1、 南阳师范学院 20XX 届毕业生 毕业论文（设计） 题 目： 基于不同分辨率 DEM 数据提取流域边界 的差别研究 完 成 人： 班 级： 学 制： 专 业： 测绘工程 指导教师： 完成日期： 目 录 摘要 (1) 0 引言 (1) 1 研究区概况 (2) 2 数据的获取 (2) 3 研究方法 (3) 3.1 流域边界提取基本原理 (3) 3.2 流域边界提取的步骤 (3) 3.2.1DEM 预处理 (3) 3.2.2 水流的方向计算 (8) 3.2.3 流量累积量计算 (9) 3.2.4 选择出水点操作 (11) 3.2.5 流域提取操作 (12) 3.3 提取的丹江流域准确性验证 (12
2、) 3.3.1 影像校准 (13) 3.3.2 汉江流域边界的矢量化 (13) 3.3.3 丹江流域与汉江流域边界的吻合度的比较 (14) 3.4 不同分辨率的 SRTM DEM 数据对丹江流域进行提取的比较分析 (15) 4 讨论与分析 (18) 5 结论 (19) 参考文献 (19) Abstract (20) 第 1 页 （共 21 页） 基于不同分辨率 DEM 数据提取 流域边界的差别研究 摘要： 从数字高程模型 (Digital Elevation Models,DEM)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。 本篇论文的研究目的是通过分辨率较高且在我国境内较
3、容易获取的 SRTM DEM 数据对丹江流域进行提取从而为南水北调水源水质的科学管理提供参考意见。论文中利用 ArcGIS/Hydrology的水文分析功能实现丹江流域提取的具体步骤，从相关地理知识上来看本篇论文所提取的丹江流域边界基本上是合理的。由于在我国境内获取的是 90m 分辨率的SRTM，利 用该分辨率的 SRTM 数据在使用 ArcGIS 进行流域边界的提取操作时处理速度太慢，所以我们可以进一步探究基于不同分辨率的 SRTM 数据对丹江流域进行提取的结果有什么不同的影响，实验表明适当降低 DEM 的分辨率对于流域提取结果的准确性影响并不是十分明显而且能大大缩短操作的时间。 关键词：
4、SRTMDEM；丹江；流域提取；不同分辨率 0 引言 DEM(Digital Elevation Models)是通过有限的地面高程数据实现对地形曲面的数字化模拟或者说是地形表面的数字化，它具有便于存储、更新、传播和处理等许多优点。 基于 DEM 可以方便进行坡度、坡向、水域提取和流域提取。集水流域是指水流及其他物质流向出口的过程中所流经的区域，即流向集水出口的水流所流经的整个地区。ArcGIS软件提供的水文分析模块主要用于流域的提取与实现。 目前在对于流域边界提取的研究中常用的数据有 SRTM DEM、ASTER GDEM 和 GTOPO 30。 SRTM DEM 是目前全球范围内可用的具有
5、较高分辨率的地形数据。一般来说对流域边界进行提取的方法有： 1.通过对水系进行野外测量获取； 2.通过在地形图上进行量测和分析来提取水体边界。显然，这两种方法都比较 复杂，需要花费大量的人力和物力 1。随着地理信息技术和空间技术的迅速发展和广泛应用， 从DEM（数字高程模型）中提取水域边界是当今 GIS 空间分析领域中的一个重要方面。 本文以丹江流域为例研究基于 DEM 提取流域边界的问题。 丹江第 2 页 （共 21 页） 是南水北调的源头， 南水北调中线工程是国家重点工程项目 ,其建设目的就是为了保证华北地区（特别是京津唐地区）的生活、生产用水 。高效、准确的获取该流域的边界对于南水北调水
6、源区的科学管理有着重要意义 2。本研究之目的即是探索 DEM 空间分辨率对于提取该流域之边界的影响。 1 研究区概况 丹江是汉 江的最大支流。丹江流域是南水北调中线工程水源区的重要组成部分。丹江发源于陕西省南部秦岭中段，流经伏牛山脉南麓，途径陕西省的商州、丹凤、商南县、河南省的淅川县后汇入 在湖北省丹江口水库注入汉江， 丹江河流域位于东经 109 30 112 00 ，北纬 32 30 34 10 之间。河流方向自西北向东南方向而去，地势东低西高，丹江流域面积 16812km2， 全长 443 公里， 干流全长287km，其中在陕西省境内长 243.5km，河南省境内长 44km，全部为山区河
