表1所示，可以看出ASTER GDEM數(shù)據(jù)在時(shí)間序列，分辨率、覆蓋范圍等均優(yōu)于SRTM數(shù)據(jù)。

表1 兩種數(shù)據(jù)源基本參數(shù)

從CGIAR－CSI的網(wǎng)站（http：／／srtm.csi.cgiar.org／）和美國(guó)的LPAAC（https：／／wist.echo.nasa.gov／～ wist／api／imswelcome／）分 別 下 載 相 應(yīng) 的SRTM DEM90m和ASTER GDEM30m的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式均為Geotiff。然后，將下載覆蓋整個(gè)研究區(qū)域的2種DEM數(shù)據(jù)拼接處理后，按照行政邊界裁剪出與研究區(qū)相吻合的DEM數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)Albers投影將球面坐標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成平面坐標(biāo)［6］。

2.2 膠東半島地區(qū)流域特征信息提取方法

該研究應(yīng)用Arc Hydro Tools模塊工具，采用漫流模型自動(dòng)提?。?］區(qū)域數(shù)字河網(wǎng)和河系特征，提取流程見(jiàn)圖1。與Arctoolbox下的Hydrology水文工具不同的是，Arc Hydro Tools采用burn in算法［8］可以預(yù)先將真實(shí)的河流線(xiàn)性水系以及水庫(kù)、湖泊等面狀水系嵌入到DEM中，從而提高數(shù)字河網(wǎng)的提取精度。

圖1 河網(wǎng)及流域的提取過(guò)程

將真實(shí)的主干河網(wǎng)嵌入到DEM中，一般需要設(shè)定3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)即緩沖區(qū)大小（柵格數(shù)）、平滑距離、陡降距離［9］。首先，根據(jù)設(shè)定的緩沖區(qū)大小生成河網(wǎng)緩沖區(qū)；然后，按設(shè)定的陡降距離降低河道所在格網(wǎng)的高程值；最后，對(duì)緩沖區(qū)內(nèi)格網(wǎng)高程按設(shè)定的平滑距離進(jìn)行平滑［10］。模塊自動(dòng)默認(rèn)的這3個(gè)參數(shù)值分別為5，10，100。在算法上同水文分析模塊相同，都是基于D8算法和最小集水面積閾值的概念。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 提取出的數(shù)字水系與真實(shí)河網(wǎng)的對(duì)比

反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，集水面積閾值的設(shè)定與河網(wǎng)的密度有著直接的關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，集水面積閾值越小，提取的數(shù)字河網(wǎng)就越密集。文中SRTM選取的集水面積閾值為32.4km2（4 000個(gè)柵格），GDEM選取的集水面積閾值為31.5km2（35 000個(gè)柵格）。2種數(shù)據(jù)源所提取的數(shù)字水系都能在一定程度上反映流域河網(wǎng)的基本特征，提取的河網(wǎng)水系密集度均高于1∶25萬(wàn)水系。在中部平原地區(qū)，由于河流往往找不到流域的出口以及水流的具體流向，導(dǎo)致河網(wǎng)提取效果不是很理想。比較2種不同數(shù)據(jù)源的提取結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于SRTM DEM提取的河網(wǎng)在平原地區(qū)的形狀和分布優(yōu)于ASTER GEDM數(shù)據(jù)提取結(jié)果，但在山地區(qū)稍遜于后者，這可能與SRTM數(shù)據(jù)獲取時(shí)采用的雷達(dá)反射受地形影響，形成疊掩和陰影，易造成高山、峽谷地區(qū)、水域等地區(qū)產(chǎn)生數(shù)據(jù)空洞。

從DEM中提取出的數(shù)字河網(wǎng)與真實(shí)水系在Arcmap中對(duì)比疊合后，會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)碎的多邊形。計(jì)算這些多邊形的總面積與該小流域面積的比值即河網(wǎng)套合差（表2），可以比較提取出的河網(wǎng)水系與真實(shí)河網(wǎng)的吻合程度。當(dāng)河網(wǎng)套合差小于0.02時(shí)，河網(wǎng)吻合度很好；當(dāng)河網(wǎng)套合差小于0.03時(shí)，河網(wǎng)套合程度一般；而大于0.03時(shí)，河網(wǎng)吻合度較差［11］。計(jì)算結(jié)果表明，界河、黃水河、乳山河、黃壘河的河網(wǎng)吻合度較高，而膠萊河和大沽河的河網(wǎng)吻合程度較差。原因是膠萊河與大沽河流域地形較緩，平均坡度較小，且人類(lèi)活動(dòng)影響較大，使得河網(wǎng)提取結(jié)果可信度較差。其中，基于高分辨率的GDEM提取的河網(wǎng)效果不理想，會(huì)產(chǎn)生更多的偽河道。

