基于DEM的ArcGIS水文分析-河網(wǎng)和流域的提取

1、基于 DEM 的 ArcGIS 水文分析 河網(wǎng)和流域的提取一、實(shí)驗(yàn)背景水文分析是 DEM 數(shù)據(jù)使用的一個(gè)重要方面。而利用 DEM 生成的集水流域和水流網(wǎng)絡(luò)， 成為大多數(shù)地表水文分析模型的主要輸入數(shù)據(jù)。 表面水文分析模型研究和地表水流有關(guān)的各 種自然現(xiàn)象例如洪水水位及泛濫情況， 劃定受污染源影響的地區(qū)， 預(yù)測當(dāng)某一地區(qū)的地貌改 變時(shí)對整個(gè)地區(qū)將造成的影響等。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本實(shí)驗(yàn)， 使讀者理解基于 DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析的基本原理， 掌握利用 ArcGIS 提供 的水文分析工具進(jìn)行水文分析的基本方法和步驟，并利用DEM數(shù)據(jù)提取出河網(wǎng)及流域。三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)某地區(qū)柵格數(shù)據(jù) DEM ，數(shù)據(jù)來源于隨書光盤

2、( Chp9Ex2 )。四、實(shí)驗(yàn)要求根據(jù) DEM利用水文分析工具提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、 水流長度、河流網(wǎng)絡(luò)(包括河流網(wǎng)絡(luò)的分級等)以及對研究區(qū)的流域進(jìn)行分割等。五、實(shí)驗(yàn)流程圖六、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1無洼地 DEM 生成DEM 是比較光滑的地形表面模型， 但由于 DEM 誤差以及一些真實(shí)地形或特殊地形的 影響，使得 DEM 表面存在一些凹陷的區(qū)域。在進(jìn)行水流方向計(jì)算時(shí)， 由于這些區(qū)域的存在， 往往得到不合理的甚至錯(cuò)誤的水流方向。 因此， 在進(jìn)行水流方向的計(jì)算之前， 應(yīng)該首先對原始 DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充， 得到無洼地 的 DEM 。洼地填充的基本過程是先利用水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算出

3、 DEM 數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域，并計(jì)算 洼地深度，然后，依據(jù)這些洼地深度設(shè)定填充閾值進(jìn)行洼地填充。1 1 水流方向的提取水流的流向是通過計(jì)算中心格網(wǎng)和鄰域格網(wǎng)的最大距離權(quán)落差來確定。 對于每一格網(wǎng)的 水流方向指水流離開此網(wǎng)格的指向。在 ARCGIS 中，通過對中心柵格的 1、2、 4、8、16、 32、64、128 等 8 個(gè)鄰域柵格編碼， 中心柵格的水流方向便可有其中的某一值來確定。 例如， 若中心柵格的水流流向左邊，則水流方向賦值16。流向的生成是個(gè)自動(dòng)的過程，可能要等一段自時(shí)間，運(yùn)算的時(shí)間跟電腦性能和 DEM 圖 的精度和大小有關(guān) .。方法是利用 ArcToolboxSpatial Anal

4、ysis Tools Hydrology Flow Direction ，生 成方向水流流向圖：若從 DEM 中作出來的流向分析的最大數(shù)值為 128 則不需要填洼，否則需要填挖。計(jì)算出來的水流分析1 2 洼地計(jì)算洼地區(qū)域是水流方向不合理的地方， 可以通過水流方向來判斷哪些地方是洼地， 并進(jìn)行 填充。 但是，并非所有的洼地區(qū)域都是由于數(shù)據(jù)的誤差造成的，有很多洼地是地表形態(tài)的真實(shí)反映。 因此在進(jìn)行洼地填充之前， 必須計(jì)算洼地深度， 判斷哪些地區(qū)是由于數(shù)據(jù)誤差造成 的，而哪些地區(qū)又是真實(shí)的地表形態(tài)。然后，在洼地填充時(shí)，設(shè)置合理的填充閾值?；具^程先分別雙擊 Hydrology 工具集中的 Sink、

