基于DEM的水系提取及水系网多级分解
基于DEM数据的羊圈沟流域水系网信息提取研究
基于DEM数据的羊圈沟流域水系网信息提取研究作者：孔辉来源：《乡村科技》2019年第10期[摘要] 本文以陕西省延安市羊圈沟流域为研究区，基于羊圈沟流域的SRTM-DEM数据，采用ArcGIS10.2中的Hydrology水文分析模块，对该流域的水流方向、水流长度、流量以及河网和流域分级的信息进行提取和分析，其中也确定了阈值的大小将直接影响流域水系的提取，同时验证了SRTM-DEM数据在水文分析中的应用价值，为该小流域开展的关于土体侵蚀强度以及沟道和坡面治理工程的生态安全保障技术集成的课题提供了研究基础，具有一定的参考价值。
[关键词] SRTM-DEM数据;Hydrology;水文信息;羊圈沟小流域[中图分类号] P332 [文献标识码] A [文章编号] 1674-7909（2019）10-110-2本文核心思想是借助DEM这种数字产品和处理平台来提取研究区所需的水文信息。
从数据角度出发，DEM数据内容丰富，包含了水文、地形等重要信息，获取方式相对容易。
另外，其技术路线相对成熟，通过DEM数据提取出水流长、流向、水流汇聚量、流域边界等信息，借助Hydrology模型可以综合计算得出所需的信息。
本文就是GIS空间分析功能在流域水系信息提取中的应用，将研究思路从传统的流域水文统计模型转向了基于地理信息技术和传统水文模型集成的新的分布式水文分析模型。
在传统的水文分析研究中，流域的提取是一个重要的方面，而对流域提取一般采用通过野外实地测绘作业来展绘水系网及获取水文信息，或者通过地形图等已有的图件资料来展绘水系网[1]。
然而，这两种方法的实际操作比较困难，很多险要的地方无法正常进行实地测量。
另外，人力、物力、财力投资巨大。
所以，通过DEM数据来获取相关信息对于水文学研究具有很重要的意义。
1 研究区域概括研究区域为陕西省延安市羊圈沟流域，位于延安市李渠镇，地处109°31′～109°71′E、36°42′～36°82′N。
基于DEM的延河流域水文特征提取与分析
域 河 网特 征 及 相 关 信 息 ， 与 １２ 并 ：５万 地 形 图 数 字 化 水 系进 行 分析 比 较 。 结 果 表 明 ： 水 面 积 阈值 是 决 定 河 网提 取 集 精 度 的关 键 参 数 ， 阈值 越 大 ， 取 河 网越 稀 疏 ， 之 则 提取 河 网越 密集 ； 着集 水 面 积 阈值 的 增 大 ， 源 数 和 河 网 密 提 反 随 河 度 、 流的级数、 河 总河 长 等 随 之 减少 ， 主 河 长 变 化 不 大 ； 阈值 为 ５５ ｉ 但 当 ．１ｋ ２时 ， 取 河 网 与 实 际 较 吻 合 。 因此 ， ｎ 提 基 于 ９ 分 辨 率 的 Ｄ Ｍ 数 据 提 取 延 河 流 域 水 系 和 子 流域 是 切 实可 行 的 ， 以作 为 数 字 流 域 建 设 与水 资 源 管 理 的基 ０ｍ Ｅ 可
第 ３ ０卷 第 ４期 ２１ ０ ２年 ７月
干 旱 地 区 农 业 研 究
Ａｇ ｉ ｕ ｔ ｒ ｌＲｅ ｅ ｒ ｈ ｉ ｈ ｉ ｄ Ａｒ ａ ｒ ｃ ｌ ｕ ａ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｅ Ａｒ ｅ ｓ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ． １３ ４
Ｊ １ ０１ ｕ ．２ ２
基 于 Ｄ Ｍ 的 延 河 流 域 水 文 特 征 提 取 与 分 析 Ｅ
总量 ２ ８ ．９亿 ｍ 。主 要 支 ３
流有杏 子河 、 西川 河 、 蟠龙 川 、 川河 、 南 平桥川 等 。流 域地 势西 北 高 而 东 南 低 ， 均 海 拔 高 度 ９０ ｍ 以 平 ５ 。 安塞县 的化 子坪 和宝 塔 区 的甘 谷驿 为界 ， 以将 流 可 域划分 成 上 、 、 游 河 区。上 游 为梁 峁 丘 陵 沟 壑 中 下 区 ， 形 陡峭 ， 地 河谷 狭窄 ； 中游 为峁状 丘陵 沟壑 区 ， 河
基于DEM的水系提取
