河网分级及其应用
时间：2022-12-08 21:45:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
徐华平
（1.安徽省第二测绘院，安徽 合肥 230031）
1.1 自然对象
水系包括自然河流、沟渠和水体，其实体数据表达为点、线、面，取决于对应比例尺下的宽度、面积指标以及其他特征。单线水系和与其有串联关系的面状水系是河网研究的主要对象。自然河流是指地貌低点间水往低处流动的区域，表现为地表水从分水岭到汇水区域的流动以及在汇水区域内的运动。支流汇入干流，逐级汇入，呈树状结构。沟渠是指人工修建的供灌溉、引水、排水的水道。沟渠并非总是沿着汇水区域运动，符合地貌上的水往低处流的特点，地上渠有提水设施。干渠向支渠提供水源，表现为干渠流向支渠，支渠流向毛渠，毛渠流到田间，局部表现为逆树状结构。干渠是地面上人工开挖的供引水、排水的主干渠道；
修筑正规、渠道较宽，通达几十公里以上[2]。基础地理信息数据中干渠随处可见，不符合数据字典的定义。水体包括池塘、湖泊、水库、海洋等，是洼地积水的宽阔水面。本文首先构建面状水系（河流、运河、沟渠、水体）的中心线，形成水系结构线；
再与单线水系共同构成完整的河流网络[3]。
1.2 数据对象
将水系抽象为河流网络，仍需进一步细化河网的构成。河段是指两个结点间的有向线，如图1中8号点与9号点间的有向线。河段高差是指河段中首点高度减去尾点高度，高差为负的河段属异常，如图1中3号点到1号点为河段异常。1级河网是指源头到交汇点的河段。剥离1级河网后，按照1级河网原理标定的河网为2级河网，依次类推。源头是指河段的首点且悬挂，如图1中的8号点；
终点是指河段的尾点且悬挂，如图1中的1号点（错误的终点）。流经点是指两条河段的连接点，只有两个端点在此重叠。流经点异常（如图1的3号点）说明该处违背了一首一尾的连接方式，经过流经点的河段具有相同的河网级别。交汇点是指3个及以上的河段端点在此重叠，若交汇点均由首点或尾点构成，则属于异常，如图1的9号点和7号点。
图1 河网的数据对象
1.3 主要特点
不积小流，无以成江海。一条条支流，逐渐汇成干流，呈树状结构，如图2所示。终点数远小于源头数，因此保证河流终点正确比保证源头正确的工作量小很多。图2中蓝色方块表示终点，绿色圆点表示源头，直观上也能反映其数量关系。
图2 河网的树状结构
流向错误主要表现在3个方面：①河段高差为负数，并使用特殊颜色表示；
②流经点是两个河段的连接点，两个首点或尾点连接则显示结点异常；
③3个或3个以上的河段交汇处，若均为首点或尾点，标记异常。异常并不总是在第一时间被揭示出来，可能会在剥离1级河网、2级河网后才会出现。
2.1 算法设计
本文根据树状结构、水往低处流、首尾相接等河网特点设计算法。首先验证每个终点，并标记流经点、交汇点中的异常，标记并提取1级河网；
再对剩余数据重复上述处理，标记2级河网；
以此类推，直至交汇点为空集为止。
算法的具体步骤为：①目标数据添加字段；
②验证河网终点的正确性，修改高差为负的河段流向；
③人工处理流经点和交汇点的异常情况；
④标记1级河网；
⑤重复步骤②、③、④，分别标记为2、3、…、n级河网，直到交汇点列表为空。
2.2 程序简介
本文采用的开发语言为Python 2.7，主要模块为ArcPy。针对ArcGIS的gdb和mdb格式数据由若干功能函数组成，本文将功能函数的调用设计为人机交互式和一键式两种模式。函数的主要功能和形式参数为：
1）删除字段和增加字段：del_fld_2_fc(workspace"fc"flds)、add_fld_2_fc(workspace"fc flds)。
2）河段端点坐标：hydl_2_ptf_ptl(workspace"fc)。
3）端点重叠个数（含首点、尾点和总端点数）：hydl_2_ptf_ptl_pts(workspace"fc)。
4）结点类型（源头、终点、流经点、交汇点）：node_type(workspace"fc)。
5）河段高差计算：ptf1_ptl1_dh(workspace"fc"image_file)。
6）1级河网提取：export_fenji(workspace"fc)。
