基于GlobalMapper的高效流域提取方法

基于GlobalMapper的高效流域提取方法

谭德裕1马华安2刘军3

云南省水利水电科学研究院  昆明  650228

摘要：流域概念包含集水区边界及其中的河网，是进行水文水资源等研究的重要基础，随着数字高程模型的完善，从数字高程模型提取流域边界及河网已经成为主流的流域数据获取方式。目前主流的流域提取方法一般在ArcGIS中展开，主要运用其中的空间分析工具下的水文分析工具包进行，但是ArcGIS提取流域的方法比较繁琐，主要包括七个步骤：数字高程模型加载、地形填洼、流向生成、累积流量计算、光栅河网链接、矢量河网生成、流域边界提取，步骤多容易出错，而且因为ArcGIS是32位软件，对内存访问有限制（3.2G以内），且不能发挥多核CPU性能，对于较大流域提取效率低下。本文介绍基于GlobalMapper的高效流域提取方法，只需用其中的流域提取工具并做少许参数设置就能完成，且因为GlobalMapper为64位软件，还能调用多核CPU，流域提取过程变得简单高效。本文以云南某小流域开展了流域提取试验，该流域面积213.3平方公里，流域提取以12.5米的数字高程模型为基础，用传统ArcGIS空间分析工具下的水文分析工具包进行提取要花30分钟以上，但是用GlobalMapper不到20秒就可完成。如果流域出口的确定有偏差还会造成提取失败，当调整流域出口后再次提取流域时，在GlobalMapper中只需要把原来提取结果删除再次提取就能完成。

关键词：集水区；河网；数字高程模型；GlobalMapper；ArcGIS；水文包

0引 言

本文提出了一种新的方法来提取流域信息，这种方法利用了数字高程模型（DEM）的信息。国内外学者已经在研究利用DEM信息提取流域方面取得了长足的进展，例如使用提取路径算法、分水岭算法以及基于图形处理的方法。然而，这些方法存在一些问题，他们大多采用ArcGIS空间分析中的Hydrology水文工具包来提取流域信息，但是这种方法过程繁琐，容易出错，且因为ArcGIS是32位软件，内存资源利用受限，同时还不能利用GPU加速性能，对于高分辨率DEM数据（大数据量）的处理效率较低，对于复杂地形的处理效果也不佳。本文展示了这种方法的有效性，并与现有方法进行了比较。

1流域基本概念

流域指一个地理区域，在这个区域内所有的降水都汇集排入到一个共同水道中，如排入到一条江河、一个海河湾或其他类型的水体中（如图1）。流域包括所有地面水径流（雨水、雪融水、附近流水等）通过坡面向下流入到共同水道所经过的区域，也包括地下水流经的区域。

本文重点研究从DEM提取流域边界及河网的方法，因此只讨论地表水流经的区域。

2GlobalMapper简介

Global Mapper是Blue Marble Geographics公司开发的一款经济实惠且易于使用的GIS数据处理应用程序，可处理各种格式的空间数据集，并提供适合不同层次的GIS功能，无论是经验丰富的GIS专业人员和GIS制图新手都可找到高效率的工具。Global Mapper同样适合作为独立的空间数据管理工具和企业级GIS的组成部分，是任何处理地图或空间数据人士的必备工具。主要有以下显著特点：

无与伦比的空间数据格式支持；

低成本且易于使用（相比ArcGIS而言，购买成本几乎可以忽略）

恰到好处的GIS功能

无与伦比的免费支持（有很多免费资源提供）

Global Mapper不仅仅是一个实用程序；它内置了用于距离和面积计算、光栅混合、羽化、光谱分析、高程查询、视线计算、挖方和填方体积计算的功能，以及高级功能，如图像校正、从地表数据生成等高线、视场分析、流域描绘、地形层比较，以及3D点数据的三角测量和网格化。

Global Mapper直观的用户界面和逻辑布局有助于平滑学习曲线，并确保您在任何时间都能启动并运行。用户将快速看到高效的数据处理、精确的地图创建和优化的空间数据管理带来的巨大投资回报。

通过提供现成的完整GIS数据迁移解决方案，Global Mapper简化了公司或组织中空间数据的部署。没有必要为了获得所需的功能而购买昂贵的模块。Global Mapper积极的开发和发布周期确保产品随着您的需求和需求的变化而不断增长（几乎每年更新）。本文主要介绍当前较新的Global Mapperpro23.164位版。

