基于DEM的流域特征提取综述

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ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究

论文题目ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究姓名所在学院专业班级学号109042010006指导老师二○一三年一月四日数字高程模型10GIS姜婷109042010006 ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究——以闽江流域建溪水系为例姜婷（福建师范大学地理科学学院，福建省福州市350108）摘要：选择闽江流域建溪水系为研究对象,以数字高程模型DEM(Digit Elevation Models)为基础,利用ArcGIS软件的水文分析工具从DEM数据中提取研究区域的流域水文特征的详细过程。

主要包括:DEM的生成和预处理、水流方向的确定、水流累积量提取、河网的提取和子流域的划分。

结果表明，利用该方法提取的河网与利用手工方法提取的河网基本一致，从而证明该方法具有较高的精度。

关键词：数字高程模型；水文特征；ArcGIS；提取；建溪水系21世纪以来水资源危机日益突出，水文模型已经成为目前国内外水文学研究的热门课题。

随着“3S”技术的发展，为水文科学注入了新的血液。

目前水文模拟技术趋向于将水文模型同GIS 与RS集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。

数字高程模型DEM (Digital ElevationModel)是用一组有序数值阵列形式表示地面点的平面坐标(x,y)和高程z的一种实体地面模型。

它包含了大量的地理信息,是构成GIS的基础数据，其用途十分广泛,利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。

目前,利用DEM进行流域分析的工具很多,ArcGIS的水文分析模块(Hydro logymodel)是美国环境系统研究所公司(ESRI)为ArcGIS推出的一个水文分析模块,主要用于地形和河流网系的提取和分析,实现地形模型可视化,其强大的流域特征分析功能可以满足各种流域DEM处理的需要。

1流域概况建溪是闽江上游三大溪中最大的溪流，是一个树枝状水系。

基于DEM和WMS的流域特征提取及应用

基于DEM和WMS的流域特征提取及应用谢小华;朱建平【摘要】This paper introduces the professional hydrological software of simulation processing---WMS model system. The prin-ciples and methods of river valley and river systems are based on 90m accuracy digital elevation model (DEM) automatic extrac-tion.Take the Suichuan river basin of Ji'an city as the study area for river network generation testresearch ,and get the river basin hydrological information and feature.After it is analyzed,the informations from study area river network and river basin characteris-tics are consistent with the actual water river system features,so the method of using DEM to divide the basin is reasonable.%本文根据数字高程模型（DEM）自动提取流域水系的原理和方法，以江西省吉安市遂川江流域为研究区域进行河网生成试验，提取流域水文特征信息。

经分析，应用DEM划分的流域结果合理。

【期刊名称】《江西水利科技》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P135-138)【关键词】数字高程模型;流域建模系统;流域特征;信息提取【作者】谢小华;朱建平【作者单位】江西省水文局，江西南昌 330002;江西省水文局，江西南昌330002【正文语种】中文【中图分类】P20821世纪以来，随着计算机技术、遥感技术以及GIS技术的日益成熟，可以方便取得不同分辨率的数字高程模型（Digital Elevation Model，简称 DEM）数据，DEM蕴含有丰富的地形、地貌信息，利用一定的算法就可以从中提取河网水系等要素，并应用于流域洪水预报。

基于DEM的辽河流域子流域边界的自动提取

基于DEM的辽河流域子流域边界的自动提取作者：张永红来源：《山东工业技术》2015年第14期摘要：水文分析是DEM（数字高程模型）应用的重要领域。

很多地表水文分析模型都需要输入集水流域和水流网络数据，而DEM数据就是生成这些数据的重要手段。

本文采用D8算法，利用SRTM DEM数据提取了辽宁省辽河流域内的子流域边界，经过对比研究，与实际河流水系特征基本吻合，表明了遥感源DEM数据在提取流域水文特征方面具有较高的精度且效率更高。

关键词：DEM；辽河流域；SRTM流域相关信息是进行水文模拟和分析的重要输入数据，获取流域信息是建立水文模型、进行水文模拟的前提，国外学者从20世纪60年代起就开始研究通过DEM数据来提取水文相关信息，并取得了快速发展。

