ASTER数据在寒区流域水系参数化中的应用--以木扎尔特流域为例.pdf

第3 4 卷第5 期中国矿业大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．5 2 0 0 5 年9 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g yS e p ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 5 0 6 5 5 0 5 A S T E R 数据在寒区流域水系参数化中的应用 以木扎尔特流域为例 张茜凤1 ，上官冬辉2 ，刘时银2 ，丁永建2 1 ．中国矿业大学资源与地球科学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中科院寒区旱区环境工程研究所，甘肃兰州 7 3 0 0 0 0 摘要介绍了以A S T E R 遥感数据为信息源，通过遥感图像处理技术自动提取天山南麓木扎尔 特流域的D E M ．根据已建立的数字高程模型，在A r c ／I n f o 模块支持下，自动提取流域水系的参 数，如栅格水系流向、自动生成河网等，并探讨了寒区流域水系的参数化过程．结果表明，部分冰 川覆盖的槽谷地形 U 形 区被误判为流域水系，其误差率为2 1 ．1 ％；经过剔除冰川覆盖区误判 以后的水系再与来自1 1 0 00 0 0 地形图的水系长度相比，误差仅为0 ．9 ％；另外，由于两者数据 源的获取时间不同，河流位置也略有差异，这可能与河道的摆动或改道相关，但来自A S T E R 影 像提取水系更能反映河道的近期信息．总体上讲，A S T E R 数据能适合寒区流域水系参数化的需 要，为水文定量化研究及应用提供数据基础． 关键词A S T E R ；木扎尔特；水系；寒区水文 中图分类号T P7 5 ；P3 3文献标识码A A p p l i c a t i o no fA S T E Rd a t ai np a r a m e t e r i z i n gW a t e r S y s t e mi nC o l dr e g i o n - 。_ _ _ _ C a s eS t u d yf o rM u z a e r t eV a l l e y Z H A N GQ i a n f e n 9 1 ，S H A N G G U A ND o n g h u i 2 ，L I US h i y i n 2 ，D I N GY o n g j i a n 2 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE a r t hS c i e n c e ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 210 0 8 ，C h i n a ； 2 ．C o l da n dA r i dR e g i o n sE n v i r o n m e n t a la n dE n g i n e e r i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ， C A S ，L a n z h o u ，G a n s u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h eD E Mi nM u z a e r t av a l l e yo fT i a n s h a ni Sa u t o m a t i c a l l ye x t r a c t e df r o mA S T E Rd a t a b yu s i n gt h er e m o t es e n s i n gt e c h n i q u e ．B a s e do nt h eD E M ，p a r a m e t e r so ft h ew a t e rs y s t e m ，s u c h a sf l o w i n gd i r e c t i o n ，f l o w i n gn e t w o r k ，a n dS Oo n ，a r ee x t r a c t e da u t o m a t i c a l l ys u p p o r t e db yt h e A r c ／I n f os o f t w a r e ，a n dt h ep a r a m e t e r i z e dp r o c e s so ft h ew a t e rs y s t e mi nc o l dr e g i o ni sd i s c u s s e d ． T h er e s u l ts h o w st h a tt h ep a r t s U - s h a p e dv a l l e y c o v e r e db yg l a c i e r sa r em i s i d e n t i f i e da st h ew a t e r s y s t e mw i t ha ne r r o rr a t eo f21 ．