基于不同DEM数据源的数字河网提取对比分析

数字河网研究包括生成DEM的数据基础与方法[1,2]、数字河网提取技术[3~8]、DEM分辨率[9~12]。目前供免费下载的全球DEM数据有HYDRO1K[13]、SRTM3[14]、ASTER GDEM[15]三种,由于DEM可免费获得,研究主要集中于DEM水平分辨率对河网提取精度的影响。研究表明,DEM水平分辨率直接影响所提取的河网结构和精度[9~12],进而将影响分布式水文模拟结果。然而,这些研究大多针对同一DEM数据源,其所谓的不同水平分辨率DEM是基于某一较高分辨率的DEM经过重采样,生成一系列较低分辨率的DEM,而针对不同DEM数据源对所提取河网的影响研究,国内仅有少数报道[16]。另一方面,研究大多针对某一特定尺度的流域,而对数字河网与流域的多尺度及不同地形间的关系则研究很少。本文利用HYDRO1K、SRTM3 (version 4) 和ASTER GDEM三种DEM数据,分别提取韩江流域及其子流域的河网,对结果进行对比分析,探讨不同数据源和不同分辨率的DEM数据在不同尺度和不同地形流域上所提取的数字河网间的关系。

韩江流域（图1）位于115°13′~117°09′E、 23°17′~26°05′N范围,覆盖广东东部、福建西南部、江西东南部共22个县市,流域面积30 112 km2。其中山地约占70%,主要分布在流域北部和中部;丘陵约占25%,分布在梅江流域和其它干支流谷地;平原约占5%,主要分布在韩江三角洲。梅江是韩江的主流,在广东大埔的三河坝与汀江汇合后始称韩江,全长470 km。梅江、汀江、韩江干流和三角洲的集水面积分别为13 929、11 802、3 346和1 035 km2。

1） DEM数据源简介。HYDRO1K是USGS-EDC与UNEP/GRID联合制作的一个除格陵兰岛及极地以外的全球DEM,1996年发布,水平分辨率为1 km,采用兰伯特等积方位投影。HYDRO1K的数据基础是GTOPO30,并结合主要来自DCW的实际河网和流域边界,使其水文特征得到加强。GTOPO30是一个全球性的DEM,由USGS-EDC与多家机构合作,基于8种不同矢量、栅格数据源综合制作而成,水平分辨率是30″（约1 km）,垂直精度取决于所在区域的源数据精度,例如欧亚大陆大多数区域使用的由NIMA制作的DTED,垂直精度为±30 m,置信度90%。

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图1   韩江流域水系（韩江流域管理局官方图）

Fig.1   Drainage networks of Hanjiang River basin(from the Hanjiang River Administration Bureau)

SRTM是在德国和意大利航天机构的参与下,由NASA和NGA共同合作完成。该雷达影像数据的覆盖范围为60°N至56°S,超过地球陆地表面的80%。SRTM数据有SRTM1（水平分辨率为1″,约30 m,仅北美数据）和SRTM3（水平分辨率为3″,约90 m,覆盖全球）两种,于2003年6月公开发布,标称绝对高程精度是±16 m,置信度为90%,标称绝对平面精度是±20 m。原始的SRTM由于雷达成像的特征,产生很多数据空洞,经多版插补修正,目前已经发布第4版。

ASTER GDEM是由NASA和METI于2009年6月共同发布的最新的全球高程数据。覆盖范围为83°N到83°S,达到地球陆地表面的99%,是迄今为止最完整的地形数据。自2000年至今,ASTER还在不断获取和更新DEM数据。ASTER GDEM的水平分辨率为30 m,垂直精度是±20 m,水平精度是±30 m,置信度均为95%。由于云层覆盖、边界堆叠或其它异常的影响,ASTER GDEM第一版本原始数据局部地区存在异常。

2） 研究区域DEM数据分析。用矩形框截取韩江流域所在区域的DEM数据,数据基本特征列于表1,高程累积分布见图2。可以看到,① 三组数据的平均高程很接近,高程分布曲线差别较小,尤其是SRTM3和ASTER GDEM的曲线几近重合,说明各DEM反映的地貌状况基本一致。② 随着DEM水平分辨率的降低,数据量剧减,反映的地形高程变化幅度变小（最大值变小,最小值变大）,高程标准差变小,大高程栅格出现的频率变小（HYDRO1K）,即流域地形的起伏变小,趋于平坦,由DEM提取的河网信息将出现不同程度损失和失真。③ SRTM3和ASTER GDEM中出现负高程（低于海平面的洼地）,这是由数据误差造成的,因为韩江流域不存在低于海平面的洼地。

