1、不同 DEM 数据源的艾比湖流域仿真水系对比 任岩 张飞 王娟 张月 李瑞 新疆大学资源与环境科学学院 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室 新疆智慧城市与环境建模普通高校重点实验室 摘 要： 针对干旱半干旱地区内陆河流域在仿真水系模拟方面研究较少和数据适用性的问题, 提出利用 SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 两种数据源对艾比湖流域进行仿真水系模拟和精度对比的研究。采用 Arc GIS Hydrology 模型分别对两种 DEM 进行水系模拟, 通过多次设置参数和阈值, 实现了不同水平分辨率和不同阈值河网水系的对比分析;然后利用 Google Map 河流数据和实测水系数据进行精度验
2、证, 同时采用“套河差”算法研究水系的差异。结果表明:SRTM3-DEM 模拟的河网水系与实际水系更接近, 吻合精度较高;DEM 的坡度和水平分辨率对模拟水系的影响不大, 但 DEM 的垂直精度对模拟水系的吻合精度起控制作用。本研究为艾比湖流域在水文方面的研究提供了一定的参照和依据, 对建立干旱半干旱地区数字河网具有十分重大的意义。关键词： DEM; 空间分辨率; 河网水系模拟; 艾比湖流域; 作者简介：任岩 (1989-) , 女, 河南周口人, 硕士研究生, 主要研究方向为干旱区生态水文、环境遥感应用。E-mail:作者简介：张飞, 副教授 E-mail:收稿日期：2016-06-16基金
3、：国家自然科学基金项目 (41361045;41130531) Comparison of Ebinur lake basin water system simulation from Different DEM Data SourcesREN Yan ZHANG Fei WANG Juan ZHANG Yue LI Rui College of Resources and Environment Science, Xinjiang University; Abstract： This article is aimed at the problem of less research on ri
4、ver simulation and data applicability in Inland River of arid and semi-arid region, and proposes the comparative study of river simulation and simulation accuracy using SRTM3-DEM and ASTER-GDEM in Ebinur lake Watershed. Using the Arc GIS Hydrology model to simulate the river network by repeatedly se
5、tting the parameters and threshold, the results achieved the comparative analysis of different threshold and horizontal resolution of river network. The accuracy of the simulated river is verified by using the Map Google river data and the measured river data, and then analysis the difference of riv
6、er network by the algorithm of “river difference”. The results show: (1) The simulated river of SRTM3-DEM has high accuracy which is much closer to the actual river. (2) The slope and horizontal resolution of DEM have little effect on simulated river, while the vertical accuracy of DEM control the s
