GIS支持下的清江流域资源环境空间要素分析

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更多发布于：2009-03-14 20:56

摘要：本文以清江流域为研究区域，基于GIS技术，衬清江流域的资源环境空间要素进行分析。研究选择ArcView3.3作为软件平台，探讨了数字高程模型（DEM）的建立，在此基础上进行水文模拟分析以及地貌形态分析，提取了流域的河网，进行了流域剖面图、坡度、坡向和粗糙度图的绘制，揭示了流域内资源环境的隐含信息总结分析结果，对区域的资源开发和环境保护的可持续性提出建议。 关键词：清江流域 GIS 空间分析 1 研究背景及思路 1.1 研究的目的、意义 在数字化、信息化飞速发展的今天，信息化的程度对现代化水平做出了新的衡量。“数字流域”的提出和逐步建立，为资源的开发利用与管理提供了便捷、高效的手段。利用GIS特有的空间分析功能，对清江流域内的资源、环境空间要素进行分析，揭示流域内资源环境的隐含信息，为该流域的资源利用和环境保护提供科学的决策依据，为流域的可持续发展提供保障。 1.2研究区域背景 清江流域位于108。35’~111。35’E,290。33’~30。50’N间的副热带地区。清江发源于鄂西利川县齐岳山龙洞沟，自西向东流经湖北省利川、恩施、建始、巴东、长阳等10个县市，于枝城市注人长江，属长江中游重要支流。清江流域80％以上地方为山地，其地势沟壑纵横，地表深切，海拔高差悬殊，呈现出极为明显的垂直地域差异，流域内有丰富的水资源、农业资源、矿产资源、旅游资源、气候资源、种类繁多的生物资源等区域持续发展的基础和优势；另一方面，清江流域脆弱的生态环境、频繁的自然灾害和落后的经济等在一定条件下限制着本区域的可持续发展[1]。 1.3研究的技术路线、方法 研究的技术路线为（流程图见图1)：在ArcView3.3的支持下，将流域数据信息输入系统，利用清江流域（隔河沿、高坝洲、水布娅库区）离散点的高程数值（X,Y,Z）生成TIN，建立数字高程模型（DEM)，根据空间分析的原则和预期达到的目标，用水文分析模块（Hydrologic）进行地表水径流路径、汇水区域地表河网分布、河网密度分析；用空l旬分析模块（Spatial analysis）具体实现在DEM基础上的表面分析，提取坡度、坡向、粗糙度；将图件整理分类并提取其中隐含信息，以区域的社会、经济、生态综合效益最大化和可持续发展为目标，对区域的资源开发和环境保护的可持续性提出建议。 
<IMG src="http://www.lrn.cn/bookscollection/magazines/maginformatization/2007maginformatization/xinxihua200703/200903/W020090313574389902315.png"> 2 空间要素数据的处理 2.1 软硬件平台的选择 本研究选取Arcview3.3为主要工具，同时借助Arc/Info及MapGIS，选用Arcview3.3的扩展模块：水文分析模块（Hydrologic）和空间数据分析模块(Spatial analysis)；选取硬件平台为：WindowsXP系统；2.20GHz的中央处理器；256M内存；4OGb容量硬盘；17寸彩色显示屏。 2.2 数据的处理 本研究采用的数据是清江流域分片区的离散点高程数值（X,Y,Z)，根据所选择的平台对数据格式的要求，首先要把数据转换为Arcview3.3特有的Shape格式，以便在系统中能被灵活调用，这是整个分析过程的基础性上作，也是很重要的一个步骤。 DEM生成的原理是将流域划分为m行n列的四边形网格（CELL)，通过计算每个网格的平均高程，然后以二维矩阵的方式存储高程。本次研究建立DEM的数据来源于清江流域四个不同区域的离散的高程点，通过Arc/Info中TIN模块进行处理，内插转换成GRID数据而生成。生成DEM后，由于研究过程中的栅格数据由矢量数据插值生成，数据中难免存在凹陷点或者无值网格等数据方面的缺陷，因此必须对数据进行预处理。 DEM的预处理过程包括数据的平滑、凹陷点的填充。平滑处理主要是消除栅格化、投影转换过程中对高程数据重采样而产生的无值网格以及凹陷点，实际工作中一般采用9个点1组的平滑处理由于平滑处理对整个DEM数值均有影响，且不能消除大面积的凹陷点集，因此必须对凹陷点进行填充处理。凹陷点是指四周高中间低的1个或组栅格点，在建立流域资源、环境空间要素集合时，为了创建1个具有“水文”意义的DEM，所有的凹陷点必须处理。 一般采用填充方法，先找出凹陷点周围最低栅格，然后将凹陷点所在栅格单元高程值垫高至最低栅格单元的高程值[2]。经过预处理，使DEM更适用于空间要素的提取与分析，使提取的要素更准确，使分析的成果更有价值。 用ArcView3.3可以将DEM地形用不同的形式表现出来，比如平面等高线图、三维立体图及立体格网图等。图2为高坝洲库区的DEM立体格网图，这样的表达效果可以直观地看出区域的地形状况。 