国内学者从20世纪90年代也开始了相关的研究工作，并对国外的研究方法和研究结果进行了梳理和总结。

当前很多研究者采用ESRI公司的 ArcGIS软件的Hydrology Analyst，即水文分析模块进行流域相关信息的提取。

1 研究区域辽宁省辽河流域地理位置在东经121°16′～125°20′、北纬40°28′～43°30′之间，流域面积6.9万平方km。

主要包括辽河干流、浑河、太子河和大辽河四个水系，水资源总量为130.47亿m3。

辽河流域水系发育，支流众多，有绕阳河、招苏台河、清河、柴河、汎河、细河、蒲河、苏子河、社河、细河、北沙河等主要支流。

2 研究数据SRTM DEM数据是由美国太空总署和国防部国家测绘局联合测量，SRTM数据每经纬度方格提供一个文件，精度有1 arc-second和3 arc-seconds两种，称作SRTM1和SRTM3，或者称作30M和90M数据，SRTM1的文件里面包含3601*3601个采样点的高度数据，SRTM3的文件里面包含1201*1201个采样点的高度数据。

目前中国境内的能够免费获取的SRTM3文件，其空间分辨率为90米，每个栅格单元的值是由 9个30米的栅格单元经过算术平均得到。

基于DEM和GIS的流域水文信息提取--以巴中市为例

基于DEM和GIS的流域水文信息提取--以巴中市为例杨华容;路军;彭文甫;徐新良;王怀英【摘要】为了探讨基于DEM和GIS的流域水文信息提取过程中阈值确定的有关问题，应用Arc GIS中的Hydrol-ogy水文分析工具，对巴中市水域的水文信息提取进行了研究。

研究结果表明：①汇流累积量与河网密度、流域面积满足二阶导数关系，利用导数关系能够有效确定河网提取阈值。

②阈值对河网信息提取具有较大的影响，阈值越小，河网越稠密。

当阈值达到8500时，提取的河网密度和面积基本趋于稳定且与实际水系基本符合。

③实际地形特征、原始DEM数据可能存在的误差以及其他人为因素等都会对水文提取结果产生影响。

%In order to discuss the technical issues of watershed hydrologic information extraction based on DEM and GIS, the hydrological analysis tool of Arc GIS was applied to study the extraction of hydrological information in Bazhong. The results showed that the relation between flow accumulation and drainage density or watershed area is a second derivative, which helps de-termine the confluence cumulative threshold value; the threshold influence the extraction of river basin in that the smaller the threshold is, the finer the extracted river network is;when threshold value reaches 8500, the extracted density and area of river network tends to be stable and matches well with the actual rivers;the actual terrain features, the possible original DEM data er-rors and other human factors affect the hydrology extraction results.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2016(047)008【总页数】5页(P34-38)【关键词】数字高程模型;GIS;水文信息提取;巴中市【作者】杨华容;路军;彭文甫;徐新良;王怀英【作者单位】四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068; 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068;四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068; 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068;四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068; 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068;中国科学院地理科学与资源研究所数据中心，北京100101;四川师范大学西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都610068; 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都610068【正文语种】中文【中图分类】P33DEM，即数字高程模型，在描述区域地貌形态的空间分布方面，包含了丰富的地形地貌、水文信息，能够反映各种分辨率的地形特征，在自然和人文科学领域应用广泛。

基于DEM的流域数字河网提取算法研究

第20卷第1期2009年2月水资源与水工程学报Journal of W ater R es ources &W ater EngineeringV o l.20N o .1Feb .,2009收稿日期:2008212204基金项目:“十一五”国家科技支撑计划(2006BAD 09B 02);国家重点基础研究发展规划项目(2007CB 407206);西安理工大学优秀博士学位论文基金(207-210010)资助作者简介:沈中原(19812),男(汉族),河南信阳人,博士研究生,主要从事区域土壤侵蚀模型研究。

基于D E M 的流域数字河网提取算法研究沈中原1,李占斌1,2,李鹏1,武金慧3(1.西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,陕西西安710048;2.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100;3.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院,陕西西安710065)摘　要:以G IS 为平台,介绍了基于地表径流漫流模型的流域河网提取算法与流程。

根据D E M 数据特点,通过洼地的识别和填充、平地的抬升、水流方向的确定、水流累积矩阵的确定、河流栅格网络的生成、河网水系的生成以及子流域的分割等过程,实现了流域河网特征的提取,得到了数字流域矢量图。