1 ％．H o w e v e r ，a f t e re l i m i n a t i n gt h em i s i d e n t i f i c a t i o n ，t h ee r r o r r a t ei so n l y0 ．9 ％c o m p a r e dw i t ht h ed r a i n a g es y s t e md e r i v e df r o mt o p o g r a p h ya tf ls c a l eo f1 10 00 0 0 ．T h e r ei sal i t t l ed i f f e r e n c ei nt h e i rl o c a t i o n so ft h et w or i v e r sb e c a u s eo ft h em i g r a t i o no f r i v e r ．T h ew a t e rs y s t e md e r i v e df r o mA S T E Ri m a g e sc a nw e l lr e f l e c tt h el a s ti n f o r m a t i o no ft h e r i v e r ．A saw h o l e ，t h eA S T E Rd a t ac a nm e e tt h en e e d so fp a r a m e t e r i z a t i o n ． K e yw o r d s A S T E R ；M u z a e r t ev a l l e y ；w a t e rs y s t e m ；h y d r o l o g yi nc o l dr e g i o n 收稿日期2 0 0 4 1 2 3 0 作者简介张茜凤 1 9 7 7 一 ，女，甘肃省兰州市人，从事资源环境与城乡规划方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报第3 4 卷 数字高程模型 D E M 作为描述地表高程信 息的重要表现形式，在流域信息参数化方面担负着 重要的作用n ≈] ．传统的D E M 生成是依赖航测地 形图，通过数字化方式输入到计算机中，再应用 T I N 模块生成不规则三角网，最终形成所需的栅 格型数字高程模型D E M ．近1 0 年来随着遥感技术 的日趋成熟和推广应用，自动提取D E M 已成为可 能．S P O T [ 4 ] 、E R S 一1 ／2 重轨干涉S A R 数据口1 等用 于自动提取D E M 使得利用卫星数据获取D E M 的 技术已经成为遥感发展的一个重要方向．A S T E R A d v a n c e dS p a c eb o r n eT h e r m a lE m i s s i o na n d R e f l e c t i o nR a d i o m e t e r ，高级星载热辐射反射辐射 计 是搭载在T e r r a 卫星上的对地观测传感器[ 6 ] ． 由于A S T E R 遥感数据具有较高的空间分辨率 1 5 m ，且具有星下点和后视成像能力 即具有同一轨 道的立体相对，V N I R 一3 N 和V N I R 一3 B ，表1 ，因而 可以用来自动提取数字高程模型 D E M ．然而， S P O T 、S A R 数据虽然有较高的D E M 高程精度，但 其高昂的产品价格使得在流域信息参数化应用上 受阻．相比较而言，使用A S T E R 图幅6 0 6 0 k m 2 具有很高的性能价格比，能适用于高分辨率 的流域参数化．本文将以天山南麓木扎尔特流域为 研究对象，选择两景A S T E R 数据，来探讨寒区流 域水系的参数化过程． 天山南麓木扎尔特流域 8 1 。6 0 7 E4 2 。1 0 7 E 总 流域面积为26 8 0k m 2 ．地形主要为冰川谷道地形． 南、北木扎尔特冰川1 分水岭为木素尔岭 泛称凌 山 ，研究区为南木扎尔特冰川所处的流域．由于强 烈的冰川及冰川融水作用，使得流域内地形比较复 杂．选择该区域提取D E M 并提取分布式水文参 数[ 7 3 的主要目的是为建立分布式寒区水文模型提 供数据基础． 1数据获取 本文使用的数据是A S T E RL 1 A 数据．选择 2 0 0 1 年6 月2 8 日的A S TL 1 A ．0 0 2 2 0 1 8 2 1 3 1 7 3 ，云集中在北面山区，占整景的4 6 ％； 另选了2 0 0 3 年8 月1 4 日获取的A S TL 1 A ．