基于DEM的水系提取基于DEM的水系提取——Arc Hydro Tools水系提取（1）Arc Hydro T ools 工具在GIS中需要另外下载安装，下载Arc Hydro Tools 的安装文件Arc Hydro Toolsfor10.msi.后，直接安装，安装后再Arc Map主菜单综合单机【自定义】—【工具条】—【Arc Hydro Tools】，加载Arc Hydro Tools 工具条，如下图（2）水系提取流程图低高（2）操作步骤1、加载Arc Hydro Tools工具条，再添加数据2、设置目标路径：在Arc Hydro Tools中单击【ApUtilities】---【Set the Target Locations】注意：加载使用矢量和栅格数据所在文件夹输入DEMDEM精度计算流向DEM预处理AGREE方法平滑DEM填洼处理计算上游集水面积河网分析流域分析3、DEM校正：在Arc Hydro Tools中单击【TerrainPreprocessing】---【DEM Manipulation】——【DEM Recondtioning】，然后设置参数，AgreeDEM是DEM数据（elev_cm）校正后的数据。
4、检查DEM中那部分被校正：打开AgereeDEM和校正前的DEM数据（elev_cm）的属性在源中对比检查，看信息是否相同。
5、填洼：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【DEM Manipulation】—【Fill Sinks】,打开下图对话框：注意：Deranged Polygon的值不能为空，如果其值位空[null]，则所选多边形区域就不会被填充；选中Use IsSink Field复选框，IsSink字段值位1的区域就会限制错乱的多边形。
6、计算流向：在在Arc Hydro Tools中单击【T errain Preprocessing】---【DEM Manipulation】—【Flow Direction】,如上图二。
基于DEM水系提取方法
基于DEM水系提取方法DEM（Digital Elevation Model）是一种数字高程模型，用于描述地球表面的地形起伏。
水系提取方法基于DEM数据，通过分析地势和水流方向，可以准确地提取出水系网络和水体边界。
本文将详细介绍基于DEM水系提取方法的原理和步骤。
首先，基于DEM数据，我们需要进行预处理，包括获取DEM数据、填补数据空洞以及进行地形平滑等操作。
常用的DEM数据获取方式有激光雷达测量、航空摄影测量和遥感数据等。
填补数据空洞可以使用插值算法，如克里金插值和反距离权重法等。
地形平滑可以通过滤波处理，例如均值滤波或高斯滤波。
接下来，我们需要计算流向和流量，即确定DEM中每个像元的水流方向和流量大小。
常用的算法有D8算法和D∞算法。
D8算法将每个像元的流向限制在了8个方向（上、下、左、右和四个对角线），适用于山地区域。
D∞算法则根据最大的坡度确定流向，适用于平坦区域。
流量大小可以通过计算坡度和路径长度的乘积获得，即流量=坡度*路径长度。
然后，根据计算得到的流向和流量数据，我们可以进行水系提取。
通常采用的方法是定义一个阈值，将流量大于或等于该阈值的像元作为水系的起算点，然后通过追踪每个像元的流向，逐步延伸水系网络，直到达到水体边界或流量小于阈值为止。
水体边界可以通过判定水体与非水体之间的高差来确定，一般称为水位线。
最后，为了使提取的水系与实际情况更加贴近，我们还可以进行水系修正和验证。
修正的方法有两种，一种是根据实地调查数据对提取的水系进行修正，另一种是通过对比提取的水系与真实水系，利用机器学习算法进行修正。
验证的方法包括水系极密度评价指标和多尺度分析等。
水系极密度评价指标可以通过计算水系长度及其与实际河网长度之比来评估提取结果，多尺度分析则是将DEM数据按不同的分辨率进行水系提取，并对比不同尺度下的提取结果。
综上所述，基于DEM水系提取方法是一种通过分析地形和水流方向来提取水系网络和水体边界的方法。
基于DEM的水系自动提取算法研究
基于DEM的水系自动提取算法研究董洪霞;张威;龚振华【摘要】基于数字高程模型（DEM）的水文信息自动提取，是进行水文模型研究的重要组成部分，利用 DEM数据进行快速而正确的提取信息将大大提高水文模型的应用效率，为更好地完成水文、地质分析提供保证。
