多源DEM数据在山区流域河网提取中的对比.pdf
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1、中国农村水利水电China Rural Water and H多源DEM数据在山区流域河网提取中的对比董吴欣1,施召云2,李铭3,郑永胜2,王锐3,张海龙2,虞美秀1,陈炼钢4(1.河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098;2.雅砻江流域水电开发有限公司,四川 成都 610051;3.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072;4.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029)摘要:针对何种DEM数据更适合山区流域的河网提取,选择长江上游与珠江上游的山区流域,以ALOS 12.5 m DEM、ASTER 30 m GDEM与
2、SRTM 90 m DEM为基础数据,基于Arcpy提取研究区域河网,通过河网套合差、Arc Hydro Tools对提取结果进行修正与评价,探讨山区流域最佳集水面积阈值的选择与地形特征对数字河网提取的影响。结果表明:分辨率为12.5 m的ALOS DEM河网套合差最小,能更真实地反映山区流域的水系发育程度;通过Arc Hydro Tools修正DEM数据,3种DEM的河网套合差均减小,可明显提高河网的提取精度;基于均值变点分析法确定研究区最佳集水面积阈值,ALOS DEM的最佳集水面积阈值为20 000,ASTER GDEM与SRTM DEM为500;大起伏山地有利于河网的提取,ALOS D
3、EM提取效果最佳。因此,经过修正的ALOS DEM提取流域水系效果最佳,成果可为山区流域提取水系提供一定的参考和借鉴。关键词:数字河网提取;DEM修正;均值变点分析法;山区流域中图分类号:P332;P208;TV211 文献标识码:A DOI:10.12396/znsd.222466董吴欣,施召云,李 铭,等.多源 DEM 数据在山区流域河网提取中的对比 J.中国农村水利水电,2023(8):150-156.DOI:10.12396/znsd.222466.DONG W X,SHI Z Y,LI M,et al.Comparison of multi-source DEM data in ri
4、ver network extraction in mountain watershedJ.China Rural Water and Hydropower,2023(8):150-156.DOI:10.12396/znsd.222466.Comparison of Multi-source DEM Data in River Network Extraction in Mountain WatershedDONG Wu-xin1,SHI Zhao-yun2,LI Ming3,ZHENG Yong-sheng2,WANG Rui3,ZHANG Hai-long2,YU Mei-xiu1,CHE
5、N Lian-gang4(1.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu Province,China;2.Yalongjiang River Basin Hydropower Development Co.,Ltd,Chengdu 610051,Sichuan Province,China;3.PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited,Chengdu 610072,Sichuan Province,China;4.S
6、tate Key Laboratory of Hydrology,Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,Jiangsu Province,China)Abstract:To determine which DEM data are more suitable for river network extraction in mountainous river basins,this paper selects mountainous river b
7、asins in the upper reaches of Yangtze River and Pearl River,including the Liqiu River Basin,the Zagunao River Basin,the Heshui River Basin,the Gantangjiang River Basin,and the Lijiang River Basin above the Darongjiang River Hydrological Station,and uses ALOS 12.5 m DEM,ASTER 30 m GDEM and SRTM 90 m
8、DEM as the base data.The extraction of the river network in the study area is based on Arcpy,and the extraction results are corrected and evaluated by the river network ensemble difference and Arc Hydro Tools to explore the influence of the selection of the optimal catchment area threshold and topog