5、 Watershed 工具計(jì)算出洼地區(qū)域圖、 洼地貢獻(xiàn)區(qū)域圖，打開 Spatial Analyst Tools 工具箱中的 Zonal 工具集，分別利用 Zonal Statistic、Zonal Fill 工具分別計(jì)算每個(gè)洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程，及計(jì)算每個(gè)洼地 貢 獻(xiàn)區(qū)域 出口的 最 低高 程，然 后在 ARCMAP 中 加載 Spatial Analyst 模 塊， 選 擇 RasterCalculator 對話框，通過命令 sinkdep= ( zonalmax-zonalmin )計(jì)算出洼地深度圖。計(jì)算出來的洼地區(qū)域計(jì)算出來的洼地貢獻(xiàn)區(qū)域洼地深度圖1 3 洼地填充經(jīng)過洼地提取后

6、，可以確定原始 DEM 上是否存在洼地，若有洼地，須進(jìn)行填充。而 洼地深度的計(jì)算為填充閾值的設(shè)置提供了依據(jù)， 系統(tǒng)默認(rèn)條件下是不設(shè)閾值， 即所有的洼地 區(qū)域都將被填平。對照地形資料，確定填充域值。沒有巖溶問題的話，直接用（洼地深度的 最大值 1）作為域值 （z limit ）。洼地填充是一個(gè)不斷反復(fù)的過程， 直到所有的洼地被填平， 新的洼地不在產(chǎn)生為止。方法是利用 ArcToolboxSpatial Analysis Tools Hydrology Fill 工具對洼地是深度圖進(jìn)行 處理，得到洼地填充圖：洼地填充圖2匯流累積量計(jì)算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(jì)算得到的。首

7、先基于無洼地 DEM 生成水流方向圖，利用該數(shù)據(jù)，雙擊 Hydrology 工具集中的 Flow Accumulation 工 具計(jì)算出匯流累積量數(shù)據(jù)，如圖所示：通過計(jì)算得到的匯流累積量數(shù)據(jù)3水流長度計(jì)算水流長度指地面上一點(diǎn)沿水流方向到流向起點(diǎn) （或終點(diǎn)） 間的最大地面距離在水平面上 的投影長度。它分為順流計(jì)算及溯流計(jì)算兩種，可通過雙擊 Hydrology 工具集中的 Flow Length 工具實(shí)現(xiàn)，其中計(jì)算方向分別選擇順流計(jì)算 Downstream 或溯流計(jì)算 Upstream。水 流長度的提取和分析在水文學(xué)或水土保持工作中均具有很重要意義， 因?yàn)樗鏖L度直接影響 地面徑流的速度，進(jìn)而影響

8、地面土壤的侵蝕力。順流計(jì)算出的水流長度溯流計(jì)算的水流長度4河網(wǎng)的提取首先是在無洼地 DEM 上利用目前常用的河網(wǎng)提取方法是采用地表徑流漫流模型計(jì)算：最大坡降的方法得到每一個(gè)柵格的水流方向； 然后利用水流方向柵格數(shù)據(jù)計(jì)算出每一個(gè)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(gè)柵格位置上 有多少個(gè)柵格的水流方向流經(jīng)該柵格； 假設(shè)每一個(gè)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。 基于上述思想， 當(dāng)匯流量達(dá)到一定值的時(shí)候， 就會(huì)產(chǎn)生地表 水流，那么所有那些匯流量大于那個(gè)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)。4