7、道 3。该区域属亚热带季风气候，温湿润，水份比较丰沛，年降水量 800 mm 以上 4 ，年内分配不均， 丹江流域 多年平均径流量 为8.2 亿立方米，受季节性气候变化的影响，径流的年内分配不均，枯水期河水主要靠地下水补给，流量小而稳定， 洪水期 流量变化较大，5 10 月径流量占全年 75%左右，年际变化较大， 最大年径流量 16.3亿立方米，是最小年径流量（ 2.6 亿立方 米）的 6 7 倍 ,是长江各大支流中变化最大的河流。 2 数据的获取 本篇论文中基于 SRTM DEM 数据对丹江流域边界进行提取。 SRTM数据是由美国太空总署 (NASA)和国防部国家测绘局 (NIMA)联合测量
8、的， SRTM 的全称是 Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机雷达地形测绘使命， 2000 年 2 月 11 日上午 11 时 44 分，美国“奋进”号航天飞机在佛罗里达州卡那维拉尔角的航天发射中心发射升空，“奋进”号上搭载的 SRTM 系统进行了 222 小时 23 分钟的数据采集工作，获取了北纬 60 度至 南纬 56 度之间，面积超过 1.19 亿 km2第 3 页 （共 21 页） 的 9.8 万亿字节的雷达影像数据，覆盖全球陆地表面的 80%以上，该计划共耗资 3.64 亿美元，获取的雷达影像数据经过两年多的处理，制成了数字地形高程模型，该测量
9、数据覆盖中国全境。 SRTM DEM 数据每经纬度方格提供一个文件，精度有 1 arc-second和 3 arc-seconds 两种，称作 SRTM1 和 SRTM3,或者称作 30M 和 90M数据， SRTM1 的文件里面包含 3601*3601 个采样点的高度数据， SRTM3的文件里面包含 1201*1201 个采样点的高度数据。目前能 够免费获取中国境内的 SRTM3 文件，是 90 米的数据，每个 90 米的数据点是由 9个 30 米的数据点算术平均得来的 5-10。 3 研究方法 3.1 流域边界提取基本原理 流域边界提取基本原理：以规则格网表示的数字地面高程模型每点处有一个
10、单位的水量，按照自然水流从高往低处的自然流律，根据区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值，根据汇流能力采用阀值法确定河流网络，根据出水点，即该集水区的最低点，然后结合水流方向，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，一直搜索到流域的边界。 3.2 流域边 界提取的步骤 利用 ArcGIS Hydrology Tools 提取流域特征主要分为以下几步11-16: (1)DEM 预处理：实际地形由于存在真实的洼地，或因数据精度问题也会产生假的洼地，这样便会影响自然水流的正常流动。为了保证自然水流的正常流动，需要进行填洼处理， DEM 中任何认为或自然的洼地都必须用填洼功能进行处理去
11、除洼地。洼地填充是一个不断反复的过程，直到所有的洼地都被填平、新的洼地不再产生为止。由于一幅 影 像 不 能 完 全 包 含 丹 江 流 域 ， 所 以 我 们 需 要 对(srtm_59_05.tif,srtm_59_06.tif,srtm_59_05.tif,srtm_59_06.tif)四幅影像进行拼接处理。而且由于 SRTM DEM 的投影方式是UTM/WGS84，是一种球面坐标且以度为单位，所以我们还需要对 SRTM DEM 数据进行投影变换，选择的投影是 WGS1984 UTMZONE 49N。 又 由第 4 页 （共 21 页） 于丹江地区的图像数据量太大，所以我们进行 Extr
12、act by Mask 处理。 栅 格 图像 的 拼接 ： 在 ArcGIS 的 ArcTools 中选 择 Data Tools/Raster/Mosaic To New Raster 工具打开后将四幅影像输 入并进行拼接。 图像 的投影变 换：在 ArcTools 中选 择 Data Management Tools/Projections_And_Transformations/Raster/Define_Projection 工具打开后在 Input DataSet Or Feature Class 中输入拼接后的 丹江 地区 的栅 格图 像 ,然 后点 击 Coordinate Sy
