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srtm dem数据提取河网方法及影响因素研究
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资源描述：第22001 0 期 年1月 计算机技术与发展 COMPUTER TECHNOI Y AND DEVEL0PMENT Vo1．20 No．】 Jan． 2010 SRTM DEM数据提取河网方法及影响因素研究 杨 勇 一，徐恺 一，杨静学 一，王云鹏 (1．中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室，广东广州510640； 2．中国科学院研究生院，北京100049) 摘要：从数字高程模型(Digital Elevation Models，ⅨM)直接提取河网及相关流域信息，是分布式水文模型开发与应用的 基础。珠江三角洲地区是中国经济最发达的地区之一，是世界上公认范围最大、结构最复杂的网河流域。研究该地区河 网分布及流域特征，对于流域的整体规划和水资源的有序配置具有重要意义。文中首先讨论了基于栅格DEM取流域河 网水系特征信息的基本方法；然后基于SRTM DEM数据，以珠江三角洲地区为例给出了利用Arc／Info实现河网提取的具 体步骤，实现了大范围区域内的流域特征信息的快速提取；最后对比分析珠江三角洲分流域河网特征。 关键词：河网；数字高程模型；珠江三角洲；SRTM 中圈分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：X(01—04 Method and Study of Impacting Factors for Extracting River Channel Network from SRTM DEM Data YANG Yong ，一，XU Kai ，一，YANG Jing—xue ．一，WANG Yun-peng (1．State Key Laboratory of Organic Geoch~nistry，Guangzhou Institute of Geochemistry， Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China； 2．Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China) Abstract：River network and related watershed information directly derived from DEM is the basis of development and application of dis— tributed hydrological models． 1e Pearl River Delta i~'ea is one of the most developed economy&l'ea of China．and one of the larg~t net —river an with complex structure in the world．The studies of distributed river network and watershed&re very important to the wa． tershed plan and water resource optimization and utilization．Firstly digcu~sed the basic method of extracting river channel network of wa． tershed based on grid DEM data．then introduced the detailed procedures of river channel network extraction by using a GIS~oftware Arc~nfo and presented a case study in Pearl River Delta area for rapid extracting fiver channel characteristic information in b堰e—scale areas．Finally。the characteristics of river channel network at sub—watemheds of Pearl River Delta area were mmp~ed． Key words~river channel network；digital elevation model：pearl river delta；SRTM O 引 言 流域河网水系是重要的基础地理要素之一，也是 一个基本的水文参数，是描述一个地区地理地貌和水 文特征不可获取的条件。珠江三角洲是中国经济最活 跃的地区之一，如何能够快速有效地获得该地区的流 域河网水系特征信息，对流域的整体规划，水资源的有 序配置、水利水电开发利用及防洪抗旱、航运、养殖、灌 收稿日期：；修回日期： 基金项目：国家863重大专项()；广东省自然科学基 金项目(8l()o叭3) 作者简介：杨勇(1982一)，男。