对利用DEM获取水文信息的洼地填充算法、水流方向计算算法进行分析研究，并通过编程加以实现，最后将水系提取进行了测试，与ARCGIS中的实现结果对比，结果较一致、实现效率较高。
【期刊名称】《测绘技术装备》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】2页(P33-34)【关键词】DEM;填洼;水流方向;水系提取【作者】董洪霞;张威;龚振华【作者单位】西安测绘总站陕西西安 710054;西安测绘总站陕西西安 710054;西安测绘总站陕西西安 710054【正文语种】中文DEM（Digital Elevation Mode）即数字高程模型[1]，是地形、地物识别的重要原始资料，是对地表的一种有效的数据记录。
自20世纪60年代以来，国内外对利用数字高程模型进行地表水文特征的提取和地形的模拟进行了大量的研究。
通过提取水文特征信息，可以获取大量的潜在数据，进行很多的直接利用或者二次利用。
直接利用提取到的水文信息进行判读、使用，如在建立大坝的区域选址上，可以利用DEM数据获取地区的水文信息，通过计算汇流累积量得到最易于建立大坝的位置，从而进行大坝的地址构建等工作；在获取水文信息的同时，结合专业知识，可利用水文模型生成特有的信息，如结合利用矿井中的特有水文特点，利用水文模块进行处理利用、分析评价；还可提取水文信息对地质灾害进行防治，利用栅格数据模型来表现评价因子的地理分布，进行深入的空间分析和处理。
目前，利用DEM获取水文信息的算法层出不穷，本文研究使用改进的填洼算法和流向计算方法，适用于各种地形。
利用DEM自动提取水系的关键步骤包括：洼地填充、水流方向计算、河网提取。
DEMArcGIS水文分析—河网和流域提取
基于DEM的ArcGIS水文分析—河网和流域的提取一、实验背景水文分析是DEM 数据应用的一个重要方面。
而利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。
表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等。
二、实验目的通过本实验，使读者理解基于DEM数据进行水文分析的基本原理，掌握利用ArcGIS提供的水文分析工具进行水文分析的基本方法和步骤，并利用DEM数据提取出河网及流域。
三、实验数据某地区栅格数据DEM，数据来源于随书光盘（…\Chp9\Ex2）。
四、实验要求根据DEM利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行分割等。
五、实验流程图六、实验内容及步骤1．无洼地DEM生成DEM 是比较光滑的地形表面模型，但由于DEM 误差以及一些真实地形或特殊地形的影响，使得DEM 表面存在一些凹陷的区域。
在进行水流方向计算时，由于这些区域的存在，往往得到不合理的甚至错误的水流方向。
因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM 数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。
洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM 数据中的洼地区域，并计算洼地深度，然后，依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。
1．1 水流方向的提取水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定。
对于每一格网的水流方向指水流离开此网格的指向。
在ARCGIS 中，通过对中心栅格的1、2、4、8、16、32、64、128 等8个邻域栅格编码，中心栅格的水流方向便可有其中的某一值来确定。
例如，若中心栅格的水流流向左边，则水流方向赋值16。
流向的生成是个自动的过程，可能要等一段自时间，运算的时间跟电脑性能和DEM图的精度与大小有关.。
基于DEM的水文分析