以西安市氵产灞河流域为研究对象,采用NA S A 提供的90m 分辨率的SR TM -D E M 为基本的地形数据,进行流域特征信息的提取。

经计算得到的研究区域河网特征以及流域信息与实际河流水系特征及流域信息基本吻合,认为基于地表漫流模型的流域数字河网提取算法,结果合理可信,能够满足科学研究和实际工程的应用。

关键词:河网提取;数字地面模型;数字流域;水系中图分类号:S 157 文献标识码:A 文章编号:16722643X (2009)0120020204Research on the A lgor ith m s of the D i g it a l Channel Network Extracti onBa sed on D i g it a l Eleva ti on M odelSHEN Zhong -yuan 1,L I Zhan -bi n 1,2,L I Peng 1,W U J i n -hui3(1K ey L ab of N orthw est W ater R esou rces and E nv ironm ent E colog y of M O E ,X i ’an U niversity of T echnolog y ,X i ’an ,S haanx i 710048,Ch ina ;2S tate K ey L aboratory of S oil E rosion and D ry L and F ar m ing on L oess P lateau ,Y ang ling ,S haanx i 712100,Ch ina ;3N orthw est H y d ro Consu lting E ng ineers ,CH ECC ,X i ’an ,S haanx i 710065,Ch ina )Abstract :Based on geograph ic info r m ati on syste m (G IS )and the surface runoff model ,the algo 2rithm s and p rogra mm e fo r ex tracting the channel net w o rk w as in troduced .T he terrain characters of topography based on the D E M w ere analyzed in th is paper .A cco rding to the characteristics of D E M data ,th rough the p rocedures distinguished from billabong and filling ,up lifting the flat land ,deter 2m in ing the directi on of w ater course and the strea m accum ulated m atrix ,the ex tracti on of the river grid net w o rk and w ater syste m w as realized and the digital vecto rgraph of the w atershed w as ob 2tained .T he Chanba R iver W atershed fl ow ing th rough X i’an C ity w as taken as a research object fo r channel net w o rk ex tracti on .U sing the basical land data supp lied fo r SR TM 2D E M being 90m res o lv 2ing pow er by NA SA .T he channel net w o rk ex trati on from D E M w as basically con sisten t w ith the fac 2tual w ater syste m .T he results show ed that th ism ethod can be used in p ractical scien tific research and hydro l ogical analysis.Key words :channel net w o rk ex tracti on ;digital surface runoff model ;digital w atershed ;w ater sys 2te m 流域是水资源的自然载体,也是水资源规划、管理、开发、利用、保护与科学研究的基本应用单元。

基于高分辨率DEM的地形特征提取与分析

基于高分辨率DEM的地形特征提取与分析地形是地球表面的地势形态，通过地形特征提取与分析可以帮助我们更好地理解和研究地球表面的特点和变化。

高分辨率数值地形模型(DEM)是一种用于描述地球表面地形特征的数字地形模型，它通过采集和处理大量的地理数据来构建一个具有高精度的表面地形模型。

地形特征提取主要包括侧向地形特征和垂向地形特征。

侧向地形特征包括地形坡度、曲率、坡向等，这些特征可以用来分析地形的斜率和变化趋势。

垂向地形特征包括海拔高度、地面高度差等，这些特征可以用来分析地形的高度差异和起伏变化。

在高分辨率DEM的基础上，可以使用多种方法来提取和分析地形特征。

一种常用的方法是使用地理信息系统(GIS)软件，通过栅格分析功能来提取和分析地形特征。

地理信息系统软件可以将高分辨率DEM数据转换为栅格数据格式，并利用栅格分析工具来计算地形特征，例如坡度、曲率和坡向等。

另一种方法是使用特定的地形分析软件，例如地形分析软件(Terrain Analysis System, TAS)或地形工具包(Terrain ToolKit, TTK)等。

