于淼，任立良
河海大学水文水资源学院，江苏南京（210098）
E-mail：yidingyuyum@126
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：aa.gov/mgg/global/global.html），美国联邦地质调查局(USGS)精度1km的DEM数据(网址：v/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]。 在SRTM的NASA/JPL SRTM: www.v/srtm/上可以通过FTP下载到DEM数据，早期的SRTM数据由于雷达技术的限制，存在许多空洞区域或高程数据缺失、失常等问题，目前可下载的SRTM数据也称为SRTM3－2，经过了美国国家地理空间情报局的处理，数据质量有了很大
的提高，缺失情况得到明显改进。
虽然SRTM数据现实性强，精度好，但也存在一些不足[3]：
1、数据覆盖范围只是北纬60度至南纬54度之间的环带状区域，不能
涵盖全球；
2、SRTM3－1的数据在水域、高山区和峡谷地区的质量不好，常常
有小块的数据空缺点、空白区；（目前可用的SRTM3－2数据质
量已经有了很大的改进）
3、由于雷达扫描特性，SRTM3－1的数据集是一种数字地表高程模
型（DSM），与实际地形有一定差异。（目前可用的SRTM－2
数据已经将DSM转化成了DTM）
SRTM 高程数据的分辨率有三种：SRTM1数据范围仅仅包括美国大陆，其空间分辨率为1s，即30m；
SRTM3 数据涵盖全球，空间分辨率为3s，即90m，目前中国地区可用的数据就是SRTM3，90米分辨率的高程数据；SRTM30 数据同样涵盖全球，分辨率是30s，即1000m。
3 基于ArcGIS Hydro Tools的水系提取
ArcGIS 9.0中集成的水文模块ArcGIS Hydro Tools是ESRI公司和美国德克萨斯州奥斯汀大学水资源研究中心研发的应用于水资源流域的数据模型，它可用于地形分析、水系提取、可视化显示等，功能强大，应用方便。该水文模块的算法与DEDNM、TOPAZ等水系提取工具一样，首先对DEM预处理，这其中包括了平滑处理和填洼处理，填洼方法采用的是先填平后垫高的方法，流向计算用的是D8方法，即算每个栅格与邻接栅格的最陡方向，然后算出栅格的上游集水面积，提取水系，其具体的流程如图1所示。
图1 Archydro水系提取流程
3.1 SRTM数据预处理
这不是戏
原始的SRTM数据是二进制图象数据，要在ArcView或ArcGIS中操作，需要进行一定的预处理，虽然3DEM、GLOBE MAPPER等软件提供了数据格式的转换功能，但转出的数据经常无法正常使用。而以下提到的数据预处理方法，则能取得很好的处理效果。大多数水文软件包都可以读取.BIL(Band-Interleaved by Line)格式的地理数据，例如ArcGIS Hydro Tools，因此只要给SRTM数据建立相应的.HDR头文件，在经过一系列的预处理，即可把SRTM数据转换为GRID的格式。具体的处理过程[4]如下（以下SRTM数据以老哈河为例，具体包含六个.HGT高程文件，分别是N41E117.hgt 、N41E118.hgt、 N41E119.hgt、N42E117.hgt、 N42E118.hgt 和N42E119.hgt）：
1、改变SRTM数据的后缀名.hgt为.bil，并建立对应的头文件.hdr，头文件的名字与相应SRTM数据相同。例如N41E117的头文件N41E117.hdr的形式如下：
N41E117.hdr
BYTEORDER M
LAYOUT BIL
NROWS 1201
NCOLS 1201
国家干部
NBANDS 1
NBITS 16
BANDROWBYTES 2402
TOTALROWBYTES 2402
BANDGAPBYTES 0
最后一分钟教学设计NODATA 32768
ULXMAP 117.0004166667
ULYMAP 42.0004166667
XDIM 0.000833333333333
YDIM 0.000833333333333
其中，ULXMAP的值当在东半球时为EYYY ＋ 0.0004166667，在西半球时为WYYY － 0.000416666
7；ULYMAP的值当在北半球时为NXX＋1.0004166667，在南半球时为SXX －1.0004166667；
2、在ArcCatalog中将.BIL文件转换为GRID的格式；
3、建立SRTM数据的投影坐标系统，具体坐标系统要注意下面三个参数的选择：
Projection: GEOGRAPHIC
