第24卷第3期2004年6月水土保持通报Bulletin of Soil a nd Wa ter Co nserv a tion V o l.24,N o.3Jun.,2004水保监测黄土高原沟壑区典型小流域高精度DEM 制作及其应用研究王鸿斌1,刘斌1,田杏芳2,贾泽祥2(1.黄河水利委员会西峰水土保持站,甘肃西峰745000; 2.黄河水利委员会黄河上中游管理局,陕西西安710043)摘 要:高精度数字高程模型(D EM )是水土流失规律研究与流域地形空间分析中重要的空间数据。
以黄土高原沟壑区的南小河沟流域为例,以1∶1万地形图为数据源,探讨了在Ar cg is 和ArcView 地理信息平台下,生成高精度DEM 及提取流域土壤侵蚀指标的步骤和方法。
结果表明,提取的地形信息能准确地反映该区域地形起伏变化与破碎状况,满足当前“数字流域”建设的需要。
关键词:高精度D EM ;南小河沟流域;黄土高原沟壑区文献标识码:B 文章编号:1000—288X (2004)03—0034—03 中图分类号:P208;S157High Accuracy DEM Products and Its Application inGully Region of Loess PlateauW AN G Ho ng-bin 1,LIU B in 1,T IAN Xing -fang 2,JIA Ze-xiang2(1.Xif eng Soil and Water Conservation Scientific Ex periment Station of Yellow River Water Conserv ancy Commission ,Xif eng 745000,Gansu Province ,China ; 2.Bureau of the Upper and Mid dle Reaches of Yellow Riv er ,X i 'a n 710021,Shaanx i Prov ince ,China )Abstract :High accuracy DEM s is a n impo rta nt data in study of soil erosio n a nd terrain feature space analy-sis.Taking Nanxiaoheg ou w atershed in Gansu Prov ince,which is in the gully regio n o f Loess Pla teau as a nex ample,and 1∶10000relief map as an data source,the m ethod o f high accuracy DEMs and ex tract soil ero-sio n index o f w atershed a re discussed.The result show s that the ter rain feature informa tio n is better a nd tru-ly based on hig h accuracy DEM s ,it is co ntented in the build o f digital wa tershed a t present .Keywords :high accuracy DEMs ;N anxiaohegou watershed ;the gully region of Loess Plateau1 研究区概况南小河沟流域是泾河支流蒲河左岸的一条支沟,属典型黄土高原沟壑区。
流域面积39.6km 2,在甘肃庆阳市西峰区及后官寨境内,海拔1050～1423m ,主沟平均比降 2.8%,沟底至塬面相对高差150～200m 。
年均降水556.5mm ,年均气温9.3℃,侵蚀模数4350t /(km 2·a)。
全流域由塬面、山坡、沟谷3部分组成。
塬面集流线长,汇水面积大,主要为水力侵蚀;山坡地形破碎,坡度一般在10°～20°,主要为细沟侵蚀;沟谷包括现代沟谷的谷坡和残存的缓坡地以及沟床,谷坡的上、下部,一般是40°～60°的陡坡和大于60°的悬崖、立壁,谷坡中部多为20°～30°的坡耕地,沟谷侵蚀较为复杂,水力侵蚀和重力侵蚀都很剧烈。
流域地质构造较为单一,全部为黄土覆盖,主要包括黄土状重亚黏土、红色黄土、黄土。
2 研究方法2.1 高精度DEM数字高程模型DEM (Digital Eleva tio n M odel)是1956—1960年期间,由美国麻省理工学院Chaires .L .Miller 首次提出,它表示区域D 上的三维向量有限序列,用函数的形式描述为[1]:V i =(X i ,Y i ,Z i ) (i =1,2,3,…,n )(1)式中:X i ,Y i ——平面坐标值;Z i ——(X i ,Y i )所对应的高程。
本研究中提出的高精度DEM 是相对于分辨率为5,10,25m 等中粗分辨率DEM 而言的。