陕西人，硕士研究生，研究方向为遥 感GIS技术与应用；王云鹏，研究员，研究方向为资源环境遥感与 ( IS 溉、旅游和建立数字水系等都具有十分重要的意义， 一般来说，主要有两种方法获取流域河网水系： ①通过对流域进行野外实地测量获取河网水系；② 通过在地形图上进行量测和分析获取河网水系。显 然，这两种方法都十分复杂，不仅要耗费大量的人力、 物力和财力，而且保存和更新都比较困难[11。随着地 理信息技术和空间信息技术的广泛应用，数字高程模 型(Digital Elevation Model，DEM)目前已成为操作和 存储最为方便的一种地形信息表达方式，常被用来提 取流域的河道网络和分析地形对流域径流响应的影 响。 文中采用的DEM数据为SRTM 90m DEM数据 作为珠江三角洲河网信息提取的基本数据。SRTM数 据主要是由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘 ·2· 计算机技术与发展 第20卷 局(NIMA)联合测量的，SRTM的全称是Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机雷达地形测绘使命。 美国“奋进”号航天飞机自200o年发射以来，其搭载的 sR 系统共计进行了222小时23分钟的数据采集 工作，获取北纬60度至南纬56度之间，面积超过1．19 亿平方公里的9．8万亿字节的雷达影像数据，覆盖全 球陆地表面的8O％以上，经过两年多的处理，制成了 数字地形高程模型，该数据覆盖中国全境。SRTM数 据每经纬度方格提供一个文件，精度有1弧秒和3弧 秒两种。目前能够获取到中国境内SRTM3文件是 90m的数据。 1基于DEM提取流域河网的基本方法 1．1 D 数据进行预处理 实际地形存在真实的洼地，DEM数据因精度不够 或者数据异常也会产生假洼地。假洼地导致在河网生 成过程中可能会造成不合理的中断，降低了生成河网 的准确性。所以应该在河网提取前对DEM数据进行 填洼和平地抬升处理以生成无洼DEM(Depressionless， DEM)。洼地填充的简单方法是如果某一栅格单元的 高程低于周围栅格单元的高程，则增加该栅格单元的 高程，直到水流可以流到相邻单元。 1．2确定水流方向 通过对DEM数据预处理得到无洼DEM数据，根 据数据确定水流方向，生成流向栅格图层。 确定流向最常用的方法是D8算法。D8算法假设 单个网格中的水流只有8种可能的流向，即流人与之 相邻的8个网格。它可用最陡坡度法来确定水流的方 向，即在3X 3的DEM网格上，计算中心网格与各相邻 网格问的距离权落差(R)，即网格中心点落差(H)除 以网格中心点之间的距离(L)，计算公式如下： R=H／L (1) 假设格网单元为1，如果相邻格网中心线为水平 或垂直的，则L=1，如果格网中心线为对角斜线则L =1．414。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138法。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 J。 1．3计算流向累积栅格 流域汇流能力分析是提取河流网络的前提和基 础。流域内一个栅格的汇流能力反映了其汇聚水流能 力的强弱程度，汇流能力特征值就表示水流能够流入 其中的周围栅格的数目。因此，一个栅格的汇流能力 特征值越大，表示水流能够流入其中的栅格数目越多， 其汇流能力也就越强。根据无洼DEM数据的生成的 水流方向栅格逆向跟踪计算能够注入该栅格的所有栅 格数目，并将其标注为该栅格的汇流特征值，生成水流 集聚栅格。 1．4流域河网栅格的提取及集水区阈值的确定 在水流集聚栅格中，每一个栅格的汇流特征值代 表着注入该栅格的所有栅格的数量。当栅格的特征值 大于某一给定阈值时，即汇流面积大于某一定面积时， 认为该栅格为河网栅格，将这些栅格的值赋为1，小于 该阈值的栅格值赋为0。即生成二值化的河网栅格。 1．5矢量河网的提取 根据流向累积栅格图，将生成的河网栅格图上的 栅格值为1的栅格单元连接起来即可得到该阈值下的 矢量河网。 2珠江三角洲地区河网特征信息的提取 2．1研究区域概况及数据 珠江三角洲位于大约广东省中南部。东经112。至 115"24 ，北纬21。34 至23。56 ，属于 相关资源
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需要做,这些都是图像预处理,你要做哪些方面的,植被盖度还是什么? 再问： 我做一个县的景观格局，如果您了解的话可以私聊吗。 再答： 分三大步：1.图像预处理：几何校正、图像融合 2.监督分类 3.在Fragstats软件中分析
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你下载的DEM是栅格数据,在ARCGIS中,栅格数据是没有属性的 再问： 那请问我怎么才能看到这些高程属性值？谢谢！
非监督分类K-means Isodata监督分类平行六面体最小距离马氏距离最大似然波谱角二进制编码光谱信息散度神经网络支持向量机分类基于专家知识的决策树分类面向对象的分类ENVI是分类方法最多的遥感软件,可以研究一下
本来该点就存在畸变,且是在角点,在进行几何校正后,由于其他控制点的作用,该幅图像势必会产生拉伸效果,所以该点在本已畸变的情况下进一步被拉伸了,所以该点位置畸变会变大.