<IMG src="http://www.lrn.cn/bookscollection/magazines/maginformatization/2007maginformatization/xinxihua200703/200903/W020090313574389905766.png"> 3 空间要素分析 3.1 分析目的及对象 空间要素分析是通过分析算法和模型的辅助，从空间数据中获取资源、环境空间要素的位置、分布、形态、形成、空间演变等信息，其目的是利用这些科学的分析结果深化对清江流域资源和环境状况的认识，为资源的开发、灾害的防治和环境的保护提供决策依据。 坡度、坡向等地貌要素不仅决定了土壤水分、土壤发育、植被覆盖，影响着土地利用方式和气温、降水的空间分布，而且还控制着径流流向与流域河网水系的形成与发育，对地质灾害的发生也有着重大的影响作用。清江流域的河网、水系也是该区域内重要的空间要素，对地表水文的研究可以分析出水资源的分布状况本文阐述的内容主要与这几个方面的空间要素有关。 3.2分析过程及方法 3.2.1 水文空间数据分析 (1)河网提取 地形表面决定水流如何流经某一地区，要对河网、水系进行分析，在栅格DEM仁提取流域信息，栅格间流向的判别是基础[3]。从技术应用角度而言，DS算法成熟稳定，ArcView3.3的水文分析模块(Hydrologic)就是以D8法为基础的。其算法为：确定一个栅格的水流方向就是将被处理的栅格单元同其最邻近的8个栅格单元之间的坡降进行比较，被处理栅格单元中心同其相邻的8个栅格单元中坡降最大的一个栅格单元中心之间连线的方向被定义为被处理栅格的水流方向，并且规定一个栅格的水流方向用一个特征码表示。被处理栅格单元同相邻8个栅格单元之间坡降的算法为： 
<IMG src="http://www.lrn.cn/bookscollection/magazines/maginformatization/2007maginformatization/xinxihua200703/200903/W020090313574390056971.png"> 式中：Slope为两个栅格之间的坡降；Dz为两个栅格单元之间的高程差；Di为两个栅格单元中心之间的距离。 ArcView3.3空间分析中的水文分析模块Hydrologic Functions提供了这样一个功能用来研究与地表水流有关的地表的物理特性。以高程栅格数据DEM作为主要输人数据，采Hydrologic Functions,模块的watershed或basin等命令可生成集水流域（汇水区）和水流网络数据。 (2)断面分析 对随机截取的断面进行分析，显示断面参数即在河道DEM上用户任意取一个断面，可以查看流域断面的形状，计算断面几何特征（面积、形心、周长等等），用于分析河流流速，为水库坝址选择提供依据，能比较真实、直观地反映断面形状。如清江流域已经开发的三级电站高坝洲、隔河岩、水布娅的选址及装机容量的确定和这个分析结果有紧密的联系。图3即为高坝洲库区某个随机选取的垂直剖面图。 
<IMG src="http://www.lrn.cn/bookscollection/magazines/maginformatization/2007maginformatization/xinxihua200703/200903/W020090313574390053545.png"> 3.2.2 流域坡度、坡向、粗糙度分析 (1)坡度 地表单元的坡度就是其切平面的法线方向 ?与Z轴的夹角，坡度C的计算公式为： 
<IMG src="http://www.lrn.cn/bookscollection/magazines/maginformatization/2007maginformatization/xinxihua200703/200903/W020090313574390053194.png"> 式中：G为格网的坡度；Za、Zb、Zc、zd是一个格网上的四个格网点的高程；ds为格网的边长。 坡度是影响山地环境生态稳定的重要因素，坡度越大，区域的地质稳定性越差，水土流失的可能性也越大，容易引发侵蚀、径流量增加等不良后果。系统在空间分析的基础上能够自动将坡度分级统计。 (2)坡向的计算 坡向可从拟合平面z＝ax＋by＋c的法线在水平面上的投影方位确定。先根据公式： 