基于DEM的水文分析介绍：基于基于DEM的水文分析的主要内容是利用水纹分析工具提取水流方向、汇流累积量、水流量积量、水流长度、河流网络、河网分级以及流域分割。
（一）无洼地DEM生成DEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形（如采石场或喀斯特地貌）的存在，使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。
这些区域在进行地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，从而使得在进行水流流向计算时得到不合理的或错误的水流方向，因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。
数据：DEM数据dem（1）原始DEM数据提取水流方向执行[ Arctoolbox ] >> [Spatial Analyst Tools]>>[Hydrology]>>[Flow Direction ]在[ Flow Direction ]对话框中，“Force all edge cells to flow outward(Optional)”的复选框前打钩，则所有在DEM数据边缘的栅格的水流方向全部流出DEM数据区域（默认为不选择）。
“drop raster”是该栅格在其水流方向上与其临近的栅格之间的高程差与距离的比值，以百分比的形式记录，它反映了在整个区域中最大坡降的分布情况（可选步骤）。
（2）洼地计算执行[ Arctoolbox ] >> [Spatial Analyst Tools]>>[Hydrology] >>[Sink]。
（3）洼地深度计算1、双击Hydrology工具集中的Watershed工具。
2、3、（4）计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程a.打开Spatial Analyst Tools工具箱中Zonal工具集，双击Zonal Statistic工具，（5）计算每个洼地贡献区域出口的最低高程即洼地出水口高程a 打开Spatial Analyst Tools工具箱中Zonal工具集，双击Zonal fill工具（6）计算洼地深度a 在Spatial Analyst模块的下拉箭头。
基于DEM的水系自动提取与分级研究进展
第２７卷第１期２００８年０１月地理科学进展ＰＲＯＧＲＥＳＳＩＮＧＥＯＧＲＡＰＨＹＶｏｌ．２７，Ｎｏ．１Ｊａｎ．，２００８收稿日期：２００７－０５；修订日期：２００７－１２．基金项目：国家科技基础条件平台建设项目（２００５ＤＫＡ３２３００）。
作者简介：孙崇亮（１９７９－），男，汉族，博士研究生，主要从事遥感与地理信息系统应用研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｃｌ＠ｌｒｅｉｓ．ａｃ．ｃｎ基于ＤＥＭ的水系自动提取与分级研究进展孙崇亮１，２，王卷乐１（１．中国科学院地理科学与资源研究所，北京１００１０１；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）摘要：随着信息化技术的快速发展，基于ＤＥＭ产品提取水系等数据已经变得不再困难，但是，目前无论在水系自动提取方面还是自动分级方面，都存在很多需要改进之处。
论文分析了自动提取河网水系与流域边界，以及河网水系分级的研究进展，在此基础上总结了当前存在的问题：（１）水系自动提取中的洼地处理、平地区域流向处理等；（２）河网水系自动分级方法中的参数单一，准确性较差，并且缺少水系实体之间的互相关联关系等问题。
在此基础上，提出了基于地理特征建立水系分级模型以解决分级问题的构想。
关键词：水系提取；水系分级；进展；模型１引言ＤＥＭ的概念由Ｍｉｌｌｅｒ于１９５８年提出，经过４０多年的发展，作为一种独立产品的ＤＥＭ已经在一定程度上替代了等高线在传统地形图中的作用，其应用正在越来越广泛地受到人们的重视，对ＤＥＭ数据产品的评价方面也进行了相关研究［１］。
水文水系数据是地理科学数据的核心之一，作为地学领域数据的一个重要组成部分，是支撑相关地学研究的基础性数据。
