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基于DEM提取的中国流域、河网数据集

作者: 陈斌

关键词:

水文;流域;数字高程模型

数据说明:

        21世纪以来,随着社会经济的发展,水资源短缺问题已经成为人们日益关注的焦点,深入了解水资源的空间分异格局以及时空演变规律,挖掘水资源的潜力,充分利用和合理调配水资源是今后流域管理的重点。

        DEM是数字高程模型的英文简称(Digital Elevation Model)是流域地形、地物识别的重要原始资料。DEM的原理是将流域划分为m行n列的四边形(CELL),计算每个四边形的平均高程,然后以二维矩阵的方式存储高程。由于DEM数据能够反映一定分辨率的局部地形特征,因此通过DEM可提取大量的地表形态信息,这些信息包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元格之间的关系等。同时根据一定的算法可以确定地表水流路径、河流网络和流域的边界。因此从DEM提取流域特征,一个良好的流域结构模式是设计算法的前提和关键。

        中国流域河网数据集主要采用125万地形图建立地面分辨率为100m的栅格DEM,经过以下预处理:(1)数字化125万地形图中的等高线属性,建立地形等高线数字化矢量图;(2)建立空间拓扑关系和地图投影坐标系统,采用双标准纬线等面积割圆锥投影,中央经线为105°E,双标准纬线分别为25°N和47°N,采用KRASOVSKY椭球体;(3)采用三角化不规则网(TIN)方法,将矢量等高线图转成TIN数据结构,并进行空间插值;(4)将TIN数据结构转换成格网结构(Lattice);(5)对格网数据进行重采样,建立100m分辨率的DEM数据。

        由于全国DEM数据量较大,不可能在全国范围内提取流域,本数据集采取按一级流域分割然后在每一个一级流域内分别提 取大于100km2子流域的操作流程进行。对100m分辨率的分省DEM数据进行重采样生成1km分辨率的DEM数据,并合并成1km分辨率的全国DEM数据,为下一步在全国范围内提取一级流域奠定基础。从DEM提取流域界线,首先要对地形中的洼地(Sink)和尖峰(Pink)进行处理,洼地和尖峰的存在使得在计算水流方向时会出现水流逆流的情况,给水流线的跟踪和流域界线的确定带来困难。处理时我们采用ARC/INFOGRID模块下的FILL命令来填洼和削峰。该过程由计算机扫描DEM矩阵来确定洼地和尖峰单元格。洼地单元格指相邻8个单元格高程都不低于本单元格高程的单元格,尖峰单元格指相邻8个单元格高程都不高于本单元格高程的单元格,当遇到洼地和尖峰单元格时就用最临近单元格的值来替代。

中国流域河网数据集根据国家重点科技攻关项目97-759-06课题,子专题“全国水资源综合数据库空间集成”(中国水利水电科学研究院承担)的研究成果将全国划分为九大流域片,通过与利用上述技术提取的全国一级流域对比分析发现,在1km DEM基础上生成的全国一级流域界线与97-759的研究成果吻合性很好。为下一步提取子流域的方便,我们参照97-759的研究成果,将全国划分为14个流域片,其中长江流域片和内陆河片因空间范围广大,DEM数据量巨大,直接在上面提取所有子流域有一定困难,因此将其再次分割为两片;台湾和海南直接作为两个较小的流域片在上面提取子流域。子流域提取的过程如下:从河谷单元或孤立的洼单元开始,向上游搜索所有流向该单元的单元,这些单元构成以开始单元为流域出口的子流域。因此提取子流域的第一步是确定所有的流域出口,利用STREAMLINK()函数来确定流域出口,STREAMLINK()函数利用上面建立的河流网络,将河流沟谷交叉点自动标记为流域出口。流域出口找到后,利用WATERSHED()函数在水流方向栅格上可以很方便地确定所有子流域。提取过程充分利用了GIS软件ARC/INFOGRID中的水文分析模块,为了进一步提高操作的自动化程度,我们设计了全国流域提取的AML程序,有关程序代码如下:

GRID           /*切换到 ARC/INFO GRID 模块

FILL dem1 dem1-f sink      /*填洼

FILL dem-f dem-f peak      /* 削峰

Dem-dir=FLOWDIRECTION(dem-f)      /*建立水流方向栅格

Dem-a=FLOWACCUMULATION(dem-dir)      /*产生流域汇流栅格

Dem-b1=BASIN(dem-dir)             /*确定一级流域边界

Dem-net=CON(dem-a>10000,1)          /*确定河流网络

Dem-out=STREAM LINK(dem-net,dem-dir)        /*产生流域出水口

dem-b2=WATERSHED(dem-dir,dem-out)       /* 确定子流域边界

Dem-b=SELECT(dem-b2’count>10000’)    /* 选择大于 100km2 的流域

Dem-bc=GRIDPOLY(dem-b)       /*将流域GRID 转换为 COVERAGE

        本数据集为实现全国范围内流域空间特征与站点观测数据的综合管理、分析,以及水文水资源信息的空间可视化浏览、查询、统计分析和水文模型的应用分析奠定了基础。GIS环境下基于DEM的流域特征自动提取避免了编写程序代码的复杂过程,节省了大量的人力、物力。从提取效率和数据精度两个方面来看都是切实可行的。

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