Geographic Units: DD (decimal degrees)
Datum: WGS84
图2为建立投影坐标后N41E117.img的DEM数据。
图2 图3
4、如果是Intel CPU处理器，要转变图象数据的字节顺序。具体的操作方法是在Spatial Analyst扩展模块中，选择Raster Calculator，运行以下命令（以N41E117.img文件为例）：out_grid = con ([N41E117.img] >= 32768，[N41E117.img] – 65536，[N41E117.img])
然后把小于-9999的值设为空值。
setnull ([out_grid] < -9998，[out_grid])
图3为经过以上处理的N41E117.img的DEM数据文件
5、在N41E117.hgt 、N41E118.hgt、 N41E119.hgt、 N42E117.hgt、 N42E118.hgt 和N42E119.hgt这六个SRTM文件经过处理转为GRID格式的文件后，利用ArcGIS的Mosaic 方法合并结果文件。
图4为合并后的老哈河DEM。
图4 老哈河DEM
经过以上步骤，SRTM数据处理完毕，从最原始的二进制图象数据经过建立坐标系统、去值、合并等操作，得到最终的流域DEM数据。另外，除了按照以上方法进行数据处理以
外，根据SRTM数据的帮助文档，也可以在ArcInfo Workstation中，通过IMGEGRIDH函数和.AML程序来完成，具体细节可以参看SRTM帮助文档。
3.2 水系提取
ArcHydro水文分析模块主要由地形处理模块(Terrain Preprocessing)、地形形态模块(Terrain Morphology)、流域处理模块(Watershed Processing)、网络工具模块(Network Tools)、属性工具模块(Attribute Tools) 和附加功能模块(ApUtilities)六大部分组成，另还有流域跟踪（Flow Path Tracing），流域点描绘（Point Delineation）等功能菜单。
在水系提取时，常用地形处理、流域处理和网络工具等功能模块，
(1) 地形处理模块(Terrain Preprocessing)下包含以下常用功能菜单：
DEM Reconditioning 通过AGREE方法对DEM进行预处理；
Fill Sinks 填洼处理；
Flow Direction 确定DEM栅格流向；
Flow Accumulation 根据流向文件，确定每个DEM栅格的上游集水面积；
Stream Definition 根据上游集水面积阈值，确定流域栅格；
Stream Segmentation 把流域栅格连接成水系；
Catchments Grid Delineation 创建集水栅格；
Catchments Polygon Processing 根据集水栅格以多边形的方式勾画集水区；
Drainage Line Processing 以线型方式勾画流域；
Adjoint Catchment Processing 创建每个子流域集水区；sal
Drainage Point Processing 在每个集水区的下游处创建流域点；
另外还有在集水区中创建最长流域路径和坡度栅格等功能菜单。
(2) 流域处理模块(Watershed Processing)下包含以下常用功能菜单：
Batch Watershed Delineation 根据点特征创建子流域，同一个水系上的点，生成的子
流域重叠；
《父子TCK》
Batch Subwatershed Delineation 根据点特征创建子流域，同一个水系上的点，生成的子
郭志辰流域不重叠；
另外还有计算最长流径（包括全局流域和子流域）、建立流域3D线（从DEM中提取高程信息并结合2D线创建）、平滑3D线和根据2D或3D线计算最长流域路径参数等功能菜单。
(3) 网络工具模块(Network Tools)下包含以下常用模块菜单：
Hydro Network Generation 根据流域线、上游集水面积和流域点创建水文网络；
Node/Link Schema Generation 连接集水区/流域的中心点；
Store Flow Direction 存储水文网络的流向性信息；
Set Flow Direction 根据属性信息或数字化信息设定流域方向。
SRTM数据首先经过预处理，图4展示了老哈河的DEM信息，然后对DEM数据进行
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