这些软件具有更强大的地形分析功能，可以进行更复杂的地形特征提取和分析。

地形特征提取与分析可以帮助我们更好地了解地球表面的地形变化和分布规律。

通过分析地形特征，可以发现地球表面的地形类型和形成机制，并为地质研究、土地利用规划、环境保护等提供科学依据。

例如，通过分析地形坡度和高度差等特征，可以划定不同地形类型的边界，并对不同地形类型的自然资源和生态环境进行评估和保护。

此外，通过分析地形特征还可以预测地质灾害的潜在位置，例如山体滑坡、地震断层等，从而为地质灾害风险评估和防灾准备提供参考。

总之，基于高分辨率DEM的地形特征提取与分析是一项重要的地理研究工作。

通过提取和分析地形特征，可以深入了解地球表面的地形变化和分布规律，并为地质研究、土地利用规划、环境保护等提供科学依据。

随着技术的不断发展，高分辨率DEM的应用将进一步推动地形特征提取与分析的发展，为人类认识地球表面提供更丰富的信息和理解。

基于 DEM 的青海省西宁市地区河网流域特征自动提取

基于 DEM 的青海省西宁市地区河网流域特征自动提取
常周梅;胡建桥;张丽娟
【期刊名称】《水利与建筑工程学报》
【年(卷),期】2016(014)004
【摘要】为获得青海省西宁市地区的河网特征，应用 ArcGIS10软件中的水文分析工具，基于美国联邦地质调查局（USGS）的 SRTM3 DEM 数字高程模型数据提取了研究区域水流流向、汇流累计量及河网水系等流域特征信息，进行了河网分级及子流域划分，并将提取结果与研究区遥感影像图进行对比。

结果表明：基于DEM 数据提取河网流域特征与实际自然水系的特征较为吻合，可作为一种流域水文分析的优良方法。

研究结果可以为流域规划及流域综合治理提供参考。

【总页数】5页(P31-35)
【作者】常周梅;胡建桥;张丽娟
【作者单位】青海民族大学建筑工程学院，青海西宁 810007;陇东学院土木工程学院，甘肃庆阳 745000;青海民族大学建筑工程学院，青海西宁 810007
【正文语种】中文
【中图分类】P208
【相关文献】
1.基于DEM的应急水文事件流域特征自动提取 [J], 李蓉
2.基于DEM的流域河网信息自动提取算法 [J], 刘永和;张万昌
3.基于DEM对元谋干地区河网流域及农业区位的研究 [J], 胡小祥
4.基于DEM克里金插值模型选取及参数计算研究
──以青海省可可西里五道梁地区为例 [J], 白冰源;程耀瑜
5.河网径流节点及其基于DEM的自动提取 [J], 易红伟;汤国安;刘咏梅;杨昕;朱红春
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ArcGIS环境下基于DEM的流域特征提取