7）分汊河段处理：branching_river(workspace"fc)。
8）综合调用函数，主要用于一键式运行：run(workspace"fc"image_file"flds)。
交汇点为空值时，布尔值为false，终止执行程序；
否则持续依次运行上述函数，初始河网值设为1，运行时河网值递增1。除增加、删除字段外，其他值根据需要重新计算，如首尾点列表随河段的改向变化。
2.3 适用范围
对于自然河流，程序运行效果非常好；
而在沟渠密布区域有时会出现逆树状结构，通过大量验证“终点”数据也无法提供对流向判断的支撑，仍以人工分析为主。
人机交互模式是在河网每次分级前修改程序报出的问题，若某源头错判为终点，不及时修改，则无法生成局部1级河网，涉及的2级河网也无法生成，程序会将矛盾和异常记录在河网数据中，如高差为负值，在结点文件中会记录结点异常；
一键式模式是等程序全部运行后再进行问题修改，需考虑该错误的影响范围，易漏改、错改问题，往往需要运行多次，反复查看比对不同级别河网分级前的异常记录。
2.4 河网分级原理
1）Strahler法。没有支流的河流为1级，级别相同的河流交汇后的河流分级将升高1级，不同级别的河流交汇后，保持交汇前的高级别[4]。
2）Shreve法。没有支流的河流为1级，交汇后的河流分级是交汇前的级别之和。
程序首先生成1级河网，剥离并定名为fc_01；
再对剩余数据依次生成2、3、…、n级河网，命名为fc_02、fc_03等。河网分级结果符合Strahler法。
3.1 数据准备
本文提取安徽省南部某一水系区域，主要利用该区域的DLG、DEM、DOM数据。DLG中的HYDL数据是待验证的对象[5]。对HYDL数据进行过滤，排除溢洪道、干沟、河道干河等不参与河网分级和流向判断的要素，并对数据进行线重叠、微短线、自相交、相交打断处理[6]。河流也有立交的情况，需查看输水槽和地上渠的情况，避免这些数据的误处理扰乱（立交不打断）程序的进行。添加字段为后续分析、计算的结果提供信息载体。
3.2 数据质量测试
验证“终点”，逐条修改自然河流河段高差为负的区域，并分析其断在此处的合理性；
分析处理全部“流经点_异常”；
逐个核实“交汇点_异常”，并将质量测试结果符号化[6]，如图3所示。
图3 研究区范围内部大量的“终点”
1）不合理的终点。可通过延长、连接、添加结构线或改变方向来处理。
2）河流与沟渠混乱。河流与沟渠相交的不合理打断将干扰河网分级和水系流向的判断，排查交汇点个数≥4的区域。河流一定在汇水区，不管是否进行了人工修建。跨越河流和不同等高线的、不沿地貌低点流动的就按沟渠对待。
3）河流分汊。交汇点之后新增河段数≥2，则分汊后河网级数与分汊前保持一致，执行了河网分级原理；
并标记分汊点供人工结合影像图来分析。
4）封闭沟渠。类似池塘一样静止的水面，没有水源，也不外流。按独立水网对待，为1级河网。
3.3 程序运行
一键式模式、人机交互模式实际上均归结为人机交互模式，差别在于及时处理问题或事后集中处理问题。
给定数据路径后，再计算结点类型，并给出矛盾结点和问题河段，人机交互主要体现在这个环节。首先按提示修改每个问题，再计算结点类型，生成并提取1级河网。如此往复，生成并提取2级河网、3级河网等。若不通过人机交互处理问题，矛盾结点和问题河段将累计到程序运行结束。分级后叠加高程模型的河网分级结果如图4所示，正常情况下不使用DEM数据。
图4 河网分级结果
3.4 结果分析
迭代终止的条件是交汇点个数为0或源头数为0。表1中5个字段有4个字段的数量在大幅减少，唯独流经点—异常在增加，剥离上级河网后，才显露问题，这也是通过河网分级解决流向问题的价值所在。终点数不为0，是由于一条河流两头都是终点，程序无法为其分级，改正存在的错误后程序才能运行彻底。由于存在结点错误，初次运行的分级结果并不完全可靠，改正存在的错误才能得到满意的结果。
表1 分级结点类型统计
河网分级是解决水系流向问题的手段。通过确保河段终点的正确性，推算结点关系和终点所在河段的高差，可大幅提高解决水系流向的工作效率。
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