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图2   研究区域的高程累积分布

Fig.2   Elevation frequency curve of the study region

表1   研究区域DEM的基本特征

Table 1   The features of DEMs in the study region

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分布式水文物理模型BTOPMC[17~19]由地形、产流、汇流等子模型构成。其中地形子模型提供DEM河网提取方法,包括填洼运算、生成数字河网、划分子流域及其它提取地形相关信息算法。其核心是采用D8法[5]来确定栅格的水流方向,即水流按最大坡度或最大落差,流向与其相邻的8个栅格中的一个。因此,水流坡度为tanβ=ΔH/L,其中,ΔH是对象栅格与相邻8个栅格的最大落差,L是它们中心的水平距离。填洼是河网提取过程中最费时和关键的步骤,将直接影响河网的精度。与其它填洼算法不同,BTOPMC按地貌倾斜度采用不同高程增量逐步填洼,每次填洼时,相邻洼地仍然按地貌的总体趋势保持一个辐合坡度,当所有洼地都有明确的水流出路后,填洼循环终止。每次填洼的高程增量为：

dhi,j=hc1-αi+βjNr+Nc（1）

式中,i、j分别是洼地的行坐标和列坐标;hc是常数,考虑到上述DEM的高程都精确到m,取hc=0.1 m;Nr、Nc分别是原始DEM的行数和列数;α和β分别为X和Y方向地形倾角的权重系数,倾角越大,权重系数越大,近似取α=β=1。填洼后,洼地高程变为与之相邻的最低栅格单元的高程与高程增量的和。随着i和j的增大,越往下游,地势变得越平缓,高程增量也变得越小。填洼后计算栅格的上游集水面积。生成河流栅格图时,上游集水面积阀值采用试错法[20]来确定,用于试错的标准河网由地图的蓝线经投影配准后获得。

基于上述三种DEM数据,利用BTOPMC地形子模型提取潮安水文站（韩江干流控制性水文站,其下游即为韩江三角洲网河区）以上韩江流域主干河流的河网,从以下几个方面进行对比分析。

1） 计算效率。河网提取主要耗时在填洼,决定整个过程的效率。由表2可以看到,不同的水平分辨率导致各DEM的栅格总数不同（见表1）,其计算效率大不相同。随着水平分辨率的提高,栅格总数增大,洼地栅格数量也增多（但面积不一定增大）,填洼循环次数及填洼耗时都大幅度增大。因此,低水平分辨率的HYDRO1K的计算效率最高,高分辨率的ASTER GDEM的效率最低。另外,SRTM3的洼地栅格百分比最小,即其DEM在填洼前后改变最少,故最能保留原始地形信息。

2） 河网精度。以韩江流域的水文、水位站点作为控制点（见图1）,对水系图进行影像配准,得到标准河网,由各DEM提取数字河网时集水面积阀值均取40 km2（图3）。可以看到,数字河网均与

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图3   DEM提取的韩江流域数字河网

Fig.3   Digital drainage network of Hanjiang River basin extracted from DEMs

标准河网吻合良好,其中SRTM3提取的河网吻合最好,ASTER GDEM次之,HYDRO1K相对较差。HYDRO1K中出现与实际不相符的平行河道,这是由DEM水平分辨率低使得地势平坦化所引起的;三种DEM都生成一些错误河道,SRTM3中的错误河道很少,而HYDRO1K和ASTER GDEM中则出现较多错误河道,而且将部分外流域的河道纳入,这是数据源的垂直精度不足所致。

3） 河网相似性。引入河网套合差来定量描述河网的吻合程度[21],图4是河网1与河网2的套合对比,套合差D = ∑Ai/S,其中Ai是两河网叠加产生的细碎多边形的面积,S是流域总面积。套合差越小表示河网的吻合程度越高,反之亦然。HYDRO1K、ASTER GDEM提取的河网与SRTM3提取的河网的套合差分别为6.68%和2.09%。可见,若不考虑错误河道和纳入的流域外河道的影响,ASTER GDEM与SRTM3提取的河网吻合良好,而HYDRO1K与SRTM3提取的河网吻合较差。

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图4   数字河网的套合对比

Fig.4   Overlay of digital drainage network

4） 流域边界。如图3所示,SRTM3提取的流域边界与标准流域边界基本吻合,流域面积相对误差仅为0.57%,由于纳入了流域外的河道,HYDRO1K和ASTER GDEM提取的流域面积比实际面积大（表2）。若不考虑纳入流域外河道的影响,HYDRO1K、ASTER GDEM提取的流域边界与SRTM3提取的流域边界的套合差分别为2.36%和1.36%,均吻合良好,尤其是ASTER GDEM与SRTM3提取的流域边界吻合程度很高。

5） 地面坡度tanβ。根据水流方向确定栅格的地面坡度,统计特征列于表2。随着栅格尺寸的增大,流域地势均坦化（坡度平均值和标准差均变小）,HYDRO1K的坡度平均值和标准差不到其它两组数据的1/3和1/2。图5中,HYDRO1K的坡度分布曲线与另外两条曲线相差较大,坡度小于0.052 4的栅格超过栅格总数的一半,与流域的实际地形情况大不相符,从而极大地影响数字河网精度,图3a的平行河道正是在大面积坡度平缓区域生成的;SRTM3和ASTER GDEM的坡度分布曲线较为接近,即反映的地势基本一致,但在ASTER GDEM中呈明显的阶梯分布,说明ASTER GDEM的水平分辨率虽然较高,然而相邻栅格高程差呈明显跃阶分布,即水平分辨率高并不等同其DEM精度也高,这也反映在ASTER GDEM的数字河网提取结果中。

