地理信息系統(tǒng)試驗水文分析-DEM應(yīng)用一、試驗?zāi)康呐c要求1.試驗?zāi)康乃姆治觯阂罁?jù)DEM提取河流網(wǎng)絡(luò)，進展河網(wǎng)分級，計算流水累積量、流向、水流長度、依據(jù)指定的流域面積大小自動劃分流域。通過本試驗應(yīng)到達以下目的：①理解基于DEM②把握利用ArcGIS2.試驗要求①了解水文分析工具②DEM③流向分析④計算流水累積量⑤計算水流長度〔流程〕⑥提取河流網(wǎng)絡(luò)⑦流域分析二、試驗原理水文分析根本步驟①無凹地的DEM1地理信息系統(tǒng)試驗DEM〔如采石場或喀斯特地貌〕DEM外表存在著一些凹陷的區(qū)域。這些區(qū)域在進展地表水流模擬時，由于低高程柵格的存在，從而使得在進展水流流向計算時得到不合理的或錯誤的水流方向，因此，在進行水流方向的計算之前，應(yīng)當首先對原始DEM數(shù)據(jù)進展凹地填充，得到無凹地的DEM。②關(guān)鍵步驟：流向分析―――流向分析原理ArcGIS中通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼〔D8算法〕，來確定水流方向。方向商定如左圖：共有八個方向，分別是2的n次方。水流的流向是通過計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差來確定的。距離權(quán)落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離，柵格間的距離與方向有關(guān)，假設(shè)鄰域柵格對中心柵格的方向值為2、8、32、128，則柵格間的距離為SQRT(2)≈1.414，否則距離為1。假設(shè)高程差為正值，則為流出；負值則為流入。③匯流累積量在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計算而來的。對每一個柵格來說，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過該柵格，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成地表徑流。圖有些地方的計算不是太理解④水流長度〔流程〕水流長度通常是指在地面上一點沿水流方向到其流向起點〔終點〕間的最大地面距離在水平面上的投影長度。目前水流長度的提取方式主要有兩種，一種是順流計算〔Downstream〕，一種是朔流計算〔Upstream〕。順流計算是計算地面上每一點沿水流方向到該點所在流域出水口最大地面距離的水平投影；朔流計算者是計算地面上每一點沿水流方向到其流向起點間的最大地面距離的水平投影。2地理信息系統(tǒng)試驗⑤提取河流網(wǎng)絡(luò)DEM上利用最大坡降的方法得到每一個柵格的水流方向；然后利用水流方向柵格數(shù)據(jù)計算出每一個柵格在水流方向上累積的柵格數(shù)，即匯流累積量，所得到的匯流累積量則代表在一個柵格位置上有多少個柵格的水流方向流經(jīng)該柵格；假設(shè)每一個柵格處攜帶一份水流，那么柵格的匯流累積量則代表著該柵格的水流量?；谏鲜鏊枷?，當匯流量到達肯定值的時候，就會產(chǎn)生地表水流，那么全部那些匯流量大于那個臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。⑥流域分析流域又稱集水區(qū)域，是指流經(jīng)其中的水流和其它物質(zhì)從一個公共的出水口排出從而形成一個集中的排水區(qū)域。用來描述流域還有例如：流域盆地〔basin〕長江流域、集水盆地〔catchment〕或水流區(qū)域〔contributingarea〕。Watershed數(shù)據(jù)顯示了區(qū)域內(nèi)每個流域匯水面積的大小。匯水面積是指從某個出水口〔或點〕流出的河流的總面積。出水口〔或點〕即流域內(nèi)水流的出口，是整個流域的最低處。流域間的分界限即為分水嶺，流域分水線所包圍的區(qū)域面積就是流域面積。三、試驗數(shù)據(jù)及軟件預(yù)備試驗數(shù)據(jù)：某地區(qū)1:5萬DEM數(shù)據(jù)。軟件預(yù)備：啟動ArcToolbox，開放[SpatialAnalysisTools]工具箱，翻開[Hydrology]工具集。四、試驗內(nèi)容及步驟無凹地的DEM生成原始DEM數(shù)據(jù)提取水流方向執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[FlowDirectionFlowDirectionForcealledgecellstoflowoutward(Optional3地理信息系統(tǒng)試驗選框前打鉤，則全部在DEM數(shù)據(jù)邊緣的柵格的水流方向全部流出DEM數(shù)據(jù)區(qū)域〔默認為不選擇〕。