9、 1 河網(wǎng)的生成河網(wǎng)的生成基于匯流累積量數(shù)據(jù)，利用 Map Algebra 工具集中的 Multi Map Output 工 具中的 Con 命令或 Setnull 進(jìn)行有條件地查詢可以得到，還可以利用柵格計(jì)算器獲取。setnull ，將柵格圖像中滿足條件的柵格值設(shè)置為null ，即 nodata，這樣很便于在柵格圖像中刪除不需要的部分。 其對應(yīng) Grid 模塊命令為 setnull ，格式： outgrid = setnull 5, ingrid, 表示，如果 ingrid5 ，則變?yōu)?nodata，否則返回為原值。con 表示條件，如果滿足條件，返回為指定值1，否者返回為指定值 2， Gr

10、id 命令：outgrid = con 5, 10 ,100, 表示， 如果 ingrid 值 5，則對應(yīng)柵格值改為 10，否者改為 100。若 100 不指定，則返回為 nodata。這里可以指定多個(gè)條件。通過計(jì)算生成的柵格河網(wǎng)工具箱對柵4 2 柵格河網(wǎng)矢量化利用 ArcToolboxSpatial Analyst ToolsHydrologystream to feature 格河網(wǎng)進(jìn)行處理，如圖：矢量河網(wǎng)平滑處理河流網(wǎng)絡(luò)： 利用 Editor 工具欄對矢量河網(wǎng)進(jìn)行編輯， 單擊 Editor 下拉菜單， 單 擊 Staring Editor 激活編輯工具欄，在下拉菜單中選中More Edi

11、ting Tools Advanced Editing,選中整幅地圖，在彈出的 Advanced Editing 工具欄中點(diǎn)擊平滑（ Smooth ）按鈕 ，在彈出的 Smooth 對話框中 Maximum allowable offset 欄中輸入值“ 3”，表示允許最大偏移量為 3。從 而得到平滑處理后的河流網(wǎng)絡(luò)。用這種方法所平滑的流域河流網(wǎng)絡(luò)偏移量較大，可能會(huì)產(chǎn)生人為誤差，也可利用 Data Management Tools 工具箱下 Data Management ToolsGeneralizationSmooth Line 工具箱對河流 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行平滑處理。此種方法偏移較小。4 3 S

12、tream Link 的生成Stream Link 記錄河網(wǎng)中結(jié)點(diǎn)之間的連接信息，它主要是記錄河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)信息，其中每 一條弧段連接著兩個(gè)作為出水點(diǎn)或匯合點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)。Stream Link 的生成可以通過雙擊 Hydrology 工具集中的 Stream Link 工具實(shí)現(xiàn)，其屬性表 中記錄著每個(gè)片段所包含的柵格個(gè)數(shù)信息。如圖：Stream Link 示意圖4 4 河網(wǎng)分級 不同級別的河網(wǎng)所代表的匯流累積量不同，級別越高，匯流累積量越大，一般是主流， 而級別較低的河網(wǎng)一般則是支流。在 ARCGIS 的水文分析中，雙擊 Hydrology 工具集的 Stream Order 工具，可提供兩種常用的河

13、網(wǎng)分級方法： Strahler 分級和 Shreve 分級。如圖：河網(wǎng)的 Strahler 分級結(jié)果河網(wǎng)的 Shreve 分級結(jié)果5流域分割流域( watershed)又稱集水區(qū)域，是指流經(jīng)其中的水流和其他物質(zhì)從一個(gè)公共的出水 口排出從而形成的一個(gè)集中的排水區(qū)域。流域可以通過流域盆地( basin )、集水盆地 (catchment)來描述。5 1 流域盆地的確定流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域， 可利用水流方向確定出所相互連接并處于同 一流域盆地的柵格區(qū)域。雙擊 Hydrology 工具集中的 Basin 工具可以計(jì)算出流域盆地圖：計(jì)算出的流域盆地（線狀圖形為矢量河網(wǎng)數(shù)據(jù)）5 2 積水流域的確定除用流域盆地來描述外， 在水文分析中， 經(jīng)?；诟〉牧饔騿卧M(jìn)行分析， 首先通過 Hydrology 工具集中的 Snap Pour Point 工具尋找小級別流域的出水口位置，然后結(jié)合水流 方向，