9、raphic features on the extraction of the digital river network in mountainous watersheds.The results show that:ALOS DEM with 12.5 m resolution has the smallest river network ensemble differ文章编号:1007-2284(2023)08-0149-08收稿日期:2022-12-05基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFC3202000),广西重点研发计划项目(AB22080093,AB22035075)。
10、作者简介:董吴欣(1999-),男,硕士研究生,研究方向为水文学及水资源。E-mail:。通讯作者:陈炼钢(1981-),男,正高级工程师,博士,研究方向为生态水文与水资源保护。E-mail:。水环境与水生态149多源DEM数据在山区流域河网提取中的对比 董吴欣 施召云 李铭 等ence,which can reflect the degree of water system development in the mountainous watersheds more realistically,and the river network ensemble differences of ALO
11、S DEM in the Liqiu River Basin,the Zagunao River Basin,the Heshui River Basin,the Gantangjiang River Basin and the Lijiang River Basin above the Darongjiang River Hydrological Station are 0.380%,0.275%,0.312%,1.374%and 0.873%.By correcting the DEM data with Arc Hydro Tools,the river network ensemble
12、 differences of the three DEMs are reduced,which can significantly improve the extraction accuracy of the river network,and the extraction effect of ALOS DEM before and after correction is optimal and applicable to different river basins.The SRTM 90 m DEM is still better than the ASTER 30 m GDEM in
13、the upper Li River Basin and the Li River Basin after correction,while the accuracy of the ASTER 30 m GDEM is higher in the Zaguzhong River Basin,the Heshui River Basin and the Gantang River Basin after correction;the coefficient of determination of the SRTM DEM is 0.930 2 in the upper Li River(the
14、Li River basin above the Da Sol River Hydrological Station),and the coefficient of determination of the ALOS DEM in the Zaguzhong River Basin is 0.985 4.The coefficient of determination for the rest of the conditions is more than 0.99,which indicates that the correlation is good.Based on the mean-va
15、riable point analysis method to determine the best catchment area threshold for the study area,the best catchment area threshold is 20 000 for ALOS DEM and 500 for ASTER GDEM and SRTM DEM;The large undulating hills are favorable for river network extraction,and the DEM correction converts some water
16、sheds into large undulating hills favorable for river network extraction,and the ALOS DEM has the best extraction effect.Therefore,the modified ALOS DEM extracts the watershed water system with the best effect,and the results can provide some reference for the extraction of water system in mountaino
17、us watersheds.Key words:digital river network extraction;DEM correction;mean change point analysis;mountain watershed0引 言数字高程模型(Digital elevation model,DEM)1中包含流域的高程、坡度等信息,根据这些信息可以提取流域内的水系,DEM 提取水系的方法有 ArcGIS水文模块、Arc SWAT、Arc Hydro Tools 等。随着地理信息系统(GIS)的快速发展,多位学者2-4提出参数优化分析、影像与DEM融合等方法以期提高流域水系提取精度。D