7、imulate precision of river network. This study provides the reference and basis for hydrologic research in the Ebinur Lake Watershed, and has a significant meaning to establish digital river network in arid and semi-arid region.Keyword： DEM; space resolution; river water system simulation; Ebinur la
8、ke basin; Received： 2016-06-160 引言数字高程模型 (digital elevation model, DEM) 是一种反映地面高程分布情况的一种离散的数字化表达方式1。利用 DEM 数据可以提取数字河网及流域相关信息, 为水文环境分析和污染物传播分析等方面奠定了基础2-3。根据 DEM数据反映出的一定分辨率的局部地形特征, 并借助一定的算法可以自动提取出一定地理空间范围的地形特征线4。利用 DEM 提取流域信息, 主要有两种基本方法来实现。文献5提出的基于谷点的算法, 但这种方法提取的水系不连续, 对地形起伏较小或地形复杂的地区不太适用。文献6提出的坡面流模拟法
9、, 通过模拟地表径流在地表的流动来产生水系。文献6方法弥补了文献5方法的不足, 可以方便快速地提取河网和水系信息。文献7-9在文献6的基础上进行创新, 提出了阈值的概念来研究水文信息, 使文献6方法得到广泛的应用。利用 Arc GIS 水文分析模型 (Hydrology model) 可实现 DEM 数据的水系自动提取10-11, 它的基本思想就是采用上述第二种方法, 基于地表水流模拟法模拟出地形特征, 按照识别洼地、填充洼地、生成水流方向、计算汇流累积量、生成河网的步骤实现数字河网水系的提取。目前有许多学者在此基础上致力于研究提取河网水系的精度, 其中文献12-13基于 DEM 数据对水系信
10、息提取和算法精度等方面做了实验研究。同时, 也有国内外的一些专家学者研究不同的 DEM数据源对河流水系提取的影响。其中, 文献14利用国家高程数据集 (NED) 、SRTM 和激光雷达数据分别提取流域河网, 并分析不同数据源在水文应用中的影响。文献15针对 HYDRO1K、SRTM3-DEM 和 ASTER GDEM 3 种数据源利用 Arc GIS Hydrology model 提取河网并从时空分辨率、误差来源和覆盖范围等进行了比较, 对河网信息提取的准确度进行对比研究。SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 作为目前可以免费获取的两种全球高分辨率 DEM 数据, 由于具有覆盖面广、
11、数据较完整和精度较高的特点, 因此, 这两种数据源被国内学者广泛应用。文献16主要研究 SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 的数据处理和应用方面, 指出 SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 是目前应用最为广泛的两种 DEM 数据, 并且在许多领域的应用中 SRTM3-DEM 优于 1:250 000 地形图、ASTER-GDEM 则堪比 1:50 000 地形图数据;文献17主要研究 SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 的数据处理和精度, 指出 SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 数据质量均较高, 是流域地形分析和水文模拟方面较好的数据源。文献18-19
12、分别利用 ASTER-GDEM 和 SRTM3-DEM提取了四川丘陵地区和汾河流域的水系和水文特征, 提取结果均较好。目前在干旱半干旱地区的内陆河流域, 利用多源 DEM 数据和 Arc GIS Hydrology 模拟仿真水系的研究并不太多, 故本文首次尝试采用 SRTM3-DEM 和ASTER-GDEM 两种 DEM 数据源分别提取干旱半干旱区艾比湖流域水系信息, 旨在验证 Arc GIS Hydrology 模型对干旱区内陆河流域的适用性以及对比分析不同水平分辨率下的艾比湖流域水系特征, 并利用 Google Map 的水文数据和实测水系数据对提取结果进行验证, 然后从填洼后的高程情况和