高光谱数据一般流程是先做大气校正,后做几何校正.这样在做定标的时候使用原始的dn值,在做几何校正时候,使用最邻近重采样法.
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选A对啊,没有歧义
SPOT影像是付费的,免费的有TM影像等,SPOT你只能通过找一些你认识的老师什么的要；
精度很高的DEM属于国家机密,一般人拿不到.SRTM现在用的最多
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答案：航空 卫星 符号 地理空间分布和环境状况的相关信息影像地图是以航空或卫星遥感影像直接反映地表状况的地图.其影像通常是经过纠正了的正射像片,叠加在影像之上的符号和注记是按照一定的原则选用的.影像地图按其内容可以分为普通影像地图和专题影像地图两类.影像是传输空间地理信息的主体,从影像上容易识别的地物不用符号表示,直接
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哈哈,傅立叶变换后才有高频低频啊,先要空间域转换为频率域啊,像元值的说法不准确,应该叫灰度值 再问： 谢谢~！我还能问一个问题吗？一般道路提取用什么方法评价比较好？这个不像是做分类，可以用混淆矩阵kappa系数，这个只有一类，怎么评价比较好啊？ 再答： 这个关于道路提取后的评价标准我也没做过啊，不知道该怎么评价，提取时
一：在高分辨率遥感影像上,不仅可以利用植物的光谱来区分植被类型,而且可以直接看到植物顶部和部分侧面的形状、阴影、群落结构等,可比较直接的确定乔木、灌木、草地等类型,还可以分出次一级的类型.草本植物在高分辨率遥感影像上表现为大片均匀的色调,由于草本植物比较低矮因而看不出阴影,这有别于灌木和乔木.可以很容易的分辨出林地和草
高分辨率影像>配准>矢量化>手动,或者自动,要是真正的大比例尺是需要航摄影像的,卫星影像目前还达不到要求你的位置：
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GIS环境下基于DEM的三川河流域特征提取
时间：日 09:52
摘要：以地理信息系统软件ArcGIS 10．0为平台，探讨了其水文分析模块在流域划分、地形分析、河网提取上所采用的算法和原理。并以三川河流域为例，基于数字高程模型（DEM）数据，详述了提取流域特征的方法和步骤，实现了流域边界、坡度、坡向、表面曲率及流域河网的自动提取。结果表明：上述成果均能较好地吻合流域的实际情况，该方法具有操作简单、灵活方便、成果精度高、提取速度快等特点。流域特征的自动提取为进一步研究水土保持、水文模型、流域规划及数字流域等提供了基础数据，具有重要的实际意义。
关键词：DEM；ArcGIS 10．0；流域特征；自动提取；三川河流域
中图分类号：P333 文献标识码：A 文章编号：（4-04
Extraction of Characteristics of Sanchuan River Basin Based on DEM in GIS Environment
LIN Bin-bin，ZHANG Ya-qiong，WU Peng-lin
Abstract：Taking the Arcgis10．0of GIS software as a platform，the algorithm and principle of hydrological analytic model including watershed division，terrain analysis，river network extraction，are discussed．Sanchuan River Basin is taken as an example，based on the digital elevation model（DEM）data，methods and steps of automated extraction of basin characteristics are detailedly introduced，basin characteristics such as basin boundary，slope，aspect，surface curvature and river network are automatically extracted．The results