第 4期
王玉富等 : A rcG IS环境下基于 DEM 的流域特征提取
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2) Sink : 以 ( 1)的结果作为输入 , 识别出所有的洼地 ( S inks) ; 3) W atershed : 找出洼地的影响区域 ; 4) Zona l F ill(位于 A rcT oo lb ox \ Spatial A na ly stT ools \Zona l\下 ) : 用于找出洼地最深深度; 5) Zona lS ta tistics(位于 A rcT oo lbox \Spatia l Ana ly st T ools \Zona l\下 ) : 用于找出洼地最浅深度; 6) M inus( 位于 ArcToo lb ox \ 3D Ana ly st T oo ls\Raster M a th \ ) 下: 求出最深与最浅洼地的差值. 进行完以上操作后, 即可完成洼地填充的处理 , 生成的数据称为无凹陷栅格数据 ( Depressio nless DEM ) . 3 . 2 水流方向计算对于每个网格, 水流方向是指水流离开此网格时的指向. 确定流向的算法主要有单流向算法 ( S i m ple F low D irectio n , SFD )和多流向算法 ( M ultip le F low D irection , MFD) 两种 , 其中单流向算法因其简单方便而得到广泛的应用. 单流向法假定一个网格中的水流只从一个方向流出网格, 然后根据网格高程判断水流方向 . 目前应用最广泛的单流向算法是 D8算法 . D8 算法中 , 对水流离开每一网格的方向简化为正东、东南、正南、西南、正西、西北、正北、东北 8个方向 , 并依次用代码 1 , 2 , 4 , 8 , 16 , 32 , 64 , 128 来表示, 如图 2 所示. 无洼地的 DEM 上每一个网格的水流方向都是唯一的, 一个网格的水流方向编码取且仅取这 8 个数字中的 1 个. 水流的流向是通过计算中心网格与邻域网格的最大距离权落差 ( 最大坡降法 ) 来确定 . 距离权落差是指中心网格与邻域网格的高程差除以两网格间的距离, 网格间的距离与方向有关 , 如果邻域网格对中心网格的方向值为 1 , 4 , 16 , 64( 即平行于坐标轴的 4 个方向 )则规定两网格的距离为 1 , 其他方向的距离为 2 , 其具体计算步骤如下: 1) 在 A rc M ap 中用左键单击 ArcToo lbox 图标, 启动 A rcT oo lb ox; 图 2 水流方向编码 2) 打开水文分析模块. 启动 A rcT oo lb ox, 展开 Analysis Too ls工具箱 , 打开 hydro logy F ig. 2 T he d irection offlo w encod ing 工具集 ; 3) 双击 F low D irectio n 工具 , 打开水流方向 ( F low D irect ion) 计算对话框. Input surface data 文本框中选择输入数据 dem; Output flow direction raster文本框中命名计算出来的水流方向文件名为 flowd ir , 并选择保存路径; 在 Force a ll edge cells to flow outw ard( Optional) 前的复选框前打钩 , 所有在 DEM 数据边缘的网格的水流方向全部是流出 DEM 数据区域. 默认为不选择; drop raster输出 . drop raster是该网格在其水流方向上与其临近的网格之间的高程差与距离的比值, 以百分比的形式记录 . 它反映了在整个区域中最大坡降的分布情况; 单击 OK, 进行水流方向计算过程. 3 . 3 汇集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而来的. 对每一个网格来说 , 其汇流累积量的大小代表着其上游有多少个网格的水流方向最终汇流经过该网格, 汇流累积的数值越大 , 该区域越易形成地表径流. 一个流域的汇流累积量计算是提取该流域河流网络的基础. 流域内一个网格的汇流量反映了其汇聚水流能力的强弱. 一个网格的汇流累积量越大 , 其汇流能力也就越强, 该网格所代表的地形特征就有可能是河谷 ; 反之, 汇流累积量为零的地方则可能代表流域的分水岭. 汇流累积量计算的基本思想是 , 假设以规则格网表示的 DEM 上每个网格有一个单位水量 , 按照水往低处流的自然规律 , 根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值, 从而得到该区域汇流累积量. 通过水流方向图能够计算出所有网格的汇流累积量, 输出的汇流累积量图上每一个网格单元的值就代表着注入该网格单元的单位水量的数量, 其值越高注入水流越多. 由水流方向数据到汇流累积量计算的过程如图 3所示. A rcG IS 中汇流累积量计算步骤为: 打开 F ill Accumu lation 工具 , 以 F low D irec t io n工具生成的栅格数据作为输入 , 即可得到汇流累积量数据 . 其中 , 可选项 Input W e igh t R aster 用于施加降雨量、蒸发量等外部因素的影响, 默认赋值为 1 . 图 3 汇流累积计算过程 F ig . 3 Cum ulative 3 . 4 对汇流设置阈值 calew lation converg ence 在汇流累积图中 , 每一个网格的汇流累积量代表着能够注入该网格的所有单

利用ARCGIS实现滇池SRTMDEM数据的流域特征自动提取研究

DOI：CNKI:11-4415/P.20101119.1813.011 网络出版时间：2010-11-19 18:13网络出版地址：/kcms/detail/11.4415.p.20101119.1813.011.html利用ARCGIS实现滇池SRTM DEM数据的流域特征自动提取研究余杰①，左小清①，唐从国②（①昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093；②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，贵阳550002）【摘要】以滇池流域为试验对象，在NASA发布的3弧秒SRTM DEM数据的基础上，运用Arc Hydro Tools 进行流域特征的提取，结果表明，以3弧秒的SRTM数据为基础提取的流域河网与水利部门提供的数字河网基本相符，而提取的流域面积与实际流域面积十分接近，显示了SRTM DEM数据在中小型湖泊流域地表水文模拟方面的优势。