0 0 2 2 0 1 6 3 3 6 5 3 9 作补充，云覆盖率为1 9 ％．A S T E R 包 括3 个1 5m 分辨率的可见光／近红外波段 表1 、 6 个3 0m 分辨率的短波红外波段和5 个9 0m 分 辨率的热红外波段．本次工作选用了3 个可见光／ 近红外波段，并将b a n d 3 g r e e n ，2 c y a n ，1 r e d 作假彩色合成，以便于提取的水系进行叠加分析， 其中第三波段3 N 和3 B 具有星下点后视成像能 力．基于A S T E R 的立体像对提取D E M 是在P C I 软件O R T H O E N G I N E 模块下，利用A S T E R 影像 中的3N 和3B 波段，以1 1 0 0o o o 的地形图为 参考，采用二阶多项式进行纠正，提取D E M ．其中 分别采集了约2 0 个G C P s 地面控制点 点和4 0 个 T I E 同名点 点．独立验证点的均方根误差[ 8 1 显示 R M S E x y 分别为2 ．1p i x 3 1 ．5m 、1 ．8p i x 2 7m ． 对于提取出的D E M 的高程精度评价则采用了检 验“任意点法”[ 9 ] ，进行精度评价前首先将已建立的 D E M 空问分辨率为1 5 m 重采样成4 0m 不大于 1 1 0 00 0 0 地形图的等高距 ，使其与地形图能比 较．随后，在D E M 上分别随机采取了4 0 个点，计 算总均方根差R M S E z 8 2 ．4m ．由于几个小区域 总计约1 2k m 2 受云和山地阴影的影响，最大误 差为3 2 5m ，这些区域被排除在随机点外，并对其 进行了修改．这样的D E M 精度对于高山地是可接 受的．鉴于提取D E M 的精度与实际应用的需要， 最终重采用成边长为1 0 0m 的栅格型数字高程模 型D E M 图1 ，并转换为G r i d 格式． ， 图1A S T E R 数据自动提取的D E M F i g ．1D E Md e r i v e df r o mA S T E Ri m a g e s 表1A S T E R 可见光／近红外波段特征 T a b le1C h a r a c t e r i s t i c so f v i s i b lea n dn e a ri n f r a r e do fA S T E R 2 分析模型与计算步骤 本次研究以E S R I 公司研制的地理信息系统 软件A R C ／I N F O 作为工作平台．D E M 将流域划分 为M 行Ⅳ列的四边形，计算每个四边形的平均高 程，然后以二维矩阵的方式存储高程值的栅格数据 万方数据 第5 期张茜风等A S T E R 数据在寒区流域水系参数化中的应用 类型．用数字形式表达地形表面，具有便于存储、易 于分析、产生多比例尺等特性，适合于多种定量分 析和三维建模．通过A R C ／I N F O 的G r i d 模块，可 以从D E M 中提取大量的陆地表面信息，包含流域 网格单元的坡度、坡向、地表水流路径、河流网络 等． 2 ．1 数据预处理 由于D E M 水平和垂向的分辨率、D E M 生成 过程中的插值及高程数据本身的误差，通常会造成 栅格型D E M 存在“凹陷洼地”或“帽舌”的现象，即 某个格网单元的高程值小于 大于 任何其相邻格 网单元的高程值 图2 ．“凹陷洼地”或“帽舌”的存 在直接影响到河流流向的确定，为了便于水文分 析，必须对D E M 中的现象进行平滑或填充处理． 这一过程运用了A R C ／I N F O 中扩展模块G r i d 的 f i l l 操作． b ‰‰ 填充以前与以后的洼地剖面 ■一填充洼地 豳墙 填充以前与以后的帽舌剖面 - ■剔除帽舌 图2 运用f i l l 进行D E M 的预处理 F i g ．2 T h eD E Mp r e p r o c e s s e dw i t hf i l l 2 ．2 流向分析 一个关键的水文特征问题是根据格网来确定 格网的流向．经过预处理的D E M 可以用来计算需 要确定格网内部的水流流向．流向分析的目的是确 定所有格网单元的水流方向．水流流向是通过计算 D E M 每一格网单元与其相邻的八个格网单元之间 的坡度，然后按照最陡坡度或最大坡降的原则来确 定的．通过上述计算，把流域方向划分为东、东南、 南、西南、西、西北、北、东北8 个可能的流向 图 3 ，并最终形成包含所有格网单元水流方向的栅格 模型，称之为流向栅格模型 f l o wd i r e c t i o n ． 2 ．3 汇流分析 通过确定的栅格点流向，可以计算汇集到每个 栅格点上的上游水流直接或间接流向栅格点的栅 格数目，以此确定该栅格点的上游集水区面积，从 而建立包含每一个栅格单元的水流聚集点数据模 型 f l o wa c c u m u l a t i o n ． 