胖頭泡蓄滯洪區(qū)水文地貌關(guān)系正確的DEM建立

廖曉玉，王劍峰,劉媛媛

（水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

胖頭泡蓄滯洪區(qū)水文地貌關(guān)系正確的DEM建立

廖曉玉，王劍峰,劉媛媛

（水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

開展胖頭泡蓄滯洪區(qū)空間地形數(shù)據(jù)采集，形成一套完整、準確的蓄滯洪區(qū)數(shù)字高程模型（DEM），將為蓄滯洪區(qū)建設(shè)、管理和調(diào)度決策提供可靠的信息依據(jù)與技術(shù)支撐。文中利用1∶5萬數(shù)字地形圖，進行地形數(shù)據(jù)采集與編輯檢查，建立了水文地貌關(guān)系正確的DEM，并對其質(zhì)量進行了評價。研究結(jié)果表明，基于水文地貌關(guān)系正確建立的DEM質(zhì)量較高，能更加準確、真實地反映地形形態(tài)和地貌與水文關(guān)系，精度滿足標準規(guī)范的要求。

數(shù)字高程模型；水文地貌關(guān)系；胖頭泡；ANUDEM算法

胖頭泡蓄滯洪區(qū)是國務(wù)院批復(fù)的《松花江流域防洪規(guī)劃》中確定的骨干調(diào)蓄工程，是松花江流域防洪工程體系的重要組成部分。蓄滯洪區(qū)地形基礎(chǔ)信息，在蓄滯洪區(qū)防洪工程建設(shè)、安全設(shè)施建設(shè)、居民避洪安置等方面發(fā)揮著基礎(chǔ)性、支撐性作用，因此，迫切需要開展胖頭泡蓄滯洪區(qū)數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM)建設(shè)。數(shù)字高程模型，由規(guī)則間隔地面點的抽樣高程矩陣組成，存儲地面高程和地表起伏形態(tài)特征信息。國內(nèi)常用的DEM建立方法是采集高程信息（等高線、高程點等）通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangle Irregular Network，TIN）生成DEM。這種方法簡單易用，通過加入高程骨架點及特征線可提高精度，但無法全面體現(xiàn)水文地貌信息。由Hutchinson提出的ANUDEM算法，利用等高線、高程點、河流等基本地形信息，通過插值生成DEM。該方法可全部或部分清除地形偽下陷點，合理表現(xiàn)地表高程的連續(xù)與突變，強調(diào)坡向轉(zhuǎn)折（流域邊界線和溝底線），保證流水線的連續(xù)性和流域邊界的準確等，被稱為一種水文地貌關(guān)系正確(Hydologically Correct)的DEM建立方法。與普通DEM相比，更準確地表現(xiàn)水文地貌特征，其提取的河流網(wǎng)絡(luò)、流域邊界及坡度等參數(shù)，準確性和精度更高。此方法在國外受到廣泛關(guān)注，近年來國內(nèi)也開始對其研究應(yīng)用。下文利用數(shù)字化地形圖，采用ANUDEM算法，建立胖頭泡蓄滯洪區(qū)水文地貌關(guān)系正確的DEM，為蓄滯洪區(qū)建設(shè)、管理和調(diào)度決策提供可靠的信息依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與研究方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

胖頭泡蓄滯洪區(qū)位于嫩江、松花江干流的左岸，肇源縣的西北部。東邊線南起古恰閘，沿庫里泡泄洪渠道的右側(cè)堤防向北至仁和堡橋，沿林肇公路南線至大興鄉(xiāng)，向北至葡萄花，折向西與鐵路交叉后與南引堤壩相接，沿南引堤繞到古龍鎮(zhèn)河南村，向西與嫩干立陡山段堤防末端相接，再沿嫩江左岸，經(jīng)永勝村、巴彥村至老龍口（進水口），再沿嫩干左岸堤防，經(jīng)臥龍岱、二段、西北岔、勒勒營子到老坎子（出水口），最后到古恰閘閉合，蓄滯區(qū)面積為1 994 km2。

此研究采用的數(shù)據(jù)是胖頭泡蓄滯洪區(qū)1∶5萬數(shù)字地形圖（等高距為5 m），共20幅。采集的高程信息包括胖頭泡蓄滯洪區(qū)的控制點、等高線和地表高程注記點，以及湖泊、水庫、雙線河渠等面狀水域的水岸線，地貌特征線等要素。平面坐標為CGCS2000，高斯正形投影3°分帶，中央子午線123°，高程基準采用1985國家高程基準。

1.2 DEM建立方法

對采集的地形數(shù)據(jù)進行編輯檢查，消除定位錯誤、拓撲錯誤、圖層錯誤、屬性錯誤等。相鄰圖幅之間進行要素的圖形與屬性接邊，做到位置正確、形態(tài)合理、屬性一致。

對編輯好的地形數(shù)據(jù)利用ANUDEM算法插值生成DEM。ANUDEM插值法采用迭代有限微分內(nèi)插技術(shù)，通過對薄板樣條插值法中糙度補償函數(shù)的合理修改，并將剖面曲率也作為一個糙度補償函數(shù)引入來增強DEM的局部地形適應(yīng)性，使生成DEM表面光滑且能真實地表現(xiàn)地形起伏狀況。

1.3 DEM質(zhì)量評價方法

根據(jù)技術(shù)規(guī)范，以地形圖數(shù)字化方法生成的數(shù)字高程模型，其格網(wǎng)點高程中誤差應(yīng)不大于相應(yīng)比例尺地形圖的2/3等高距。DEM的質(zhì)量一般包含數(shù)據(jù)的完整性和一致性、位置精度、屬性精度、現(xiàn)勢性等。目前，常用的方法是通過人機交互進行等高線疊加分析、DEM地形表現(xiàn)的對比分析、檢驗點法分析等。將水文地貌關(guān)系正確生成的DEM與由TIN生產(chǎn)的DEM分別提取派生等高線、生成光照模擬等要素，對比分析其對地形形態(tài)和起伏表現(xiàn)能力的差異。