13、流向计算后的坡度情况两方面分析验证结果, 同时采用“套合差”来分析提取的两种河网水系的差别。本研究利用 SRTM3-DEM 数据源模拟的艾比湖流域河网水系与实际较吻合, 能够较准确的获取该区域河流水文信息, 可为艾比湖流域在水系方面的研究提供一定的参照和依据, 对建立干旱半干旱地区数字河网和水文分析具有十分重大的意义20。1 研究区艾比湖流域地理位置介于 43384552N 和 79538502E 之间, 位于欧亚大陆腹地, 与哈萨克斯坦接壤, 典型的温带干旱半干旱内陆地区。艾比湖流域包括博尔塔拉蒙古自治州的博乐市、温泉县和精河县, 塔城地区的乌苏县和托里县南部, 伊犁哈萨克自治州的奎屯市和克
14、拉玛依的独山子区。流域面积 50 621 km, 其中山地面积 24 317 km, 平原区面积 25 762 km, 湖泊面积542 km。艾比湖湖区多年平均降水不足 100 mm, 而山区降水相对较多, 是湖区的主要水源补给区21。近年来, 由于人类大规模的垦荒活动, 导致艾比湖不断涸缩, 湖水量减少, 生态环境恶化, 使艾比湖流域成为我国西北内陆干旱区生态退化最严重的区域之一。目前有博尔塔拉河和精河, 分别从西、南两个方向注入艾比湖, 是湖水的主要来源。湖面呈椭圆状, 面积 650 km, 水深平均23 m, 湖面海拔 189 m22。流域西、南、北三面环山, 中间为谷地平原, 东部有尾
15、闾艾比湖, 西北部的阿拉山口市是北冰洋湿润气流进入新疆的一个通道, 形成了典型的干旱半干旱地区“山地绿洲荒漠 (MODS) ”的生态环境特点, 与其它 MODS 系统相比, 艾比湖流域的荒漠生态系统更完整, 尾闾艾比湖作为系统终端, 代替了其它 MODS 系统边界模糊的沙漠, 湖泊对流域的因素变异响应更为明显。作为新疆的第一大咸水湖, 艾比湖流域像一把保护伞维持着该地区乃至整个新疆北部的生态平衡23。图 1.研究区示意图 Fig.1 The Sketch Map of Study Area 下载原图2 数据来源与研究方法2.1 DEM 数据源介绍ASTER 是美国航天局 (NASA) 与日本经
16、济产业省 (METI) 合作发射的高分辨率卫星成像设备, 在可见光近红外波段 (VNIR) 可以对地面进行立体观测。2009年 6 月 30 日由美日共同发布了 ASTER-GDEM 数据, 由大约 130 万个 ASTERL1B 数据立体像对制作完成, 空间分辨率为 30 m。覆盖达到地球陆地表面的 99%, 范围为 83N 到 83S。ASTER-GDEM 的垂直精度是20 m, 水平精度是30 m, 置信度均为 95%17,24。SRTM 是美国太空总署 (NASA) 和国防部国家测绘局 (NIMA) 以及德国与意大利航天机构共同合作完成联合测量, 由美国发射的奋进号航天飞机上搭载 SR
17、TM 系统完成, 通过美国奋进号航天飞机干涉雷达测绘而成25, 是较完整的全球区域高分辨率数字地形数据。它包括 SRTM1-DEM 和 SRTM3-DEM 两种, 空间分辨率分别是 30 m 和 90 m, 每个 90 m 的像元是 9 个 30 m 像元的算术平均值。目前, 除美国本土外, 其他地区仅公开 SRTM3-DEM 数据, SRTM3-DEM 的垂直精度是16 m, 水平精度是20 m, 置信度为 90%26。2.2 研究区 DEM 数据基本特征截取研究区的 DEM 数据, 用 Arc GIS 拼接并投影转换成统一坐标系 WGS1984-UTM, 然后进行预处理, 消除高程错误值。
18、将数据基本特征列于表 1。表 1 ASTER-GDEM 与 SRTM3-DEM 数据参数对比 Tab.1 The Parameters Contrast between ASTER-GDEM and SRTM3-DEM 下载原表 2.3 研究方法采用 Arc GIS 中的水文分析模块 Hydrology 提取流域特征, 主要是基于 D8 算法、最陡坡度原则和最小水道积水面积阈值的概念, 主要包括 4 个步骤:DEM 数据预处理、水流流向确定、汇流累积量栅格图的生成、生成河网水系。具体技术路线如图 2 所示。图 2 技术路线 Fig.2 Technical Route 下载原图3 艾比湖流域仿真
19、水系模拟实例3.1 流域河网水文特征提取3.1.1 DEM 的预处理为了保证从 DEM 中提取的河网是连续的, 需要对 DEM 数据进行填洼处理27。本文采用 Arc GIS 水文模块 Hydrology 下的“FILL”命令进行填洼处理28, 它的原理是先找到 DEM 数据中的洼地, 然后进行迭代处理, 将洼地点的高程值自动设置为与其相邻点的最小高程值29。图 3 是艾比湖流域 DEM 影像进行洼地填充前后对比图, 由图 3 (a) 可知 ASTER-GDEM 数据进行填洼处理前的高程值是 010 000 m, 填洼处理后的高程值是 400-10000m;由图 3 (b) 可知 SRTM3-