【关键词】SRTM DEM；自动提取；流域特征；河网【中图分类号】P231.5 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307（2011）02- -Realizing automatic extraction of Dianchi Lake watershed characteristics based on STRM DEM byArcGISAbstract: In this paper, taking the basin of Dianchi Lake as an example, based on 3〞SRTM DEM which was issued by NASA, the watershed characteristics could be extracted automatically by Arc Hydro Tools. The results showed that the river network was in accord with the digital river network which was obtained from the Water Department, and the extraction of drainage was close to the actual drainage area. It indicated the advantage of SRTM DEM in hydrologic simulation of the surface for small lake basin.Key words: SRTM DEM; automatically extracting; watershed characteristic; river networkYU Jie, ZUO Xiao-qing, T ANG Cong-guo（①Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; ②State Key Laboratory of Environmental Geochemistry, Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China）1 引言自20世纪50年代后期DEM (Digital Elevation Model) 的概念一经提出就受到极大关注，作为一种独立产品的DEM已经在一定程度上替代了等高线在传统地形图中的作用，因其包含了丰富的地形、地貌、水文信息，能够反映各种分辨率的地形特征，可以提取大量的地表形态信息，在测绘、土木工程、地质、矿山工程、景观建筑、道路设计、防洪、农业、规划、军事工程、飞行器与战场仿真等领域得到广泛应用[1]。

