ArcGIS专题操作之-水文分析.docx

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1、地理信息系统试验水文分析-DEM 应用一、试验目的与要求1.试验目的水文分析：依据 DEM 提取河流网络，进展河网分级，计算流水累积量、流向、水流长度、依据指定的流域面积大小自动划分流域。通过本试验应到达以下目的： 理解基于DEM 数据进展水文分析的根本原理。 把握利用ArcGIS 供给的水文分析工具进展水文分析的根本方法和步骤。2.试验要求 了解水文分析工具 DEM 的预处理：填洼与削峰 流向分析 计算流水累积量 计算水流长度流程 提取河流网络 流域分析二、试验原理水文分析根本步骤 无凹地的DEM1地理信息系统试验DEM被认为是比较光滑的地形外表的模拟，但是由于内插的缘由以及一些真实地形如采

2、石场或 喀斯特地貌的存在，使得DEM外表存在着一些凹陷的区域。这些区域在进展地表水流模拟时，由于低高程栅格的存在，从而使得在进展水流流向计算时得到不合理的或错误的水流方向，因此，在进 行水流方向的计算之前，应当首先对原始DEM数据进展凹地填充，得到无凹地的DEM。 关键步骤：流向分析流向分析原理水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。在ArcGIS中通过将中心栅格的8个邻域栅格编码D8算法，来确定水流方向。方向商定如左图：共有八个方向，分别是2 的n 次方。水流的流向是通过计算中心栅格与邻域栅格的最大距离权落差来确定的。距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离，栅格间的距

3、离与方向有关，假设邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128，则栅格间的距离为 SQRT(2)1.414 ，否则距离为1。假设高程差为正值，则为流出；负值则为流入。 汇流累积量在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算而来的。对每一个栅格来说，其汇流累积量的大小代表着其上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格，汇流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。图有些地方的计算不是太理解 水流长度流程水流长度通常是指在地面上一点沿水流方向到其流向起点终点间的最大地面距离在水平面上的投影长度。目前水流长度的提取方式主要有两种，一种是顺流计算Downstream，一种是朔流计算Ups

4、tream。顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口最大地面距离的水平投影；朔流计算者是计算地面上每一点沿水流方向到其流向起点间的最大地面距离的水平投影。2地理信息系统试验 提取河流网络目前常用的河网提取方法是承受地表径流漫流模型计算：首先是在无凹地DEM上利用最大坡降的方法得到每一个栅格的水流方向；然后利用水流方向栅格数据计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量，所得到的汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格；假设每一个栅格处携带一份水流，那么栅格的汇流累积量则代表着该栅格的水流量。基于上述思想，当汇流量到达肯定值的时候，就会产生地表水

5、流，那么全部那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。 流域分析流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其它物质从一个公共的出水口排出从而形成一个集 中的排水区域。用来描述流域还有例如：流域盆地basin长江流域、集水盆地catchment或 水流区域contributing area。Watershed 数据显示了区域内每个流域汇水面积的大小。汇水面积是指从某个出水口或点流出的河流的总面积。出水口或点即流域内水流的出口，是整个 流域的最低处。流域间的分界限即为分水岭，流域分水线所包围的区域面积就是流域面积。三、试验数据及软件预备1. 试验数据：某地

6、区1:5 万DEM数据。2. 软件预备：启动ArcToolbox，开放Spatial Analysis Tools工具箱，翻开Hydrology工具集。四、试验内容及步骤1. 无凹地的DEM生成（1） 原始DEM数据提取水流方向执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Flow Direction 。在 Flow Direction 对话框中，“Force all edge cells to flow outward(Optional)”的复3地理信息系统试验选框前打钩，则全部在DEM数据边缘的栅格的水流方向全部流出DEM数据区域默认为不选择。“

7、drop raster”是该栅格在其水流方向上与其接近的栅格之间的高程差与距离的比值，以百分比的形式记录，它反映了在整个区域中最大坡降的分布状况可选步骤。（2） 凹地的计算执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Sink 。局部截图（3） 凹地填充执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Fill。 对Dem进展填充在Fill对话框中，“Z limit”为填充阈值，当设置一个数值之后，在凹地填充过程中，那些凹地深度大于阈值的地方将作为真实地形保存，不予填充；系统默认状况是不设阈值，也就是全部4地理

8、信息系统试验的凹地区域都将被填平。2. 关键步骤：无凹地 DEM 流向分析对填充后的dem 进展分析执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Flow Direction 。理解流向栅格单元的数值表示的含义。Value 表示方向Count 表示各个方向的个数3. 计算汇流累积量对流向数据进展分析执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Flow Accumulation。 在 Fill 对话框中，“Input weight raster”文本框中输入权重数据，权重数据一般是表示降水、土壤以及植被等对