20、DEM 数据进行填洼处理前的高程值是 1544 827 m, 填洼处理后的高程值是2134 827 m。两种 DEM 数据源不管是填洼前还是填洼后高程值都有一些差别, 这与两种数据源本身的精度有一定关系。图 3 洼地填充前后对比图 Fig.3 Before and After Contrast Figure of Depressions Fill 下载原图3.1.2 确定水流流向采用 Arc GIS 水文分析模块 Hydrology 来确定水流方向, 它的基本原理是采用D8 算法6, 一个栅格单元的水流流向定义是与之相邻的 8 个格网点中坡度最陡的栅格单元的方向, D8 算法详细计算过程参考文
21、献6, 坡度公式如式 (1) 所示。式中各参数参考文献30。图 4 是两种 DEM 数据源提取的艾比湖流域水流流向对比图, 图 4 (a) 是 ASTER-GDEM 数据水流流向计算后的图, 图 4 (b) 是 SRTM3-DEM 数据水流流向计算后的图, 对比两图可以看出两种 DEM 数据源计算出的水流流向有很大的不同, 也是因为这个原因在后面提取出的流域水系相差较大。图 4 艾比湖流域水流流向对比图 Fig.4 Flow Direction Comparison of Ebinur Lake Basin 下载原图3.1.3 计算汇流量主要利用 Arc GIS 水文模块下的 Flowaccu
22、mulation 函数确定河流的汇流量。它的主要原理是首先生成流向栅格图, 然后采用递归算法搜索水流路径, 累计流经的栅格单元数目乘以栅格单元面积即得汇流量31-32。图 5 是两种 DEM 数据源提出的水流汇流量栅格图, 其中图 5 (a) 是 ASTER-GDEM 数据的水流汇流量图, 汇流量累积数是 4.910;图 5 (b) 是 SRTM3-DEM 数据的水流汇流量图, 它的汇流量累积数是 5.610。对比两图可以看到, 汇流累积量较小的图 5 (b) 已经可以看到水流的大致趋势, 但是汇流累积量较大的图 5 (a) 却比较模糊, 较难看出水流的大致趋势。图 5 艾比湖流域汇流累积量
23、Fig.5 The Convergence of Ebinur Lake Basin Cumulant 下载原图3.1.4 提取河网水系生成河网水系的疏密程度是由给定的最小水道集水面积的阈值大小决定33, 本文采用的 Arc GIS Hydrology 水文模块就是采用的这一原理, 将汇流栅格图中所有大于或等于最小水道集水面积阈值的栅格提取出来, 生成河网水系的阈值设定时, 要综合考虑研究区的基本状况、流域地形、地貌、气候特征和水系用途等方面, 根据需要对不同级别的河流设定不同阈值, 或者采用试验的方法确定34-36。由于提取出的水系有些是虚假河道, 这就需要跟现实的河流水系进行对比, 选出适
24、合的阈值删除假河道, 得到与实际最接近的河网水系, 本研究中分别将汇流量阈值设置为 5 000、10 000、30 000 来提取河网水系。图 6是两种 DEM 数据源选取不同的阈值提取的河网水系对比图。其中, 图 6 (a) 是阈值为 5 000 时, ASTER-GDEM 数据生成的流域水系;图 6 (b) 图是阈值为 10 000 时, ASTER-GDEM 数据生成的流域水系;图 6 (c) 图是阈值为 30 000 时, ASTER-GDEM 数据生成的流域水系。图 6 (d) 图是阈值为 5 000 时, SRTM3-DEM数据生成的流域水系;图 6 (e) 图是阈值为 10 00
25、0 时, SRTM3-DEM 数据生成的流域水系;图 6 (f) 图是阈值为 30 000 时, SRTM3-DEM 数据生成的流域水系。图 6 不同阈值下艾比湖流域水系对比图 Fig.6 Under Different Thresholds of Ebinur Lake Basin River System Comparison Chart 下载原图注: (a) 、 (b) 、 (c) 是 ASTER-GDEM 数据提取出的水系, (d) 、 (e) 、 (f) 是 SRTM3-DEM 数据提取出的水系。由图 6 可以看出, 阈值的设定不同, 河网密度也不同。阈值较大时, 水系数量减少, 河