表2   韩江流域数字河网特征对比

Table 2   Comparison of the features of digital drainage network in Hanjiang River basin by HYDRO1K,SRTM3 and ASTER GDEM

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图5   韩江流域的坡度累积分布

Fig.5   Slope distribution curve of Hanjiang River basin

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图6   DEM提取的汀江流域数字河网

Fig.6   Digital drainage network of Tingjiang River basin extracted from DEMs

6） DEM重采样。将SRTM3和ASTER GDEM数据通过双线性内插法重采样,生成与HYDRO1K相同水平分辨率（1 000 m）的DEM,重新提取韩江流域河网。实验结果表明,重采样后的SRTM3和ASTER GDEM提取的河网与标准河网的吻合程度比HYDRO1K好,且不存在平行河道。但与原高分辨率的DEM相比,提取的河道变得不够圆滑,且纳入一些存在于流域外的新河道,重采样DEM分辨率越低,纳入的流域外的河道越多。因此,即使重采样到相同水平分辨率,SRTM3和ASTER GDEM数据源精度高于HYDRO1K,但低于原数据。

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图7   DEM提取的梅潭河流域数字河网

Fig.7   Digital drainage network of Meitanhe River basin extracted from DEMs

基于上述三种DEM数据,分别提取官庄水文站上游的汀江流域和三河坝水库上游的梅潭河流域（图1）的河网,标准河网分别从1∶28万的长汀县地图,1∶25万的大埔县和1∶23万的平和县地图获得。提取结果分析如下：① HYDRO1K提取的汀江流域和梅潭河流域河网与标准河网吻合度较差。当集水面积阀值取值较大,提取的河网稀疏,缺失很多小支流;当取值较小,出现很多平行河道,尤其在地势平缓的汀江流域山前平原。因此,由于流域尺度较小,1 km分辨率DEM的精度不足以提取完整的河网。② 图6、7中,SRTM3和ASTER GDEM提取的两个流域河网与标准河网吻合良好（集水面积阀值均取1 km2）,但ASTER GDEM提取的汀江流域河网纳入流域外河道。另外,若不考虑纳入流域外河道的影响,不管是汀江流域还是梅潭河流域,SRTM3和ASTER GDEM都提取到吻合良好的数字河网,套合差分别为5.11%和3.75%。③ 将各DEM数据提取的两个流域数字河网特征列于表3,可以看到,虽然梅潭河流域的面积比汀江流域小很多,但由于流域的平均坡度较大,各DEM数据提取的梅潭河流域的河网与标准河网的吻合度都高于汀江流域。

表3   汀江、梅潭河流域数字河网特征对比

Table 3   Comparison of the features of digital drainagenetwork in Tingjiang River and Meitanhe River basins

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曾红伟等[16]以洮儿河流域为研究对象,基于HYDRO1K、SRTM3 (version 2)、ASTER GDEM三种DEM数据,利用Arc Hydro Tools在无河网和有河网辅助的条件下提取数字河网。其结果指出在没有河网辅助时,HYDRO1K提取的结果最好,而SRTM3、ASTER GDEM在平原地区提取的结果较差;在有河网辅助时,SRTM3、ASTER GDEM提取的数字河网改善明显,三种DEM提取的水系都与真实河网相似。本文采用BTOPMC地形子模型数字河网提取方法,从不同的角度进行分析,得出以下结论：① 无论大尺度还是小尺度的流域,SRTM3和ASTER GDEM都能提取到较高精度的河网。虽然ASTER GDEM的水平分辨率较高,但其垂直精度低于SRTM3,因此生成了较多与实际不相符的错误河道,且填洼过程耗时多。② 当流域尺度较大时,HYDRO1K提取的河网具有一定的精度,但在地势平坦区域的效果较差;当流域尺度较小时,HYDRO1K提取不到与标准河网吻合较好的河网。③ 从DEM提取数字河网的精度与当地的地面坡度有关,地势越陡,提取精度越高;地势越平坦,提取精度越低。地势条件反映水平与DEM的水平分辨率有关,DEM栅格单元越大,反映的地势越趋于平坦、均匀,与实际情况差别越大;反之,DEM栅格单元越小,反映的地势越精微,与实际情况更相符;SRTM3和ASTER GDEM反映的地势基本一致,即当栅格单元小到一定程度时,如果相应的垂直精度不提高,则地势反映将趋于稳定。

SRTM3数字地形模型分辨率高、精度好,将来利用该DEM数据提取流域数字河网时,应与标配的实际河流水系进行比较,确定河流源头集水面积阀值,修正由于数据源误差所生成的错误河道,从而提高数字河网的精度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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