“dropraster”是該柵格在其水流方向上與其接近的柵格之間的高程差與距離的比值，以百分比的形式記錄，它反映了在整個區(qū)域中最大坡降的分布狀況〔可選步驟〕。凹地的計算執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[Sink局部截圖凹地填充Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[Fill對De進展填充[Fill]“Zlimi”為填充閾值，當設(shè)置一個數(shù)值之后，在凹地填充過程中，那些凹地深度大于閾值的地方將作為真實地形保存，不予填充；系統(tǒng)默認狀況是不設(shè)閾值，也就是全部4地理信息系統(tǒng)試驗的凹地區(qū)域都將被填平。DEM〔對填充后的dem〕執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[FlowDirection理解流向柵格單元的數(shù)值表示的含義。ValueCount計算匯流累積量〔對流向數(shù)據(jù)進展分析〕執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[FlowAccumulation在[FillInputweightraste”文本框中輸入權(quán)重數(shù)據(jù)，權(quán)重數(shù)據(jù)一般是表示降水、土壤以及植被等對徑流影響的因素分布不平衡而形成的，更能具體模擬該區(qū)域的地表特征。假設(shè)很多據(jù)，系統(tǒng)默認為全部的柵格配以一樣的權(quán)值1，那么計算出來的匯流累積量的數(shù)值就代表著該柵格位置流入的柵格數(shù)的多少。計算水流長度〔流程〕執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[FlowLength計算方向分別為Downstream〔順流計算Upstream〔朔流計算“Inputweightraster”文本框中輸入權(quán)重數(shù)據(jù)，Downstream記錄著其沿著水流方向到下游流域出水口中最長距離所流經(jīng)的柵格數(shù)；Upstream5地理信息系統(tǒng)試驗提取河流網(wǎng)絡(luò)提取河流網(wǎng)絡(luò)柵格①設(shè)定閾值。閾值的設(shè)定在河網(wǎng)的提取過程是很重要的，并且直接影響到河網(wǎng)的提取結(jié)果。閾值的設(shè)定應(yīng)遵循科學、合理的原則。首先應(yīng)當考慮到爭論的對象，爭論對象中的溝谷的最小級別，不同級別的溝谷所對應(yīng)的不同的閾值；其次考慮到爭論區(qū)域的狀況，不同的爭論區(qū)域一樣級別的溝谷需要的閾值也是不同的。②提取柵格河流網(wǎng)絡(luò)方式一：翻開Arctoolbox，運行工具[SpatialAnalystTools]>>[MapAlgebra]>>[單輸出地圖代數(shù)]。在[地圖代數(shù)表達式]中輸入公式：con(FlowAccumulation1>800,1)，[輸出柵格]指定為：StreamNet。計算的思想：利用所設(shè)定的柵格閾值進展條件查詢并將查詢結(jié)果賜予的柵格[FlowAccumulation1]中柵格單元值〔流水累積量〕大于800的柵格賦值為1，而小于或等于設(shè)定閾值的柵格屬性值賦為很多據(jù)，從而得到河流網(wǎng)絡(luò)柵格[StreamNet]。方式二：在ArcMap中，點擊空間分析模塊>>計算器,在計算器中輸入表達式：con(FlowAccumulation1>800,1)。關(guān)閉除[Streamnet]之外的其它圖層。柵格河流網(wǎng)絡(luò)矢量化執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[streamtofeature]偽溝谷的刪除和平滑處理河流網(wǎng)絡(luò)①偽溝谷的刪除6地理信息系統(tǒng)試驗由于基于DEM的河網(wǎng)的提取是承受最大坡降的方法，那么在平地區(qū)域〔例如谷底等〕水流方向是隨機的，就很簡潔生成平行狀的河流等錯誤外形〔偽溝谷[Editor輯剔除的。爭論區(qū)域邊緣的很短的溝谷也需進展刪除。②平滑處理河流網(wǎng)絡(luò)利用[Editor器]>>[更多的編輯工具]>>[高級編輯]翻開工具條：[高級編輯]，點擊其上的[平滑]按鈕〔以下圖中箭頭所指：在[平滑]處理對話框中輸入?yún)?shù)[允許最大偏移]：3，得到平滑后的河流網(wǎng)絡(luò)矢量圖層。