26、网就越稀疏。当阈值达到某个值时, 河网密度变化较平缓。通过不断取值试验和比较, 可以得出, 当阈值设为 30 000 时, 模拟的艾比湖流域河网与实际水系较为吻合, 同时选取阈值为 30 000 的水系能更方便地比较不同 DEM 数据源模拟的水系和实测水系之间的不同之处。3.2 模拟水系的精度验证3.2.1 利用 Google Map 的水文信息和实测水系对比验证为了验证河网水系提取结果的准确度, 将其与 Google Map 中的河流水系数据进行对比, 图 7 (a) 是 Arc GIS 提取的汇流累积量为 30 000 的水系数据, 图 7 (b) 是 Google Map 上的水系数据,
27、 为了突出细节信息, 只截取了博尔塔拉河的部分水系。图 7 (a) 中虚线是 SRTM3-DEM 数据提取出的水系, 实线是 ASTER-GDEM 数据提取出的水系, 与图 7 (b) 对比, 明显看出 SRTM3-DEM 提取的河网水系分布与参考数据水系分布较为吻合, 故 SRTM3-DEM 提取的河网水系的准确度较高。图 7 (a) 、图 7 (b) 两图中的星号点是选取的相同坐标的同一位置, 如图 7 所示。图 7 模拟水系和 Google Map 河流数据细节对比图 Fig.7 Simulated River Water System and The Google Map Inform
28、ation Detail Comparison Chart 下载原图考虑到 Google Map 上河网数据与实际河网水系会有出入, 本文又考虑将 DEM 提取河网结果与实测的河网水系 (数据来自博州水利局) 进行对比, 如下图所示, 图 8 (a) 是对 SRTM3-DEM 模拟出的阈值为 30 000 的河网水系进行矢量化和平滑处理之后的结果图, 图 8 (b) 是实测的河网水系图。对比两图可以看出, SRTM3-DEM 模拟出的水系与实际水系的吻合度较高, 模拟的一级河网博尔塔拉河、精河、奎屯河、四棵树河、古尔图河与实测河流水系基本一致, 模拟的二级河网和三级河网与实测河网水系有一些出入
29、, 整体来看, SRTM3-DEM 模拟河网水系的吻合度较高。图 8 模拟水系和实测水系对比图 Fig.8 Simulation of Water System and The Measured Water System Contrast Figure 下载原图3.2.2 填洼完成后艾比湖流域高程对比填洼是河网提取的关键步骤, 填洼结果对整个水系提取精度有着重要的影响, 填洼后的高程值决定着水流方向确定结果的好坏和汇流量计算结果的精度高低37。为了更进一步分析两种数据源在提取河网水系的差异性和精度, 对两种DEM 数据源填洼后的高程累计分布和频率变化进行对比分析, 如图 9 所示。图 9 研究
30、区域的高程累积频率分布 Fig.9 Elevation Frequency Curve of The Study Region 下载原图图 9 是 DEM 数据进行填洼后得出的高程累积分布频率表, 从图中可以看到: (1) 两组数据的高程很接近, SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 的高程累积分布曲线几近重合, 区别较小, 说明两种 DEM 反映的地形地貌情况基本一致。 (2) 两组数据频率分布有一些差距, 可以看出 ASTER-GDEM 的高程数据量相比 SRTM3-DEM 高程数据量偏少, 反映的地形高程变化幅度变小。 (3) 由前面表 1 可知, SRTM3-DEM的水平精度是
31、 20 米, ASTER-GDEM 的水平精度是 30 米, 随着 DEM 水平精度的降低, 高程的数据量减少, 反映地形的高程变化幅度减小, 高程标准差减小, 也就是流域地形的起伏变化减小, 趋于平坦, 那么 DEM 数据提取的河网水系信息将出现不同程度的失真。3.2.3 水流方向确定后艾比湖流域坡度对比根据水流方向可以确定栅格的地面坡度, tan=/L, 式中的参数可参考文献38。图 10 是艾比湖流域 SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 两种 DEM 数据的坡度分布和栅格频率图, 从图中可以看出, 流域坡度随着水流方向逐渐增大, 呈现正相关;SRTM3-DEM 和 ASTER-
32、GDEM 的坡度曲线很接近, 说明两种数据的高程值基本一致;两种 DEM 数据的栅格频率曲线均呈阶梯状分布, 但是 ASTER-GDEM 的相邻栅格频率变化比 SRTM3-DEM 的变化较大, 相邻栅格高程差表现出明显跃阶分布, 说明虽然 ASTER-GDEM 的水平分辨率较高但并不能代表它的精度也高, 这也反映在 ASTER-GDEM 的数字河网提取结果中。图 1 0 艾比湖流域坡度分布和栅格频率图 Fig.10 Slope Distribution Curve and Grid Frequency of Ebinur Lake Basin 下载原图3.2.4 河网相似性计算为了对比两种 D