18、EM 的分辨率是影响水系提取的重要因素5,6,不同分辨率的DEM有不尽相同的地形特征信息会影响水系的提取。此外,集水面积阈值的选取影响水系提取质量7,8,研究表明可采用河网密度法、均值变点分析法、水系分维法等确定最佳集水面积阈值。迄今为止,已有学者基于DEM数据对流域水系提取进行研究,但多是针对特定区域特定的DEM数据;随着DEM数据源的增多,针对何种DEM数据提取的水系精度更高且适用于不同的流域,少有学者开展相关的对比研究。鉴此,本文针对山区流域,选择长江上游山区及珠江上游山区作为研究对象,基于 ALOS 12.5 m DEM、ASTER 30 m GDEM与SRTM 90 m DEM采用A
19、rcpy针对不同流域选用不同集水面积阈值集合提取河网并评价精度,而后通过 Arc Hydro Tools结合蓝线河网修正DEM,从而遴选出高适性的DEM数据开展山区流域河网的提取。1研究区域概况与数据来源1.1研究区域概况长江上游山区流域选择了雅砻江力丘河流域、岷江杂谷脑河流域与金沙江黑水河流域。力丘河流域属亚热带季风气侯,发源于四川省甘孜藏族自治州康定市,平均比降10.18,平均海拔4 125 m,河长194 km,流域面积5 892 km2。杂谷脑河流域属亚热带季风气侯,发源于四川省阿坝藏族羌族自治州鹧鸪山,平均比降 18,平均海拔 3 657 m,河长 168 km,流域面积 4 174
20、 km2。黑水河流域属金沙江干热河谷地带,发源于四川省凉山彝族自治州,平均比降13.5,平均海拔2 327 m,河长192 km,流域面积3 618 km2。珠江上游山区流域选择漓江流域的大溶江水文站以上的河源山区及支流甘棠江。漓江流域属亚热带季风气候区,大溶江水文站以上的漓江上游建有斧子口水库与川江水库,平均海拔 565 m,总流域面积 728 km2。甘棠江为漓江支流,河长 60 km,平均海拔428 m,流域面积784 km2,甘棠江上游建有青狮潭水库,为广西最大的水库。1.2数据来源本文收集并分析了 3 种 DEM:ALOS PALSAR RTC HIGH RES 12.5 m DEM
21、、ASTER 30 m GDEM 和 SRTM 90 m DEM数据。ALOS(Advanced Land Observation Satellite)卫星发射的 L波段微波可穿透植被表层,获取全天候高精度的高程数据9。ALOS PALSAR RTC HIGH RES DEM空间分辨率为12.5 m,坐标系为UTM投影,来源于美国国家航空航天局(https:/earthdata.nasa.gov/),其获取时间为2006-2011年。ASTER GDEM(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global
22、Digital Elevation Model)是通过光学立体摄影测量获取的数据产品10,空间分辨率为30 m,坐标系为WGS84,来源于地理空间数据云(http:/ Radar Topography Mission)DEM 不受天气现象的干扰,但对地表覆盖物较为敏感11。SRTM DEM空间分辨率为90 m,坐标系为WGS84,由2000年航天飞机拍摄获取,研究采用的数据来源于地理空间数据云(http:/ 董吴欣 施召云 李铭 等行步骤见图2,其原理如下:首先将裁剪过的DEM进行填洼和削峰,目的是移除数据中的异常点,避免出现河网断裂的情况;而后使用D8算法,在33的网格上以最陡坡度确定水流方
23、向并形成流向图;流量则为既定水流方向汇入栅格的累积量。以最佳集水面积阈值提取水系信息并矢量化,划分子流域,最终形成流域图。2.2提取结果精度评价河网套合差是数字河网与蓝线河网叠加产生的细碎多边形面积与流域总面积的比值。选用河网套合差评价河网提取精度,河网套合差(D)小,则代表提取的水系与流域真实水系吻合度高。图1研究区域概化图Fig.1 Outline of the study area表1研究数据基本信息Tab.1 Basic information of research data数据名称ALOS DEMASTER GDEMSRTM DEM坐标系UTMWGS84WGS84空间分辨率/m12
24、.530.090.0数据来源美国国家航空航天局地理空间数据云地理空间数据云图2基于Arcpy的河网提取Fig.2 Arcpy-based river network extraction151多源DEM数据在山区流域河网提取中的对比 董吴欣 施召云 李铭 等D=AiS(1)式中:D为河网套合差,%;Ai为细碎多边形面积,km2;S为流域总面积,km2。2.3最佳集水面积阈值的确定集水面积阈值影响数字河网提取的疏密程度,为减小主观误差,采用均值变点分析法确定最佳集水面积阈值。其分析步骤如下:针对n(n2)序列,变点Xi(i=1,2,n)将序列分为两段,计算两段序列的离差平方和并叠加得到Si,总样
25、本离差平方和S与Si的差值的最大值点为最佳集水面积。Si=t1=1i-1(xt 1-x i 1)2+t2=in(xt 2-x i 2)2(2)S=i=1n(xi-x)2(3)式中:x i 1、x i 2、x 分别为变点左侧平均值、右侧平均值和样本总体平均值;Si为变点两侧离差平方和之和;S为总样本离差平方和。2.4基于Arc Hydro Tools的DEM修正Arc Hydro Tools模型基于GIS平台研发兼具地形处理与流域处理两大功能,研究采用地形处理中的DEM修正模块(DEM Reconditioning)修 正 不 同 类 型 DEM。DEM 修 正 模 块 采 用AGREE 算法,
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