或執(zhí)行[Arctoolbox]>>[DataManagementTools]>>[Generalization]>>[SmoothLine]比較平滑處理后的數(shù)據(jù)與沒有進展處理過的數(shù)據(jù)。streamlinkStreamlink〔河網(wǎng)的構(gòu)造信息。StreamlinkStreamlink的計算，即得到每一個河網(wǎng)弧段的起始點和終止點。同樣，也可以得到該匯水區(qū)域〔流域〕的出水口。執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[Streamlink]經(jīng)過計算，它將柵格河網(wǎng)在集合點柵格處分割成河網(wǎng)片段，并將片斷進展記錄，在屬性表中除了記錄該片段的ID[Streamlink]結(jié)果可利用[streamtofeature]轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。河網(wǎng)分級ArcGISStrahler分級和ShreveStrahler117地理信息系統(tǒng)試驗234級中，當且僅當同級別的兩條河網(wǎng)弧段匯流成一條河網(wǎng)弧段時，該弧段級別才會增加，對于那些低級弧段匯入高級弧段的狀況，高級弧段的級別不會轉(zhuǎn)變，這也是比較常用的一種河網(wǎng)分級方法。對Shreve1Strahler河網(wǎng)弧段，其級別的定義是由其匯入河網(wǎng)弧段的級別之和，執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[StreamOrder[StreamOrder]結(jié)果可利用[streamtofeature]轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。流域分析〔1〕流域盆地確實定流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域。它通過對水流方向數(shù)據(jù)的分析確定出全部相互連接并處于同一流域盆地的柵格。流域盆地確實定首先是要確定分析窗口邊緣的出水口的位置，也就是說，在進展流域盆地的劃分中，全部的流域盆地的出水口均處于分析窗口的邊緣。當確定了出水口的位置之后，也就是找出全部流入出水口的上游柵格的位置。執(zhí)行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[Basin為了使計算結(jié)果更簡潔理解，可以將上述計算出的矢量河網(wǎng)數(shù)據(jù)在同一個窗口中翻開，進展關(guān)心分析。全部的流域盆地的出口都在爭論區(qū)域的邊界上。利用流域盆地分析，可以從很大的一個爭論區(qū)域中選擇感興趣的流域并將該流域從整個爭論區(qū)域分割出來進展單獨的分析。翻開[空間分析]工具欄，執(zhí)行命令:[空間分析]>>[轉(zhuǎn)換]>>[柵格到要素]將流域柵格轉(zhuǎn)換成為矢量圖層，并進展符號設(shè)置。〔2〕集水流域的生成經(jīng)過上一步得到的流域盆地是一個比較大的流域盆地，在很多的水文分析中，還需要基于更小8地理信息系統(tǒng)試驗的流域單元進展分析，那么就需要進展流域的分割。而流域的分割首先是要確定小級別的流域的出水口的位置。①匯水區(qū)出水口確實定小級別的流域出水口的位置，可以用[Hydrology]工具集中的[SnapPourPoint]工具查找。思想:利用point點柵格數(shù)據(jù)查找潛在的出水點，并賦屬性值。在該點位置上在指定距離內(nèi)在匯流累積量的數(shù)據(jù)層上搜尋那些具有較高匯流累積量柵格點的位置，這些搜尋到的柵格點就是小級別的流域的出水點。也可以利用已有的出水點的矢量數(shù)據(jù)。假設(shè)沒有出水點的柵格或矢量數(shù)據(jù),可以用上述生成的streamlink數(shù)據(jù)作為匯水區(qū)的出水口數(shù)streamlink對而言，弧段的終點就是該匯水區(qū)域的出水口所在位置。②集水流域的生成低級的集水區(qū)的生成，可以使用[Hydrology]工具集中的[Watershed]工具生成。其思想如下：先確定一個出水點，也就是該集水區(qū)的最低點，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，分析搜尋出該出水點上游全部流過該出水口的柵格，直到全部的該集水區(qū)的柵格都確定了位置，也就是搜尋到流域的邊界——分水嶺的位置。通過streamlink作為流域的出水口數(shù)據(jù)所得到的集水區(qū)域是每一條河網(wǎng)弧段集水區(qū)域，也就是要爭論的最小溝谷的集水區(qū)域，它將一個大的流域盆地依據(jù)河網(wǎng)弧段將其分為一個個的小的集水盆