33、EM 数据源提取出的流域河网水系的差距, 引入河网“套合差”来定量描述河网的相似程度, 主要思想是利用两条水系叠加产生的细碎多边形的面积和流域总面积的比值来计算水系的套合差比例, 值越小就代表两条水系的差异较小, 公式39如式 (2) 所示。式中的 和 S 参考文献39。图 11 是精河局部两条水系的套合对比图, 通过计算可得套合差比例是 12.5%, 若不考虑错误河道的影响, 说明利用 SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 分别提取的河网水系相差较大。图 1 1 河网的套合对比 Fig.11 River Network of The Set of Comparison 下载原图3.2
34、.5 两种 DEM 数据源提取的流域数字河网特征对比利用不同 DEM 数据源, 模拟出了两种艾比湖流域数字河网, 结合图 9、图 10 和图 11 对两种河网特征进行对比, 将两者的统计特征列于表 2。表 2 艾比湖流域数字河网特征对比 Tab.2 Comparison of The Features of Digital Drainage Network in Ebinur Lake Basin by SRTM3-DEM and ASTER-GDEM 下载原表 由图表知: (1) 在填洼完成后, SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 数据的高程标准差和平均高程相差不大, 但最大高程相
35、差较大, 结合图 9 可知 ASTER-GDEM 中出现高程异常值, 那么 ASTER-GDEM 提取出的流域河网水系出现一定程度的失真。 (2) 结合图 7 和图 11 可知, 在提取水系时, ASTER-GDEM 相比较 SRTM3-DEM 会生成很多与实际不符的错误河流, 并且填洼过程耗时较多, 这也说明 DEM 的水平分辨率较高对提取水系的影响不大。 (3) SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 数据的坡度平均值和坡度标准差都相差不大, 但由图 10 可以看出地面坡度与水流方向成正相关, 说明坡度的变化程度和分布状况会影响 DEM 模拟水系的准确度, 但针对SRTM3-DEM
36、和 ASTER-GDEM 两种数据来比较, 差异并不大。结合图 10 和表 2 可知, SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 两者的坡度相差不大, 反映的地势基本一致, 但水流方向上的栅格数相差较大。ASTER-GDEM 中不同水流方向上栅格出现的频率较小, 反映流域地形的起伏较小, 趋于平坦, 那么提取出的河网信息将会出现不同程度的损失40-41。3.3 讨论虽然 SRTM3-DEM 比 ASTER-GDEM 模拟出的河网水系与实际的河网水系吻合度较高, 但并不是完全与实际河网水系一样。模拟水系和实际水系之间出现偏差的原因分析大致有以下几个方面:(1) 本次试验的 DEM 数据自身分
37、辨率的限制可能会对后来的结果产生一定的影响。(2) 算法本身具有局限性42, 一些参数的设定会对模拟结果产生影响, 如采用 D8 算法计算水流方向时, 只定义了中心栅格的八个方向而对其他方向只做了近似处理, 使水流方向的计算被简化, 这会对模拟结果产生一定的影响。(3) 进行模拟水系的验证时, 虽然采用的是同一区域的 Google Map 河流数据和博州水利局的实测水系, 但利用 DEM 模拟的水系与参照数据的投影类别及参数会产生相应的投影误差43, 也会对结果产生一定的影响。本文是在刘远研究44的基础上, 从定性和定量两方面更加具体的阐述了SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 两种数据在模拟数字河网的异同。刘远文章中指出SRTM3-DEM 和 ASTER-GDEM 两种数据源均能提取出较高精度的河网, 而本文则着重对比这两种数据在艾比湖流域的应用, 发现 SRTM3-DEM 数据在提取水系时与实际的吻合度更高。此外, 刘远还指出“利用 DEM 提取数字河网的精度与当地的地面坡度有关, 坡度与地形地势有关, 而地势与 DEM 的水平分辨率有关, 指出栅格单元越小地势越精微, 与实际越相符。”, 但在本文的研究中发现,