基于DEM水系提取方法

基于DEM水系提取方法DEM（Digital Elevation Model）是一种数字高程模型，用于描述地球表面的地形起伏。

水系提取方法基于DEM数据，通过分析地势和水流方向，可以准确地提取出水系网络和水体边界。

本文将详细介绍基于DEM水系提取方法的原理和步骤。

首先，基于DEM数据，我们需要进行预处理，包括获取DEM数据、填补数据空洞以及进行地形平滑等操作。

常用的DEM数据获取方式有激光雷达测量、航空摄影测量和遥感数据等。

填补数据空洞可以使用插值算法，如克里金插值和反距离权重法等。

地形平滑可以通过滤波处理，例如均值滤波或高斯滤波。

接下来，我们需要计算流向和流量，即确定DEM中每个像元的水流方向和流量大小。

常用的算法有D8算法和D∞算法。

D8算法将每个像元的流向限制在了8个方向（上、下、左、右和四个对角线），适用于山地区域。

D∞算法则根据最大的坡度确定流向，适用于平坦区域。

流量大小可以通过计算坡度和路径长度的乘积获得，即流量=坡度*路径长度。

然后，根据计算得到的流向和流量数据，我们可以进行水系提取。

通常采用的方法是定义一个阈值，将流量大于或等于该阈值的像元作为水系的起算点，然后通过追踪每个像元的流向，逐步延伸水系网络，直到达到水体边界或流量小于阈值为止。

水体边界可以通过判定水体与非水体之间的高差来确定，一般称为水位线。

最后，为了使提取的水系与实际情况更加贴近，我们还可以进行水系修正和验证。

修正的方法有两种，一种是根据实地调查数据对提取的水系进行修正，另一种是通过对比提取的水系与真实水系，利用机器学习算法进行修正。

验证的方法包括水系极密度评价指标和多尺度分析等。

水系极密度评价指标可以通过计算水系长度及其与实际河网长度之比来评估提取结果，多尺度分析则是将DEM数据按不同的分辨率进行水系提取，并对比不同尺度下的提取结果。

综上所述，基于DEM水系提取方法是一种通过分析地形和水流方向来提取水系网络和水体边界的方法。

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［3］（distributed subcatchment properties ，即对于每个点，该特征的取值都不同，可以通过数据精简模型求取［2］
在提取单一信息的过程中有很多问题需要解决，例如流向的确定、不连续河道的连接、洼地和平原区的处理等。而对于分布式流域特征的提取，主要影响因素就是流域特征的物理概念和提取方法。对这些流域特征的提取方法，本文将作简单的介绍和对比。
［3］样就会丢掉很重要的地形特征信息。与此同时，
图1 Fig. 1
相邻三角面
这种方法无法克服 DEM 中错误数据的干扰，并会导致山谷延伸到太高的地方，与自然现象不符的结
［2］果。［16］提出了基为了解决这些问题， 1990 年 Tribe 于 CarroII 方法的新发展，导入了起始坡度的概念，用
［4］
。
"
收稿日期：修回日期： 2002-05-13； 2002-10-10. 基金项目：国家重点基础研究发展规划项目 “我国生存环境演变和北方干旱化趋势研究” （编号：资助 . G199043400）作者简介：李丽（1978-），女，河南济源人，硕士研究生，主要从事水文水资源研究 . E-mail： IIwjh@ 163 . com
1
流向判断
流向判断是建立在 3 X 3 的 DEM 基础上的，虽然进行流向判断的方法有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确定简单、应用方便而应用最广，关于单流向的确定也出现了多种方法，在这方面有较多的参考文献。
整个流域中最具代表性的值）的提取研究上，如子流域长度、坡度、河网密度等的研究计算，其计算方法也是各有千秋，但却都有赖于单一信息的提取
252 !.! 单流向法
地球科学进展
第 1Байду номын сангаас 卷
的水流流入和流出的点。用该法可以进行连续的流向判断，即每个中心网格流向的取值范围都从 0 ~ 2 。 ! 但它仍然存在着将二维的水流源简化为点源，将二维的水流路径简化为一维的线来处理的问题。 1.1.3 DEMON 法［9］提出了 DEMON （ DigitaI 1994 年 Costa-CabraI 等法。该方法中充分考虑了 EIevation MokeI Networks）
单流向法假定一个网格中的水流只从一个方向流出网格，然后根据网格高程判断水流方向，再由得出的流向栅格进行更进一步的信息提取，如河网、边界线、子流域长度和坡度等。目前应用最广泛的单流向法是 D8 法。此外，还有 Rho8 方法、 DEMON ［9］法和 D 法等，下面将分别介绍。 1.1.1 D8 法 D8 法假设单个网格中的水流只有 8 种可能的流向，即流入与之相邻的 8 个网格中。它用最陡坡
［7］
这样一个现实：水流是二维地均一地起源于某个网格表面，而不是从水流中心开始，水流路径的宽度也是可变的，并非单网格宽。它用高程张量来表示流向，进而计算水流路径的宽度。但是该方法的假设仍然基于一个合适平面的选择，选择该平面必须考虑 4 个点（即 3 X 3 窗口的 4 个角）。而事实上 3 个点就可以确定一个平面，故而所选择的最合适的平面也不一定能经过 4 个角的高程，这种不一致的平面有可能导致不一致的甚至相反的流向。 1.1.4 D 法［8］基于以上问题的考虑，综合 1997 年 Tarboton 了 Lea 方法和 DEMON 方法提出了 D 法，用三角面来代替平面的应用，如图 1 所示，每个网格点有 8 个相邻三角面，坡度最陡的三角面的坡向即为中心点的水流方向，它也可以连续地在 0 ~ 2 其 !之间取值，计算如下：如图 2 所示，三角面向下坡度是（ S1，，其中： S2）（ e0 - e3） S1 = / d1 （ e3 - e6） S2 = / d2 这里 ei 是高程。那么：坡向