图3 最陡坡度原则确定的格网流向 F i g ．3 G r i d b a s e df l o wd i r e c t i o nb y s t e e p e s td e s c e n tm e t h o d 2 ．4 河网生成 当流向栅格数据模型和水流集聚数据模型建 成以后，便可以用来创建流域河网了．要形成水系， 必须存在一定规模的上游给水区．因而需给定最小 上游给水区面积阀值，某一格网单元上游集水区面 积数值大于或等于给定的阀值的栅格点标定上水 系栅格点标记 图4 ．对整个水系而言，流域内上 游集水面积等于上游集水区面积阀值的格网点定 义为水道的起始点，大于阀值面积的格网点形成水 道． 然后，可以按照S t r a h l e r 的水系系统分类原 则[ 1 ⋯，确定河道级数 图5 ．从水道起点开始，根据 水流方向数据，赋予S t r a h l e r 级数1 级；逐渐向下 追索，当两支不同级数的水道相汇时，汇合点以下 的河段被赋予其中较大的级数；若两支相同级数水 道相汇，汇合点以下的河段的级数为在此基础上加 1 ． 图4由D E M 确定的木扎尔特河流域水系 F i g ．4D r a i n a g en e t w o r ki nM u z a e r t eR i v e r g e n e r a t e db yD E M 万方数据 6 5 8中国矿业大学学报第3 4 卷 2 ．5 与地形图和提取的水系比较 经过上述处理以后，将自动提取的流域水系栅 格矢量化，并与假彩色合成影像叠加，确定真实水 系 与假彩色合成的影像地物一致 与不符合的水 系 冰J 『I 覆盖区误判的水系 如图6 ，自动提取的 水系长度为2 5 0 ．2 4 k i n ，而真实的河流 即剔除冰 J I l 覆盖区误判的水系 长度为2 0 6 ．6 0k m ，误差率 达占2 1 ．1 ％．产生这种结果的原因有2 个一方面 可能是由于山谷冰1 1 f 作用的冰川槽谷地形，在自动 识别时，把冰川覆盖区识别为水系；另一方面，也可 能设置上游集水区面积阀值偏小．通过判读假彩色 合成影像，认为前者是造成这种结果的主要原因． 与1 1 0 0o o o 1 9 7 0 年 地形图上木扎尔特河水系 相比较，来自地形图的河流 2 0 4 ．8 0k m 与通过 D E M 生成的水系在形态上相当一致，真实水系长 度与地形图上的河流的误差率仅为0 ．9 ％．在河流 中部两者位置出现了一些不一致，这可能与两者数 据源的获取时间有关，即河流摆动或改道造成不一 图5S t r a h l e r 级数 F i g ．5 S t r a h l e rs y s t e mf o rs t r e a m 图61 1 0 万地图与自动提取的D E M 生成的河流水系比较 F i g ．6C o m p a r i n gt h er i v e rd e r i v e df r o mt o p o g r a p h ya t as c a l eo f1 10 00 0 0w i t ht h er i v e rg e n e r a t e db yD E M 致．总体上讲，基于A S T E R 数据自动提取的 D E M ，在寒区水文参数化研究方面适合分布式水 文模型D E M 的需要，更能反映河道的近期信息． 3 结果与讨论 通过上述分析，利用A S T E R 遥感数据，通过 遥感图像处理技术，可以快速地、自动地提取网格 化的D E M ，从而为水文模型的建立提供高分辨率 的数据源．利用格网化的数字高程和数字分析技 术，能自动提取流域特征，为分布式水文模型的实 现提供技术支持，为进一步利用数字化的遥感信息 创造条件．如从遥感资料中提取冰川、植被等分布 信息，并进行栅格数据运算，可更好地为分布式水 文模型服务． 致谢 感谢G L I M S G l o b a lL a n dI c eM e a s u r e m e n t s f r o mS p a c e 计划提供研究区域的A S T E R 影像；感 谢青藏高原研究所刘景时研究员在流域参数化方 面的指导；感谢谭海樵教授、鲁安新研究员在文章 摘要修改方面给予的帮助． 参考文献 [ 1 3 任立良，刘新仁．数字高程模型在流域水系拓扑结构 计算中的应用[ J ] ．水科学进展，1 9 9 9 ，1 0 2 1 2 9 1 3 4 ． R e nLL ，L i uXR ．A p p l i c a t i o no fd i g i t a le l e v a t i o n m o d e lt Ot o p o l o g i c a le v a l u a t i o no fd r a i n a g es y s t e m [ J ] ． A d v a n c e si nW a t e rS c i e n c e s ，1 9 9 9 ，1 0 2 1 2 9 1 3 4 ． E 2 ] 李昌峰，冯学智，赵锐．