show that the above results are fit for the actual situation of river basin，this method has the characteristics of simple operation，flexibility and convenience，high precision，high extraction speed and so on．Automated extraction of basin characteristics affords basic data for the further research on soil-water conservation，hydrological model，basin planning and digital basin．Thus it has an important
practical significance．
Key words：DEM；ArcGIS 10．0；basin characteristics；automated extraction；Sanchuan River Basin
数字高程模型（Digital Elevation Models，DEM）描述了研究区地面高程的分布情况，包含了丰富的水文、地形、地貌信息［1］。DEM 是地理信息系统（GIS）的主要数据，也是目前用于构建流域分布式水文模型的基础数据。分布式水文模型将GIS技术与成熟水文模型有机地结合起来［2，3］。近年来水利信息化的不断推进，数字流域的构建已成为水利行业研究的重点。准确快速的提取流域信息是构建数字流域、分布式水文模型研究及其他相关研究的前提。随着计算机和GIS技术的广泛应用，加之不同精度DEM 数据的方便获取，GIS环境下基于DEM 提取流域特征已成为水文专业技术人员关注的焦点和热点。
本文以黄河的一级支流三川河流域为例，基于流域数字高程模型数据，应用ArcGIS 10．0水文分析模块，实现了流域特征的自动提取，为进一步构建数字流域和流域水文模拟提供了基础的流域特征信息。
1 研究区概况
三川河属黄河一级支流，位于山西省吕梁市境内，由北川、东川、南川河在离石一带汇集而成，其主河道以北川河为骨干，发源于方山县东北赤坚岭，流经离石城西接纳东川河水，再经交口镇揽入南川河水，故形成三川河，于柳林县石西乡两河口村汇入黄河（见图1）。三川河是晋西汇入黄河北干流左岸诸多支流中的第二大支流，河道总长174．9km，流域面积4 161km2。流域内河源地区属土石山区，占流域面积的44．6％；干支流沿岸平坦区域属河谷川地，占流域面积的12．5％；介于上述2个区域之间的地带属黄土丘陵沟壑区，占流域面积的42．9％。三川河流域最低高程是619m，最高高程是2 785m，研究区DEM 见图3。
2 软件介绍
ArcGIS是美国Esri公司开发的全球领先的GIS软件，由于其强大的制图、数据管理、空间分析、二次开发及三维可视化功能，ArcGIS备受全球GIS用户所青睐，现已广泛应用于经济社会的各个方面。ArcGIS 10．0是近年Esri公司推出的最新版本，较旧版本其在工作效率、数据管理、数据建模及三维S环境上都有较大的改进，功能更加的全面完善。ArcGIS 10．0水文分析模块具有河网提取、流域划分、地形分析等基本功能，并可以处理大数据量的DEM，还可以实现地形模型的可视化。
3 地表特征的提取
地表特征反映了研究区地形表面的形态信息，包括了地表的坡度、坡向、表面曲率及高程信息等，在提取地表特征之前，首先需确定流域的边界。
3．1 流域边界的确定
流域又称集水区域，是由分水岭所包围的河流集水区，流经其中的水流从一个公共的排水口流出。排水口即流域内水流的出口，是整个流域的最低处。流域间的分界线即为分水岭，确定了分水岭的位置，即可确定流域的边界［4］。ArcGIS10．0水文分析模块首先确定DEM 数据水流方向，根据水流方向可找出流域出水口位置，然后再确定DEM 数据中分水岭所在的位置，即可找出河流的集水区域。基于包含三川河流域的DEM 原始数据（见图2），分辨率为30m×30m，利用水文分析模块中Flow Direction和Basin工具，实现了三川河流域DEM（见图3）的自动提取。对提取出的DEM 数据准确度进行校验，得知提取结果与利用手工方法基于地形图提取的流域基本一致，二者流域面积比较见表1。
