随着现代化科学技术的不断发展,尤其是计算机技术以及GIS应用的逐渐广泛,DEM(数字高程模型)成为近年来流域水系分析、地形特征提取等数字地形分析领域的热点[1] ,DEM作为地形地貌数字化表达方式,具有多形式的显示方式与不易损失精度等优点,使其逐渐取代了传统的存储介质[2] 。一般来说,DEM的数据类型有栅格型、不规则三角网(TIN)和矢量型(等高线)3种,其中栅格型DEM数据结构较为简单,在数字地形分析方面采用较多[3] 。如郭超颖等[4] 基于DEM对马莲河流域数字地形分析,提取流域的基本地形特征以及流域水系、划分小流域等。
DEM对于提取地形特征与流域特征具有诸多优点,因此利用DEM提取流域特征是建立分布式水文模型的基础[5] ,水文模拟研究和基于空间技术地形特征提取大多是在DEM的基础上进行的[6] 。DEM包含的信息会随着分辨率的变化而变化,空间分辨率作为DEM的重要影响因素,是近年来学者们重点研究对象。根据郝振纯等[7] 研究得出,DEM空间分辨率的不同,包含的信息量也相应不同;吴险峰等则在大、中型流域内分析了DEM分辨率对流域特征的影响,DEM的分辨率对提取河网的精确性有较大影响,网格的增大增加了平地流向的随意性,网格单元越小,提取结果越精确;根据孙龙等[8] 研究以岷江上游为例,基于SWAT模型得出,不同空间分辨率DEM的平均高程变化基本不变,但随着空间分辨率降低,高程范围逐渐缩小;根据陈楠等[9] 对不同空间分辨率DEM对坡度不确定性研究,空间分辨率的变化会造成DEM提取坡度的不确定性变化。
以往学者对于流域特征研究主要集中在小、中型流域[2,10] ,其运用的DEM数据的分辨率较低,因此对于高精度的较大型流域的流域特征提取较少。随着DEM数据的分辨率的不断提高,其所包括的信息量也不断增加,对于计算机的容量以及速度要求也较高,虽然DEM数据分辨率精度的提高对流域特征信息的涵括较多,但尽可能采取高分辨率的DEM数据也较为不现实[11] 。本文运用的是10 m×10 m的DEM数据,对于不同空间分辨率的流域特征的变化具有较为实际的意义。由于各个流域对于DEM数据的分辨率要求不同,本文通过对DEM进行重取样,探讨取样后与原始数据下,不同空间分辨率的流域特征参数的变化,通过对比取样前与取样后的流域特征参数变化,更加精确地得出流域中不同空间分辨率DEM的流域特征变化。
1 研究区概况
云南省元谋县,介于101°35′~102°25′E、25°25′~26°07′N,流域面积约2021.47 km2,海拔899~2835 m,地势周围高中间低,四周为山地,中部为元谋盆地,金沙江一级龙川江由南向北纵贯盆地;东部山地高出盆地1200~1400 m,由山顶至盆地间呈梯状下降;西部多山冈和丘陵,山顶海拔1300~1500 m;南部山地海拔1400~2600 m;北部山地海拔1800 m以上。区内热量丰富,降水少且季节分配不均,蒸发量大,气候干热。
2 数据与方法
2.1 数据的获取与预处理
本文以元谋县1∶5万地形图等高线数据为信息源,通过PCI Geomatica 9.0遥感软件的Ortho Engine模块内插生成10 m×10 m的DEM数据。矢量数据来自国家基础地理信息中心下载1∶400万的矢量边界图,在Arc GIS10.2中用已经定义投影的矢量边界裁剪内插数据,得出元谋县县域内的DEM数据。
2.2 研究方法
基于元谋县DEM数据,采用平均取样方法。在Arc GIS10.2中,运用邻域分析对DEM数据进行平均取样,采样窗口依次为3×3,5×5,7×7……19×19。然后通过重采样工具分别对不同窗口进行重采样,生成150 m、250 m、350 m……950 m等9组分辨率的DEM数据。依据得出的9组数据,利用Arc GIS10.2软件的水文分析工具提取该县的流域特征参数,包括高程、流域面积、坡度、河网长度、河网密度。最后对比分析得出在同一取样方法下,不同分辨率的DEM数据的流域特征参数的值的变化。同样地,用3×3,5×5,7×7……19×19的等9组栅格数据,提取未取样下的流域特征参数值,通过对比分析,得出不同空间分辨率下流域特征值的变化。
3 结果与分析
3.1 高程