3ArcGIS流域提取简介

ArcGIS流域提取大致要通过以下几个步骤：

（1）设置环境变量

新建工作目录，这一步比较重要，因为ArcGIS文件管理较复杂，一个图层包含很多的文件，尤其是新手极容易弄丢其中某个文件从而造成数据损坏打不开。建议尽量用英文路径及文件名，不然还会有莫名其妙的出错。如果有多核CPU，还可以把ParallelProcessingFactor设置为100%，以加快处理速度。

（2）加载DEM

数字高程模型（DEM）是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。

DEM有各种精度的产品，公开的数据主要有90m、30m、12.5m等，根据流域提取的范围及用途选择合适的精度，一些研究项目甚至要实测DEM才能满足要求。

用ArcGIS的数据加载工具把准备好的DEM加载进来，为了加速显示，对于较大DEM一般还要求Pyramid，跟着提示做就行。

（3）地形填洼_Fill

由于DEM数据产品总有局部瑕疵，为了不至于产生不想要的结果，对DEM首先进行填洼处理，用Hydrology包的Fill工具。

（4）流向生成_FlowDirction

按照与每个格栅相邻的8个格栅分析可能的水流方向，一般用D8类型，结果为一个格栅文件，供后面的流量分析使用。

（5）流量计算_Flow Accumulation

用上面（4）生成的流向格栅计算流入每个格栅的流量（累计），输出另外一个格栅文件，因为我们只需要提出来较大的水系，一般用格栅计算器把小于5000的格栅剔除，就得到河网格栅文件。

（6）河网连接_StreamLink

为了使上述（5）得到的河网格栅有一个统一的拓扑关系（上下游），用StreamLink对河网进行唯一性赋值。

（7）矢量河网生成_StreamtoFeature

上述生成的河网文件是格栅，不方便使用，我们还需要用StreamtoFeature把他变成矢量线（shp），这样矢量河网提取完毕。

（8）流域边界提取_Watershed

在（7）中生成河网干流出口定义一个Pour_Point（倾斜点），用流域边界提取工具Watershed提取集水范围（流域），得到一个格栅格式的流域范围，再用格栅转矢量工具转换成矢量面（shp），如果流域外的河网不要，还可以用流域矢量面对上面的河网矢量进行裁剪。

通过上面的流程可以看出，用ArcGIS提取流域河网及流域边界要分很多步骤，且要设置较多的参数（本文从略），过程还容易出错。

4 GlobalMapper流域提取

相比ArcGIS提取流域，GlobalMapper就简单高效太多，只需要一个命令加两三个参数设置就能完成流域提取，即：使用菜单中的Analysis下的GenerateWatershed（图2）即可自动完成上面所有的步骤。

图2流域提取工具

图3参数设置

只是要注意相关参数的设置，如图3中，参数1是河流汇集的格栅计数，该值越大得到的河网越稀疏（只保留较大支流）；参数2是设置忽略多长以下的河流；参数3就是给定流域出口（矢量点），如果要给定流域出口，需要先选择点矢量，再使用GenerateWatershed，这样就只生成以给定点为出口的流域；参数4就是填洼深度，正如ArcGIS处理时要先填洼一样，GlobalMapper直接提供填洼深度，由用户根据具体的DEM数据质量进行选择，更方便。上述参数设置完了OK就可以生成河网及流域边界（最终成果如图4），而且因为GlobalMapper是64位软件，又可以调用多核CPU计算性能，做起来非常轻松高效，如果对结果不满意，可以删除再次生成，直到满意为止。

另外GlobalMapper还有GPU加速显示功能，对于处理大项目更加方便。

5结论

本文以云南某小流域开展了流域提取试验（如图4），该流域面积213.3km2，以12.5m的DEM为基础，用传统ArcGIS提取要花30分钟以上，但是用GlobalMapper不到20秒就可完成。如果流域出口的确定有偏差还会造成提取失败，当调整流域出口后再次提取流域时，在GlobalMapper中只需要把原来提取结果删除再次提取就能完成。

参考文献：

[1]  MaribethH.Price《Mastering ArcGIS》[M]，SeventhEdition，McGraw-Hill Education，2014；

[2] Blue Marble Geographics 《GlobalMapperHelp》[Z]，2022；

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[6]  孙建伟.域间流域及自动提取方法研究[J]，地理信息科学学报，2013-12；

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