3．2 坡度和坡向
坡度是指地表面上一点的切平面与水平地面的夹角，坡度表示了地表面在该点的倾斜程度。坡向指地表面上一点切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。ArcGIS10．0水文分析模块采用拟合曲线面法求解坡度，这是目前求解坡度的最佳方法［5］。拟合曲线面法一般采用二次曲面，即3×3的窗口（见图4），每个窗口中心为一个高程点，点C0的坡度、坡向的计算公式如下：
式中：Slope为坡度；Aspect为坡向；SlopeWE为X 方向的坡度；SlopeSN为Y 方向的坡度。
计算SlopeWE和SlopeSN的常用算法有：二阶差分，三阶不带权差分，三阶反距离平方权差分等。ArcGIS 10．0水文分析模块采用三阶反距离平方权差分的方法，即：
式中：d 为DEM 的边长。
基于此算法就可以得到流域内各个栅格单元的坡度值和坡向值。得到的坡度图和坡向图见图5和图6，其中不同的颜色代表着不同坡度和坡向。
3．3 表面曲率
表面曲率是反映地形表面凹凸情况的重要地形指标。现阶段以DEM 为基础，存在多种不同的算法来计算栅格像元的表面曲率，ArcGIS 10．0水文分析模块采用二阶多项式方程拟合一个3×3的窗口，拟合公式为：
z＝Ax2y2＋Bx2y＋Cxy2＋Dx2＋Ey2＋Fxy＋Gx＋Hy＋I （5）
式中：系数A～I可由3×3窗口中的像元高程值及其像元大小来估算。然后，根据这些参数，计算剖面曲率、平面曲率和表面曲率：
剖面曲率＝-2［（D G2＋E H2＋F G H）/（G2＋H2）］（6）
平面曲率＝2［（D H2＋E G2-F G H）/（G2＋H2）］（7）
表面曲率＝-2（D＋E）（8）
剖面曲率是沿着最大坡度方向进行估算，平面曲率是沿着垂直于最大坡度方向进行估算，表面曲率为两者的差值，即：剖面曲率～平面曲率。应用ArcGIS 10．0水文分析模块，可得三川河流域的表面曲率图（见图7）。当一个像元的曲率值为正值，表明该像元向上凸出；像元曲率值为负值，则是下凹；像元曲率值为0，表明该表面是平的。
4 流域河网的提取
流域河网是流域的重要特征，是水环境和水文研究的基础。利用DEM 提取流域河网，首先需要对原始DEM 进行预处理，然后确定水流方向，计算汇流累积量，最后确定合理的临界值提取流域河网特征。
4．1 DEM 的预处理
由于DEM 在离散化过程中，存在着插值误差和采样误差［6］，因此在原始DEM 中，洼地（四周高、中间低的栅格单元）和平坦区域是普遍存在的。在计算水流方向时，由于这些栅格的存在，有一部分水流不能流出洼地边界，导致提取的河网水系存在很大的误差或者是计算不出合理的结果。为了使提取的河网水系在流经洼地和平坦区域时，有个明确的水系通道，需对洼地和平坦部位的高程数据进行改造，从而使洼地和平坦部位成为斜坡的延伸部分。经过这样的处理，DEM 数据的地形表面都是由斜坡组成，保证了从DEM 数据中提取的河网水系是连续的。针对DEM 中的洼地和平坦区域，ArcGIS 10．0 水文分析模块采用Jenson 和Domingue在1988年提出的算法［7］，认为闭合洼地和平坦区域是伪地形，在提取流域特征之前应予以填平和剔除。其处理的基本思想是垫高抬平，将凹陷处垫高至周边最低高程，该算法假设了所有的洼地都是由高程计算值偏小造成的。首先应用水文分析模块的Sink工具，找出原始DEM 中存在洼地区域，再应有Fill工具，对洼地区域进行填充，即可生成无洼地流域DEM。DEM 预处理流程图见图8。
4．2 确定水流方向
在DEM 数据中对于每一栅格，水流方向指水流离开此栅格时的指向。ArcGIS 10．0水文分析模块在确定水流方向时，采用D8算法：假设每个栅格单元的水流方向仅有8种可能，即流入与之相邻的8个栅格中。通过对中心栅格的8个领域栅格编码，中心栅格的水流方向便可由其中的某一值来确定，即128、1、2、4、8、16、32、124，对应着东北、东、东南、南、西南、西、西北和北［8］（见图9），再计算中心栅格与领域栅格的最大距离权落差来确定水流方向。应用水文分析模块中的Flow Direction工具进行水流方向的计算。
4．3 汇流累积量计算