应项目后期研究需要,为了能更好地与高分辨率Quikbird 卫星数据叠合,定量反映南小河沟流域水土流失治理的梯田、林草、坝地等工程,生物措施以及研究该区域水土流失规律,将该研究区域DEM 分辨率定为1m 。
收稿日期:2003-12-06资助项目:黄河水利委员会“十五”重大科研项目“黄土高原沟壑区水土流失规律及水保效益分析研究”作者简介:王鸿斌(1968—),男(汉族),甘肃省庆阳市人,工程师,西安理工大学在职硕士,主要从事水土保持及3S 应用研究。
E-mail :xfw hb@sohu .com 。
DOI:10.13961/ k i .st b ctb.2004.03.0092.2 DEM 的制作DEM 的数据来源通常有以下几种:影像、地形图、地面本身、其它数据源。
本次研究采用1∶1万地形图为数据源,共4幅,工作流程见图1。
图1 工作流程2.2.1 地形图扫描矢量化 考虑黄土高原沟壑区地形起伏变化大,等高线密集等特点,为能更好地进行人机交互矢量化,经试验,将4幅1∶1万地形图扫描率定为300dpi ,存储为黑白二值tif 格式。
2.2.2 矢量地形数据内容及分层 以GB /T 15660—1995地形图要素分类与代码标准为依据,从1∶1万地形图上采集等高线和等高点(Terlk 层)、软件生成的地性点(Feapt 层)、水库的水涯线、双线河(Hydnt 层)等,以及其它与DEM 生成、应用、分析有关的某些辅助信息共14个图层。
2.2.3 TIN 的生成及DEM 内插 TIN 模块采用不规则三角网描述地形起伏,是国际上比较通用的方法,从TIN 转换成规则格网形式的DEM 一般采用线性内插。
在本项目研究中,DEM 内插以Arcgis 8地理信息系统为平台[2],使用Terlk 层和Feapt 层的point elv e 属性、Terlk 层的line elv e 属性、Hydnt 层的poly elve 属性,由crea tetin 和tinla ttice 命令完成T IN 的生成及DEM 内插。
生成的TIN 与等高线叠合检查,检查三角形构网是否有明显的不合理之处,增补高程点,重新构网。
地形数据成果统一采用高斯—可吕格投影,1954年北京坐标系。
图2为矢量化的等高线层,图3为所加的测注记点。
图2 等高线图层图3 增加的测注记点图层3 高精度DEM 的应用数字高程模型DEM 在流域地形分析及水系构建等方面形成了比较成熟的算法,通常有3种格式:栅格型、不规则三角网(TIN)和等高线,其中栅格型DEM 是比较普遍的格式,计算处理方法简单有效,且和遥感数据在结构上容易匹配。
目前在DEM 基础上有多种比较成熟的提取流域特征数字信息的方法,由DEM 提取流域的数字特征,包括确定单元格网的流向、汇流路径、河网间的拓朴结构、流域及子流域的边界划分、地形指标提取等过程。
水文分析和地形指标提取在Arcview 及Arcgis 下完成。
3.1 水文分析水文分析主要包括填充洼地(Fill sinks )、水流方向计算(Flow direction)、流水累积量(Flow accumu-latio n)、水网(Stream netw o rk)、水流长度计算(Flow leng th )、流域分析(Watershed )5个部分。
流域分析采用Flow directio n 和Flo w accumu-latio n 数据来产生:在Arcview 视图中添加Flow di-rection 和Flow accumula tion 主题,从<Hydro>菜单中选择<W atershed >命令,输入要计算流域的面积100万(经实验而来),生成南小河沟流域Wa ter-shed 数据层,即流域界图层,将其转化为cov erag e,由属性表求得南小河沟流域面积为39.60km 2。
该图层可用于计算沟壑密度、裁切DEM 等。
35第3期 王鸿斌等:黄土高原沟壑区典型小流域高精度D EM 制作及其应用研究 3.2 地形指标提取3.2.1 坡度 激活DEM 所在主题层,选择<sur-face>菜单下的<deriv e slo pe>即可。
由Arcview 自动产生的g rid 格式坡度图在Arcgis 8下,用reclass 命令[2],以水利部颁发的中华人民共和国行业标准SL 190—96《土壤侵蚀分类分级标准》为坡度分级依据,将该流域坡度分为0°～5°,5°～8°,8°～15°,15°～25°,25°～35°,35°～90°共6级(图4)。
Grid 格式的坡度图亦可在Arcgis 下用编程方式进行分级。
slp =slo pe(podu,1,deg ree)docellif (slp <5)out =101else if (slp >=5a nd slp <8)out =102else if (slp >=8a nd slp <15)out =103else if (slp >=15and slp <25)out =104else if (slp >=25and slp <35)out =105else o ut =106end图4 南小河沟流域坡度分级图(部分)程序中:podu 为将要分级的坡度栅格数据,o ut-slo pe 为输出的坡度分级结果数据。