2 DEM建立與質(zhì)量評價

2.1 DEM建立

將編輯檢查好的等高線、高程點、河流、湖泊、地貌特征線等要素，利用專業(yè)軟件，按5 m的格網(wǎng)間距，采用ANUDEM算法內(nèi)插DEM，結(jié)果以ESRI grid格式存儲，并制作元數(shù)據(jù)。

圖1 胖頭泡蓄滯洪區(qū)DEM建立

2.2 DEM質(zhì)量評價

2.2.1 等高線疊加分析

將水文地貌關(guān)系正確生成的DEM（簡稱Hc-DEM）和由TIN內(nèi)插生成的DEM（簡稱TINDEM）按5m等高距分別提取派生等高線，并與數(shù)字化地形圖中的原始等高線疊加比較。從圖2可以看出，由TIN-DEM派生的等高線與原始等高線的趨勢基本一致，但是有許多地方會出現(xiàn)直角、平頂現(xiàn)象，等高線不平滑；由Hc-DEM派生的等高線與原始等高線彎曲趨勢一致，位置基本重疊，符合度較高，較好地反映了地形的起伏變化。由Hc-DEM計算的派生等高線總長為9 223.13 km，密度為 1.92 km/km2，與原始等高線密度（1.93 km/km2）接近，而由TIN-DEM計算的派生等高線密度為1.30 km/km2。說明水文地貌關(guān)系正確的DEM基本保留了輸入地形數(shù)據(jù)的信息，可以確保地形形態(tài)的正確表現(xiàn)。

圖2 派生等高線與原始等高線比較

3.2.2 DEM地形表現(xiàn)的對比分析

將Hc-DEM和TIN-DEM建立光照模擬圖進行對比分析（圖3），可以看出水文地貌關(guān)系正確的DEM表面變化連續(xù)自然，較TIN-DEM插值結(jié)構(gòu)有很大改善，特別是山坡、溝道地形較為圓滑，不存在平三角現(xiàn)象，更真實地反映了地形起伏的形態(tài)。

圖3 DEM光照模擬對比

3.2.2 檢驗點法

選擇79個控制點作為檢驗點，在DEM上采集相同控制點的高程值，利用中誤差計算公式（1）進行誤差檢驗。

式中：M為成果中誤差，n為檢測點數(shù)量，△i為較差。

通過統(tǒng)計，水文地貌關(guān)系正確的DEM結(jié)果中誤差為2.16 m，精度符合標準規(guī)范的要求。

3 結(jié)語

此研究利用胖頭泡蓄滯洪區(qū)1∶5萬地形圖建立了分辨率為5 m的水文地貌關(guān)系正確的DEM，通過等高線疊加分析、DEM對地形表現(xiàn)的對比分析、誤差檢驗等方法進行質(zhì)量評價。評價結(jié)果顯示，胖頭泡蓄滯洪區(qū)水文地貌關(guān)系正確的DEM精度較高，與由TIN內(nèi)插得到的DEM相比，能更準確地反映原始數(shù)據(jù)中所包含的各種地形信息，可正確的表達地表地形形態(tài)與流水匯集之間的關(guān)系，是一種正確反映了地表水文地貌特征的高精度DEM。研究成果將為胖頭泡蓄滯洪區(qū)建設(shè)、管理和調(diào)度決策提供可靠的信息依據(jù)，為提升蓄滯洪區(qū)運用及管理水平，實現(xiàn)科學(xué)有效管理及規(guī)范化建設(shè)提供支撐。［參考文獻］

［1］唐新明，李莉，嚴榮華.全國七大江河流域重點防范區(qū)1∶1萬數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)庫的建立［J］.測繪通報，2006（6）：19-22,55.

［2］王東華，劉建軍，商瑤玲，等．全國1∶25萬數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與建庫［J］．測繪通報，2001（10）：27-29.

［3］楊勤科，McVicarTR，VanNielTG，等．ANUDEM和TIN兩種建立DEM方法的對比研究［J］．水土保持通報，2006，26（6）：84－88.

［4］Hutchinson M F.New procedure for gridding elevation andstrema line data with automatic removal of spurious pits［J］.Journal of Hydrology，1989，106（3-4）：211—232.

［5］Hutchinson M F.ANUDEM version 5.1 UserGuide［M］. CentreforResourceandEnvironmentalSutdies，TheAustralian National University,Canberra,2004.

［6］Clarke S,BurnettK.Comparison of digital elevation models for aquaticdatadevelopment［J］.PhotogrammetricEngineering& Remote Sensing,2003,69(12)：1367-1375.

［7］劉鵬舉，趙仁亮，朱金兆，等．保持地貌特征的數(shù)字高程模型生成方法研究［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，35（4）：521-525.

［8］師維娟，楊勤科，趙東波，等．中分辨率水文地貌關(guān)系正確DEM建立方法研究——以黃土丘陵區(qū)為例［J］．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，35（2）：143-148.

［9］張彩霞，楊勤科，段建軍.一種高質(zhì)量的數(shù)字地形模型建立方法—ANUDEM法［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2005，21（12）：411-415.

［10］CH/T1015.2-2007，基礎(chǔ)地理信息數(shù)字產(chǎn)品1∶10000、1∶50000生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程第二部分數(shù)字高程模型（DEM）［S］.

1002－0624（2016）09－0056－03

P208.2

A

2016-04-06