<IMG src="http://www.lrn.cn/bookscollection/magazines/maginformatization/2007maginformatization/xinxihua200703/200903/W020090313574390057836.png">
 得出方位角，然后方位角进行分级，分成8个区域，合并成阳坡、阴坡、半阳、半阴四个区域从而根据投影方位角位置，可确定坡向。 (3)粗糙度 表示某一个单位地表单元地势起伏的复杂程度，是指在一个特定的区域内，地球表面积与其投影面积之比[4]，即也可由相对高差的变化表示。起伏度在一定程度上可反映构造运动的幅度，对于水土流失、洪涝灾害、农业灌溉有重要意义。 利用Arc/Info中CRID模块的SLOPE和ASPECT命令，以DEM为基础数据，快速精确地进行坡度、坡向计算，提取较精确的坡度、坡向数据，计算出粗糙度[5]。在实际操作时，实现了利用ArcView3.3的3D分析拓展模块进行表面分析（Surface Analysis）提取坡度、坡向图。 3.3 分析结论 (1)流域地形 通过建立DEM，从其光栅图象和三维透视地形图，我们可以直观地看出清江流域内的一些地貌特点，反映出清江流域各坝区的地形起伏特点、总体走向和分布范围等，也可以看出流域从东到西，由平原、丘陵到山地地貌类型的展布特征及分布规律，以及地形的总体态势西高东低的特点。 (2)流域水系 按河谷地形与水流特性，干流河道大致可分为上、中、下3段，河源至恩施为上游，恩施至资丘为中游，是主要支流的汇集河段；资丘至河口为下游。清江共有25条支流，沿两岸分布较均匀，因而与干流构成形如羽状的水系。 (3)坡度、坡向 从坡度等值线图和坡度三维透视图可以看出，隔河岩库区、水布娅库区的坡度均较大。这两个区域的稳定性较差，也是清江流域的地质灾害主要分布区坡度和坡向在各类卜程中亦有很多用途，如农业土地开发中，坡度大于35o的土地一般被认为是不宜开发的，而且向阳的坡阳光充足，易于作物生长。 (4)专题图件的制作 利用Arcview3.3的制图与出版功能，从版面Layout中导出数据，添加图例、比例尺等制图要素，制作清江流域资源环境专题要素图，为测绘、资源与环境、灾害防治、水土保持等与地形分析有关的科研及国民经济戈立用提供基础。 3.4 对区域可持续发展的几点建议 (1)水资源的合理开发和可持续利用 清江流域只级电站的梯级开发，最大限度地利用了水资源，为清江水资源的开发注人了活力，在以后清江流域水资源的开发利用方向应该考虑从单向利用走向综合利用，除了灌溉、发电之外，还与防洪、城市供水和调水、航运、渔业、旅游、生态、环境保护等目标相联系，一水多用。水利开发由点（工程）到线（河段、河流梯级开发）到面（库区生态与环境研究）到体（流域、自然、生态、环境、经济的复合大系统研究）的整体化和综合化方向发展。 (2)流域水土流失的防治 加强山地灾害治理加强流域山地灾害治理，保护自然环境流域山地灾害要进行综合治理，实现山水农田统一安排，并根据地方经济按轻重缓急次序安排实施，达到防灾减灾的目的。 (3)对流域进行综合规划和管理 流域自然地理、社会经济发展以及相关规划的成果经过长时间积累，已经形成了规模型的数据库。因此，流域的数字化可以直接从这些数据库中提取相关基础信息，并进一步将模型分析信息存储于数据库中，以利于管理和更新[6]。支撑流域资源环境的综合规划和协同管理奠定技术基础，实现清江流域的综合治理、协同调控、协调发展的可持续发展目标。 本文旨在抛砖引玉，希望引发大家对“空间分析”、‘数字流域”、“流域可持续发展对策”等方面更多的思考。 参考文献 [1]周伟，李江风．清江流域闰土资源与可持续发展初探[J]．资源开发与市场，2000(4):33--35 [2]章毅之，丁向群．基于GIS的流域数字划分方法研究 [J]．江西气象科技，2003(3):37--39 [3]杨大文等．基于栅格数字高程模型DEM的河网提取及实现［J]．中国水利水电科学研究院学报，2004(3):50--56 [4]王鸿斌，刘斌，田杏芳，贾泽祥．黄土高原沟壑区典型小流域高精度DEM制作及其应用研究[J]．水土保持通报，2004(3):38--40 [5]减淑英，祖元刚．森林资源信息提取和制图技术方法研究［J]．地理科学，1999(5):83--86 [6]王化．污染控制的信息手段及其在中国的应用［J]．中国环境科学，2000(3):268--272

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没钱又丑，农村户口。头可断，发型一定不能乱。邮箱:gisempire@qq.com

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