计算出平均取样与未取样的不同分辨率下的高程最大值、最小值(见表1)。由表1可知,平均取样下与未取样下的高程值变化趋势较为平稳,最大高程在空间分辨率为410 m、710 m时,平均取样最大高程值大于非取样高程值;而最小高程在分辨率在510 m、610 m、710 m时,平均取样最小高程值小于非取样最小高程值。从总体上看,不同空间分辨率下的平均取样高程值与未取样高程值基本上较为接近。
3.2 坡度
根据表2可知,平均取样的坡度最值基本等于未取样的坡度最值,随着空间分辨率的增大,坡度最高值呈匀速下降趋势,起伏较小;而坡度最小值基本接近于0,并且随着空间分辨率的增大逐渐增加,因此坡度的最值差距随着分辨率的变大而逐渐缩小。
3.3 河网长度
河网长度是研究流域特征的重要参数之一,是指河道干支流的总长度[12] 。通过水文分析提取不同空间分辨率下的河网长度(见表3),河网长度基本随着分辨率的增大而减小,分辨率小于410 m时,河网长度急剧下降,大于410 m时,河网长度渐趋平缓,并且110 m分辨率下的河网长度与910 m下的河网长度相距较大。可见,平均取样河网长度与非取样河网长度基本一致,分析原因在于由于平均取样下坡度与非取样下坡度基本一致,坡度的一致使汇流速度一致,因此得出的河网长度基本一致。
3.4 流域面积
流域面积是流域的基本特征,其不仅决定流域内的河流流量,同时也直接影响着径流的过程,流域面积包括干流与各支流的流域面积。表4为提取不同分辨率下的流域面积的变化情况。由表4可见,平均取样流域面积随着空间分辨率的增大而增大,但变化幅度不大,基本在2050 km左右;而非取样流域面积相反,其流域面积值随着空间分辨率的增大而减小,均值在2030 km左右。从整体上看,平均取样流域面积大于非取样流域面积,并随着分辨率的增大而差距加大,当分辨率≥810 m时,两者的差距趋于稳定。
3.5 河网密度
河网密度等于干支流的总长度和流域面积之比[13] ,即表示河流某断面以上流域内单位面积上的河流长度,可以描述水系发育和河流的疏密程度。表5为平均取样与非取样下不同空间分辨率的河网密度值,根据数据可以得出,不同取样下的河网密度随着空间分辨率的增加而减小,并且两者的差距很小。由于河网密度值为河网长度与流域面积的比值,根据上文可知,平均取样与非取样下的河网长度值十分相近,而流域面积值随着分辨率的改变而变化较小,河网密度基本跟随这河网长度的趋势改变。
4 结论与讨论
通过对云南省元谋县流域特征参数值进行对比分析,得出以下结论。
(1)不同空间分辨率下的DEM所包含的流域信息量不同。随着空间分辨率的增大,其流域的坡度、高程、河网长度、流域面积值会逐渐减小。根据9组不同空间分辨率DEM数据,以100 m为差距,各组之间得出的值差距不同,对于高程、流域面积而言,不同空间分辨率得出的结果差距较小,并且变化趋势较为平稳;而坡度、河网长度以及河网密度,不同空间分辨率得出的结果差距较大,其中坡度最值呈匀速递减。
(2)取样方法运用下与未取样下的流域特征参数值也不同。通过对比,平均取样下坡度、河网长度、河网密度值都较为接近未取样下的值;而平均取样高程最值与未取样高程最值基本较为相近,平均取样流域面积与未取样流域面积值差距较大,平均取样下流域面积值随着空间分辨率的增大而增大,未取样流域面积随着空间分辨率的增大而减小。
空间分辨率的变化会对空间参数的特性产生影响,随着分辨率的变化,包含的信息量也相应不同,随着空间分辨率的变大,流域地形渐趋平坦化,以及河网长度、密度逐渐减小,流域面积变化较小。与前人研究结果对比,本文不同空间分辨率下的流域特征参数值不同与前者研究较为相似,但根据研究区内的实际情况,通过运用较为精细的DEM栅格资料对较为大型的流域进行研究,得出的结果更为精确。
摘要：利用DEM自动提取流域特征是近年来研究流域分析的热点,DEM空间分辨率的改变对流域特征提取有重要影响,运用Arc GIS10.2软件对10 m×10 m的DEM栅格资料进行处理,得出110 m、210m……910 m九组分辨率的DEM数据,分析不同空间分辨率DEM的流域特征变化,对比取样后与未取样的DEM数据之间的变化,进一步验证不同空间分辨率DEM对流域特征变化的影响。
关键词：空间分辨率,流域特征,DEM,平均取样,云南省元谋县
参考文献
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