随着计算机在科研工作中的广泛应用，电子版的数据已经变得越来越重要，但目前采用的电子版水系大多却仍然来自于地形图和水系图纸。
这种情况往往会导致工作效率低下，所以在信息技术的支持下提高基于ＤＥＭ自动提取河网水系与流域边界及其分级方法的精度变得非常迫切。
基于DEM水系提取方法
DTM即数字地面模型，是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
DEM即数字高程模型，是DTM中最基本的部分，是DTM的一种特例，是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。
02
1.DEM简介
01
02
03
规则格网结构（grid）
不规则三角网结构（TIN）
2
1
DEM由于资料获取容易、成本低、存取效率高，适合各种流向算法，未来应用于自动化提取水系潜力较大
后续研究可依坡度与级序，分段整合不同的流向算法，并采用分辨率更高的DEM数据，以有效提高提取水系河道数据的精确度
6.展望
7.参考文献
不同流向演算法与集流阈值对数值地形模型河川网路萃取之影响 基于DEM的河网提取算法比较 基于DEM的平缓地区水系提取和流域分割的算法分析 基于DEM与遥感的数字流域水系提取研究 基于规则格网DEM的水系提取算法研究 基于数字高程模型的水系提取算法 浅谈数字高程流域水系模型 基于1:：100万DEM的我国地形地貌特征研究 数字地形分析的理论、方法和应用 The Extraction of Drainage Networks from Digital Elevation Data
谢谢！
01
03
02
04
该方法的技术路线
01
其核心部分为确定水流方向的流向算法
03
单流向算法：D8法、Rho8法等
02
流向算法
04
多流向算法：DEMON法、Dinf法、 MFD法等
单流向法认为每一格网单元本身产生的流量及其上游流量都流向其周围唯一的相邻网其坡度、坡向或曲面形态等因子分配给周围数个相邻网格。
基于SRTM DEM 数据的水系提取研究
基于SRTM DEM数据的水系提取研究于淼，任立良河海大学水文水资源学院，江苏南京（210098）E-mail：yidingyuyum@摘要: 基于数字高程模型DEM(Digital Elevation Models)提取水系信息，是研究分布式水文模型的基础。
而DEM数据源多种多样，本文分析了目前流行的90m分辨率的SRTM DEM 数据的特点，基于ArcGIS Hydro Tools验证了SRTM DEM数据在水文学中的应用，SRTM 数据比GTOPO数据分辨率高、精度好，有着广阔的应用前景。
关键词:DEM；SRTM；ArcGIS Hydro Tools；水系1引言基于DEM提取流域水文信息是研究分布式水文模型的基础，目前有许多常用的水系提取工具，如River Tools、ArcGIS Hydro Tools等，DEM数据可以通过数字化等高线，插值生成，也可以从互联网上下载，虽然精度相对较低，但是数据获取方便，能够满足许多应用需求。
本文在介绍了SRTM DEM数据后，运用ArcGIS Hydro Tools在老哈河流域进行了流域特征的提取，取得了不错的效果。
2SRTM数据简介DEM在科研领域的应用越来越广泛，目前在网上可以下载到的DEM数据主要有美国国家地球物理数据中心NGDC（National Geophysical Data Center）的空间分辨率为1km的DEM（网址：/mgg/global/global.html），美国联邦地质调查局(USGS)精度1km的DEM数据(网址：/gtopo30/hydro/)等。
现在，在互联网上还可以下载到分辨率达到90m的DEM数据，SRTM ( shuttle radar topography mission)由美国航空航天局(NASA)、美国国家图像测绘局(NIMA)以及德国与意大利航天机构共同合作完成，2000 年2 月11 日至22 日，通过装载于“奋进号”航天飞机的干涉成像雷达近11d 的全球性作业，得到了全球表面从北纬60°至南纬56°间陆地地表的80％面积、数据量高达12 Tbit 的三维雷达数据，然后对雷达数据进行相应的处理，生成精度较高的数字高程模型[1][2]。