流域水系自动提取的方法 和应用[ J ] ．湖泊科学，2 0 0 3 ，1 5 3 2 0 5 2 1 2 ． L ICF ，F e n gXZ ．Z h a oR ．T h em e t h o d sa n d a p p l i c a t i o no fa u t o m a t i c a l l ye x t r a c t i n gs t r e a mn e t w o r k o fw a t e r s h e d [ J ] ．J o u r n a lo fL a k eS c i e n c e s ，2 0 0 3 ，1 5 3 2 0 5 2 1 2 ． [ 3 3 陈永良，刘大有，虞强源．从D E M 中自动提取自然水 系[ J ] ．中国图像图形学报，2 0 0 2 ，7 1 9 1 9 6 ． C h e nYL ，L i uDY ，Y uQY ．A u t o m a t i ce x t r a c t i o n o fn a t u r er i v es y s t e mf r o mD E M 口] ．J o u r n a lo fI m a g e a n dG r a p h i c s ，2 0 0 2 ，7 1 9 1 9 6 ． [ 4 ]常本义．S P O T 像片立体测图方法初探[ J ] ．测绘学 报，1 9 8 9 ，1 8 3 1 8 3 1 8 9 ． C h a n gBY ．T h ep r e l i m i n a r yr e s e a r c ho ns t e r e o p l o t t i n gm e t h o do fs p o ti m a g e r y [ J ] ．A c t aG e o d e t i c a e tC a r t o g r a p h i cS i n i c a ，1 9 8 9 ，1 8 3 1 8 3 - 1 8 9 ． I s ] 岳焕印，郭华东，王长林，等．利用E R S 一1 ／2 重轨干涉 S A R 数据提取D E M 及其精度分析[ J ] ．测绘通报， △N 万方数据 第5 期张茜风等A S T E R 数据在寒区流域水系参数化中的应用6 5 9 [ 6 ] [ 7 ] 2 0 0 l ，8 1 6 1 8 ． Y u eHY ，G U OHD ，W a n gCL ，e ta 1 ．D E M g e n e r a t i o nu s i n gE R S 一1 ／2r e p e a tp a s si n t e rf e r o m e t r i c S A Rd a t aa n dt h ei t sa c c u r a c ya n a l y s i s [ , J ] ．B u l l e t i no f S u r l r e y i n ga n dM a p p i n g ，2 0 0 1 ，8 1 6 1 8 ． A k i r aH ，R o yW ，H a r o l dL ．M a p p i n gf r o mA S R E R s t e r e oi m a g ed a t a D E Mv a l i d a t i o na n da c c u r a c y a s s e s s m e n t [ - J ] ．J o u r n a lo fP h o t o g r a m m e t r y ＆R e m o t e S e n s i n g ，2 0 0 3 ，5 7 3 5 6 3 7 0 ． 杨针娘，刘新仁，曾群柱，等．中国寒区水文学[ M ] ． 北京科学出版社，2 0 0 0 ，1 4 6 1 4 9 ． 上接第6 4 3 页 [ 6 ] 刘维民．纳米颗粒及其在润滑油脂中的应用[ J ] ．摩擦 学学报，2 0 0 3 ，2 3 4 2 6 5 2 6 7 ． L i uW M ．A p p l i c a t i o nOfn a n op a r t i c l e si nl u b r i c a n t s [ J ] ．T r i b o l o g y ，2 0 0 3 ，2 3 4 2 6 5 2 6 7 ． [ 7 ] 孙磊，周静芳，张治军，等．表面修饰磷钼酸铵纳米 微粒的合成及摩擦学行为研究[ J ] ．化学物理学报， 2 0 0 2 ，1 5 1 5 6 6 0 ． S u nL ，Z h o uJF ，Z h a n gZJ ，e ta 1 ．