表2 DEM提取的河網(wǎng)與1∶25萬(wàn)真實(shí)水系的河網(wǎng)套合差比較

總之，雖然ASTER GDEM在水平分辨率、現(xiàn)實(shí)性、覆蓋范圍等方面均優(yōu)于SRTM DEM數(shù)據(jù)，但是因?yàn)閿?shù)據(jù)還是第一版，數(shù)據(jù)受云等影響而缺失造成的結(jié)果還處在試驗(yàn)和研究階段，對(duì)其數(shù)據(jù)的地形表現(xiàn)與流域河網(wǎng)特征提取精確性等還有待改進(jìn)。所以對(duì)于膠東半島地區(qū)，采用SRTM提取河網(wǎng)及小流域更能真實(shí)反映該地區(qū)的真實(shí)狀況。

3.2 提取出的流域面積與真實(shí)流域面積的對(duì)比

基于SRTM數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，利用Arc Hydro Tools工具將1∶25萬(wàn)真實(shí)水系加載到DEM數(shù)據(jù)中進(jìn)行流域范圍提取。矢量化后得到濰河、膠萊河、大沽河、五龍河、界河、黃水河、大沽夾河、乳山河、黃壘河、母豬河、辛安河等11個(gè)膠東半島主要河流的流域范圍（圖2）。

統(tǒng)計(jì)每個(gè)流域的面積，并與真實(shí)流域面積進(jìn)行對(duì)比，求出絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差（表3）。結(jié)果表明，濰河流域提取誤差最小，其相對(duì)誤差僅為0.44%，流域面積高估了28.8km2；母豬河流域提取誤差最大，相對(duì)誤差為8.42%，低于9%的最大誤差標(biāo)準(zhǔn)［7］?？梢?jiàn)，流域范圍提取結(jié)果均在誤差控制范圍內(nèi)，可以開(kāi)展下一步的水文水環(huán)境研究等相關(guān)工作。

圖2 Arc Hydro Tools工具自動(dòng)提取的小流域

表3 自動(dòng)提取的流域面積與實(shí)際測(cè)量的流域面積對(duì)比

3.3 膠東半島主要流域特征分析

從表4中可以看出，11條主要河流流域中，流域面積最大是濰河，其次是大沽河，流域面積分別為6 522km2，6 001.4km2，主河道長(zhǎng)分別為292.7 km，89.6km；而坡降比高于后者，說(shuō)明濰河流域的主河流地形起伏比大沽河流域的劇烈。就河網(wǎng)密度來(lái)說(shuō)，辛安河的河網(wǎng)密度最大，達(dá)到了18.4km／km2，河網(wǎng)密度反映的是流域內(nèi)單位面積上的河流長(zhǎng)度，可以描述水系發(fā)育和河流的疏密程度，研究數(shù)據(jù)表明，河網(wǎng)密度隨著流域面積的增大而減少［12］，可見(jiàn)辛安的流域面積最小，是造成河網(wǎng)密度最大的主要原因。坡降比因子能充分反映河流流經(jīng)地區(qū)的起伏狀況，坡降比越大，流域經(jīng)過(guò)的地形起伏越大，從數(shù)據(jù)中可以看出，坡降比最大的是界河，坡降比值達(dá)到了1∶371。

表4 膠東半島典型流域主要特征對(duì)比

在提取的11條河流中，濰河、膠萊河、界河、黃水河流入渤海萊州灣及其龍口、蓬萊北部海域，流域面積最大是濰河，最小的是界河；大沽夾河、辛安河流入黃海的套子灣和四十里灣，流域面積分別為2 296.0km2，313.8km2；大沽河、乳山河、黃壘河、母豬河、五龍河流入半島南部黃海海域，流域面積占流域總面積的27.8%。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）SRTM和GDEM 兩種數(shù)據(jù)源在水文分析模塊下生成的河網(wǎng)與1∶25萬(wàn)真實(shí)水系進(jìn)行精度分析后發(fā)現(xiàn)：在平均坡度較小的地區(qū)如大沽河、膠萊河流域，基于GDEM河網(wǎng)提取效果不理想。在東部丘陵地區(qū)如大沽夾河、五龍河等流域由于地面起伏較大，河流能準(zhǔn)確找到流域的出口以及水流的具體流向，所以提取的河網(wǎng)與真實(shí)水系相差不大。因此，對(duì)于膠東半島地區(qū)而言，利用分辨率為90m×90m的SRTM是提取河網(wǎng)及流域范圍的較好的選擇。

（2）選取SRTM DEM數(shù)據(jù)源，采用Arc Hydro Tools工具嵌入主干河網(wǎng)，將1∶25萬(wàn)真實(shí)水系嵌入到DEM中，所提取的膠東半島11條主要河流的小流域能準(zhǔn)確反映該地區(qū)的水文主要狀況，并就這11條河流的特征進(jìn)行了比較。

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