象来判断能否将不连贯的谷线连接起来的方法，但并未谈到这 8 个限制条件如何选择，也未描述所产生的结果对这些限制的敏感性。于是， 1992 年
［2］又提出了一种简单的方法，即用谷线片段间 Tribe 的间隙阈值判断 2 条谷线片段能否交汇。虽然这些
是中心网格与其周围的 8 个网格之间的关系，其产流仍然是点源，水流路径也是一维的线，由中心网格中心点指向相邻网格中心点，唯一的不同就是将水流按坡度的比例分散地分配给高程较低的相邻网
第 18 卷第 2 期 2003 年 4 月文章编号：（2003） 1001-8166 02-0251-06
地球科学进展 ADVANCE IN EARTH SCIENCES
VoI. 18 No. 2 Apr. ， 2003
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［11］
依次计算 8 个三角面的坡度、坡向，选出坡度最大的三角面，取其坡向# 而上游集水面 r 为水流方向， $ $ 积的计算则按流向与 OA 、（如图 3）的接近程度， OB 将中心网格的集水面积分配给网格 A、 B。 !." 多流向法
［12］多流向法的提出比较晚， 1991 年由 Ouinn 等提出，但它的应用比较少。这种方法所考虑的仍然
［2］的方法，如用仿样曲线法寻求高程极小值或者梯 17］度极小值的方法等。1990 年，对谷线片段的 Oian 等［连接进行了研究，提出了依据 8 个测试所产生的迹
Gradient of triangular planes
图3 Fig. 3
集水面积分配
Distribution of catchment area
［5］个或 2 个以上的网格）的河网。目前应用最广泛［6］的方法仍然是 1984 年由 Mark 等提出的提取流域特征的 TOPAZ （ Topographic PArameteriZation）方法，该［7］方法中生成河网采用的是 D8 法。后来发展起来［8］的流向判断方法还有多流向法和 Lea 方法等。
通过根据 Lea 方法对上述方法进行了改进，当地坡向角确定水流路线，解决了水流路径的问题。 Lea 方法认为水流是在最陡坡方向经过每个地形表面的滚动的球（所假设的点源），而每个中心网格表面都是最适合该最陡方向网格高程的平面，水流方向用该平面的坡向来确定。水流则依据每个网格的坡向角，沿不同方向的直线片段所组成的路径向下游流出。这种算法模拟了沿水流路径的每个网格周界上
［9］是下游就会因为越来越多的积聚而不断出错。
S=
1 如果 r " （0，），那么： tan -（ d2 / d1）若 r < 0， r = 0， S = S1
若
1 r > tan -（ d2 / d1） 1 r = tan -（ d2 / d1） 2 （ e0 - e6） S= 2 + d1 !d2
中图分类号： P333
0
引
言
（ DigitaI EIevation 20 世纪 50 年代后期以来， DEM 在测绘、土木工程、地质、矿山工程、景观建 ModeI）筑、道路设计、防洪、农业、规划、军事工程、飞行器与
［1］战场仿真等领域取得了广泛应用。在水文模拟领
Coterminous triangular planes
斜面坡度阈值来限制所识别的网格是否谷点，即要判断 V 型剖面的坡度是否大于斜面坡度阈值，只有
图2 Fig. 2 三角坡度
大于该值才可确定所研究网格为谷点。他还提出，不仅要判断相邻的 8 个网格，还要判断沿着每个剖面的网格，才能最后确定谷点。但这样得出的谷点有些并不能连接成线，有些是不连续的谷线片段，需要重新将其连接成网状。除了这种方法之外，还有别的提取谷点和谷线
第2期
李丽等：基于 DEM 的流域特征提取综述
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的方法，他除了对比东西、南北方向外，还对比了对角线剖面，以识别谷点。但用这样的方法识别谷点，会漏掉面积较大的山谷。因为目前 DEM 的垂向分辨率是很有限的，在 DEM 中大山谷的底部几乎是平坦的，自动识别程序不能将其划为山谷的一部分，这
［10］法对流向的可能性的限制，提 1991 年 FairefieIk 等出了 Rho8 方法来解决这一问题。
1.1.2
Rho8 法和 Lea 方法 Rho8 法根据网格所在表面的坡向来确定流向，
从而解决了 D8 法中 8 个流向的限制，以及由可能流向的限制引起的流向错误。但该方法除了这一点外并不能够解决其它的问题（如点源、一维水流路径等），而且还引出了新的问题，如：它的随机性不能确保所产生结果的再生性（ reprokucibIe resuIts，即所产生的结果不一定能用来进行进一步的提取和计算工作）；在应该有平行水流产生的地方，相邻的水流并非一直平行，而是随机地摆动着，因此常常会彼此相交；在水流应该平行的平原地区，上游水流往往会在某些网格不断相交；一旦 2 条水流路径因为它们的随机摆动而相交，就没有其它的方法使它们分离，于
1 ，坡度 r = tan -（ S2 / S1） 2 S2 1 + S2 ， !
度法来确定水流的方向，即在 3 X 3 的 DEM 网格上，计算中心网格与各相邻网格间的距离权落差（即网格中心点落差除以网格中心点之间的距离），取距离权落差最大的网格为中心网格的流出网格，该方向即为中心网格的流向。该方法对自然状态的水流方向进行了极大的概括，认为网格的产流是点源（即网格中心点），河道则用一维的线来描述，也删掉了水流方向的无穷多种可能性，概括为 8 种可能流向，所以称之为 D8 法。但由于该法对 DEM 的处理和应用简单，故而实用性强，应用范围也很广。为了解决该