S y n t h e s i s ， T r i b o l o g i c a l b e h a v i o ro fs u r f a c em o d i f i e d N H 4 3 P M o l 20 4 0n a n o p a r t i c l e [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f C h e m i c a lP h y s i c s ，2 0 0 2 ，1 5 1 5 6 6 0 ． [ 8 ] C h e nS ，L i uWM 。P r e p a r a t i o no fD D P c o a t e dP b S n a n o p a r t i c l e sa n di n v e s t i g a t i o no ft h ea n t i w e a ra b i l i t y o ft h ep r e p a r e dn a n o p a r t i c l e sa sa d d i t i v ei n l i q u i d p a r a f f i n [ , J ] ．W e a r ，1 9 9 8 ，2 1 8 1 5 3 1 5 8 ． [ 8 ] [ 9 ] D w y e rJL ．M a p p i n gt i d e w a t e rg l a c i e rd y n a m i c si n e a s tG r e e n l a n du s i n gL a n d s a td a t a [ J ] ．J o u r n a lo f G l a c i o l o g y ，1 9 9 5 ，4 1 1 3 9 5 8 4 - 5 9 5 ． 惠凤鸣，田庆久，李应成．A s t e r 数据的D E M 生产及 精度评价口] ．遥感信息，2 0 0 4 1 1 4 1 8 ． H u iFM ，T i a nQJ ，L iY C ．P r o d u c t i o na n da c c u r a c y a s s e s s m e n to fD E Mf r o mA S T E Rs t e r e oi m a g ed a t a [ J ] ．T h eR SI n f o r m a t i o n ，1 9 9 9 3 7 1 0 ． [ 1 0 ] S t r a h l e rAN ．Q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fw a t e r s h e d g e o m o r p h o l o g y ．T r a n sA mG e o p h y sU n i o n ，1 9 5 7 ， 3 8 6 9 1 3 - 9 2 0 ． 责任编辑李成俊 [ 9 ] 于伟，傅洵．含纳米银有机流体的制备及其摩擦 学性能研究[ J ] ．摩擦学学报，2 0 0 4 ，2 4 5 4 2 5 4 2 8 ． Y uW ，F uX ．P r e p a r a t i o na n dt r i b o l o g i c a lb e h a v i o ro f o r g a n i c f l u i d c o n t a i n i n g s i l v e r n a n o p a r t i c l e s [ J ] ． T r i b o l o g y ，2 0 0 4 ，2 4 5 4 2 5 4 2 8 ． [ - 1 0 ] B r u s tM ，F i n kJ ，S c h i f f r i nDj ．s y n t h e s i sa n d r e a c t i o no ff u n c t i o n a l i z e d g o l dn a n o p a r t i c l e s [ J ] ． J C h e mS o c ，C h e mC o m m u n ，1 9 9 5 ，8 1 6 5 5 1 6 5 6 ． [ 1 1 ] 刘维民，薛群基，周静芳，等．纳米颗粒的抗磨作用及 作为磨损修复添加剂的应用研究[ J ] ．中国表面工 程，2 0 0 1 ， 3 2 1 2 9 ． L i uWM ，X H eQJ ，Z h o uJF ，e t a 1 ．A n t i w e a r p r o p e r t i e so fn a n o p a r t i d e sa n da p p l i c a t i o ns t u d yo f n a n o p a r t i c l e sa sr e p a i ra d d i t i v e s [ J ] ．C h i n aS u r f a c e E n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ， 3 2 1 2 9 责任编辑姚志昌 万方数据