汇流累积量表示DEM 数据每个栅格单元处的流水累积量。计算的基本思路是：假设以规则格网表示的DEM 每个栅格单元处有一个单位的水量，按已确定的栅格单元水流方向数据，计算每个栅格单元处所流经的水量数值，便可得到此栅格单元的汇流累积量。汇流累积量值高的栅格单元一般对应于河道，累积量值为0的栅格单元通常对应于山脊线。应用水文分析模块的Flow Accumulation工具即可计算得到研究区DEM 的汇流累积量，见图10。
4．4 河网的生成
以DEM 汇流累积量数据为基础，设定合理的临界累积值，当栅格的汇流累积量大于设定的临界值时，认为该栅格位于河流流经处，找出流域边界内所有大于临界值的栅格单元，即可确定水流流动路径，提取流域河网。在设定临界累积值时，通常默认的设定值为最大汇流累计量的1％［9，10］，本次研究默认的临界累积值为46 141，临界值可根据具体的实际情况进行修改，目的是找到最理想的值。为了研究不同临界值对河网提取的影响，本次研究共选取了3 个不同的值，分别为1 000，10 000，46 141。图11显示了基于不同临界值提取的河网水系，从图中可以看出不同级别的沟谷对应不同的临界值，不同区域同一级别的沟谷对应的临界值也不同，临界值对河网密度的影响：临界值越小，河网密度越大，反之，河网密度越小。经比较发现临界值为默认值46 141时，提取的河网未出现河道不连续及平行伪河道现象，且与真实的河网较吻合，因此本次研究选取默认值作为临界值。表2将三川河主要河段的实际河流特征值与提取得到的进行了比较，可以看出二者之间的相对误差非常的小，说明提取的河网已经达到很高的精度。
本文详细介绍了ArcGIS10．0水文分析模块提取流域特征所采用的算法和原理。以三川河流域为例，基于30m×30m DEM 数据，探讨了自动提取流域特征的方法和步骤，实现了流域边界、坡度、坡向、表面曲率及河网水系的自动提取。提取的结果与实际情况基本吻合，且已达到很高的精度。实际应用证明该方法可大幅度提高工作效率，具有操作简单方便、提取成果精度高的特点。流域特征的自动提取为进一步研究水土保持、水文模型、流域规划及数字流域等提供基础数据，具有重要的实际意义。
参考文献：
［1］毕华兴，谭秀英，李笑吟．基于DEM 的数字地形分析［J］．北京林业大学学报，）：49-51．
［2］舒栋才，程根伟，林三益．基于DEM 的岷江上游数字流域的离散化［J］．四川大学学报，）：6-7．
［3］龙海峰，熊立华，万民．基于DEM 的分布式水文模型在清江流域的应用［J］．长江流域资源与环境，）：71-78．
［4］汤国安，杨昕．ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程［M］．北京：科学出版社，2006．
［5］李丽，郝振纯．基于DEM 的流域特征提取综述［J］．地球科学进展，）：251-255．
［6］张彩霞，杨勤科，段健军．高分辨率数字高程模型的构建方法［J］．水利学报，）：1 009-1 012．
［7］ Jenson S K，Domingue J O．Extracting topographic structure from digital elevation data for geographic information system analysis
［J］．Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，）：1 593-1 600．
［8］林金辉，张荔．基于DEM 的数字化渭河流域水系构建［J］．西安建筑科技大学学报，）：260-263．
［9］熊立华，郭生练．基于DEM 的数字河网生成方法的探讨［J］．长江科学院院报，）：14-17．
［10］ Fitzhu G H T W，Mackay D S．Impact of subwatershedparlilioning
on modeled source and transport-limited sediment yields in an agricultural nonpoint source pollution model［J］．Journal of Soil and Water Conservation，）：137-144．
作者简介：蔺彬彬（1987-），男，硕士，主要从事地理信息系统在水文模型中的应用研究。
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