13、stem 选择Select/Project Coordinate System/UTM/UTM WGS1984 UTMZONE 49N,便可进行投影变换。 投影变 换后可在 Spatial Reference Properties中查看 WGS 1984 UTM_Zone 49N 的参数如表 1 所示。 表 1 投影变换后的投影参数 Projection Transverse_Mercator False_Easting 500000.000000 False_Northing 0.000000 Central_Meridian 111.000000 Scale_Factor 0.999600
14、 Latitude_Of_Origin 0.000000 Linear_Unit Meter (1.000000) Geographic_Coordinate_System GCS_WGS_1984 Angular Unit Degree (0.017453292519943299) Prime Meridian Greenwich(0.000000000000000000) Datum D_WGS_1984 Spheroid WGS_1984 Semimajor_Axis 6378137.000000000000000000 第 5 页 （共 21 页） Semiminor_Axis 635
15、6752.314245179300000000 Inverse_Flattening 298.257223563000030000 拼接后经投影变换的丹江地区的 DEM 图像如图 1 所示。 图 1 投影变换后的丹江地区的 DEM 图像 由于丹江地区的图像数据量太大，在进行填洼操作之前，我们进第 6 页 （共 21 页） 行 Extract by Mask 处理，将丹江流域地区的范围大致提取出来（依据地理常识）。 掩膜操作：打开 ArcGIS 的 ArcCatalog 在该界面中新建一个ShapeFile 文件，由于我们研究的是对丹江流域地区大致提取所以该文件的类型是 Polyon 的面状。再
16、打开 ArcGIS 的 ArcTools 选择Spatial Analysis Tools/Hydrology/Extract by Mask 在 Input raster Or Feature mask data 中放入在 ArcCatalog 界面中新建的ShapeFile 面状文件。掩膜处理后的丹江地区的 DEM图像如图 2 所示。 图 2 经裁剪后的丹江地区的 DEM 图像 填 洼 操 作 ： 在 ArcTools 中 选 择 Spatial Analysis Tools/Hydrology/Fill 输入掩膜处理后的丹江流域的 DEM 影像，一般进行两到三次填洼操作即可，可用 Ras
17、ter Calculation 工具进行检查，如图 3、 4 所示。（用经 三次填洼后的图层图像减上一次填洼的图层图像，直至两幅图像的相减结果为零说明填洼已经完成。如图 4说明填洼工作已经完成。） 第 7 页 （共 21 页） 图 3 第一次填洼减原始 DEM 的图层图像 图 4 第三次填洼减第二次的图层图像 第 8 页 （共 21 页） （ 2） 水流的方向计算：水流方向的计算一般采用 D8 法确定流向。单个格网中的水流只有 8 种可能的流向，即只能流入与之相邻的8 个格网中，按此原则逐个计算 DEM 中所有的流向即得到流向栅格图（如图 5 所示）。对于每一个网格，水流方向指水流离开此格网时
18、的指向，在 ArcGIS 中通过对中心栅格的 8 个邻域栅格编码，中心栅格的水流 方向便可由其中的某一值来确定。例如中心栅格的水流流向左边，那么在其格网水流方向不能确定的情况，此时需要将个数方向值相加，这样在后续处理中从中相加中心格网的邻域格网的情况。 水流的方向是通过计算中心格网与邻域的最大距离权落差来确定。距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离即 hp d ，栅格间的距离与方向有关，如果邻域栅格对中心栅格的方向中心值为 2、 8、 32、 128（如图 5 所示），则栅格间的距离为 2 倍的栅格大小，否则距离为 1. 图 5 水流方向的定义 如果最大距离权落差值只有一个，那么就将此最大值所在的方向上的水流方向值作为中心格网处得水流方向值。如果有一个以上的最大距离权落差值，则在逻辑上以查表的方式确定水流方向。也就是说，如果中心格网在一条边上的三个邻域点有相同的落差，则中间的邻域32 64 128 16 1 8 4 2