9、径流影响的因素分布不平衡而形成的，更能具体模拟该区域的地表特征。假设很多据，系统默认为全部的栅格配以一样的权值 1，那么计算出来的汇流累积量的数值就代表着该栅格位置流入的栅格数的多少。4. 计算水流长度流程执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Flow Length 。计算方向分别为Downstream顺流计算和 Upstream朔流计算。 在“Input weight raster” 文本框中输入权重数据，Downstream 记录着其沿着水流方向到下游流域出水口中最长距离所流经的栅格数；Upstream 则记录着其沿着水流方向到上游栅格的

10、最长的距离的栅格数。5地理信息系统试验5. 提取河流网络(1) 提取河流网络栅格 设定阈值。阈值的设定在河网的提取过程是很重要的，并且直接影响到河网的提取结果。阈值的设定应遵循科学、合理的原则。首先应当考虑到争论的对象，争论对象中的沟谷的最小级别， 不同级别的沟谷所对应的不同的阈值；其次考虑到争论区域的状况，不同的争论区域一样级别的沟 谷需要的阈值也是不同的。 提取栅格河流网络方式一：翻开 Arctoolbox，运行工具Spatial Analyst ToolsMap Algebra单输出地图代数。在 地图代数表达式中输入公式：con (Flow Accumulation1800,1)，输出栅

11、格 指定为：StreamNet。计算的思想：利用所设定的栅格阈值进展条件查询并将查询结果赐予的栅格数据中。通过此操作将流水累积量栅格Flow Accumulation1中栅格单元值流水累积量大于800 的栅格赋值为 1，而小于或等于设定阈值的栅格属性值赋为很多据，从而得到河流网络栅格StreamNet。方式二：在 Arc Map 中，点击空间分析模块 计算器,在计算器中输入表达式： con (Flow Accumulation1800,1)。 关闭除Streamnet之外的其它图层。(2) 栅格河流网络矢量化执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrolog

12、y stream to feature (3) 伪沟谷的删除和平滑处理河流网络 伪沟谷的删除6地理信息系统试验由于基于 DEM 的河网的提取是承受最大坡降的方法，那么在平地区域例如谷底等水流方向是随机的，就很简洁生成平行状的河流等错误外形伪沟谷，需要利用Editor工具栏进展手工编辑剔除的。争论区域边缘的很短的沟谷也需进展删除。 平滑处理河流网络利用Editor工具栏进展编辑，选择图层中全部要素，执行 编辑器工具栏中的命令 编辑器更多的编辑工具高级编辑翻开工具条：高级编辑，点击其上的平滑按钮以下图中箭头所指：在平滑处理对话框中输入参数允许最大偏移：3，得到平滑后的河流网络矢量图层。或执行 Ar

13、ctoolbox Data Management ToolsGeneralization Smooth Line 比较平滑处理后的数据与没有进展处理过的数据。（4） stream link 的生成Stream link 记录着河网中的一些节点之间的连接信息河网的构造信息。Stream link 的每条弧段连接着两个作为出水点或集合点的结点，或者连接着作为出水点的结点和河网起始点。 通过Stream link 的计算，即得到每一个河网弧段的起始点和终止点。同样，也可以得到该汇水区域流域的出水口。执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Stream

14、 link 。 经过计算，它将栅格河网在集合点栅格处分割成河网片段，并将片断进展记录，在属性表中除了记录该片段的ID 号之外，还记录着每个片段所包含的栅格数。 Stream link 结果可利用 stream to feature 转换为矢量数据。（5） 河网分级在 ArcGIS 的水文分析中，供给两种常用的河网分级方法：Strahler 分级和Shreve 分级。对于 Strahler 分级来说，它将全部河网弧段中没有支流的河网弧段分为第1 级，两个 1 级河网7地理信息系统试验弧段汇流成的河网弧段为第 2 级，如此下去分别为第 3 级，第 4 级，始终到河网出水口。在这种分级中，当且仅当同

15、级别的两条河网弧段汇流成一条河网弧段时，该弧段级别才会增加，对于那些低 级弧段汇入高级弧段的状况，高级弧段的级别不会转变，这也是比较常用的一种河网分级方法。对 于 Shreve 分级而言，其第 1 级河网的定义与 Strahler 分级是一样的，所不同的是以后更高级别的河网弧段，其级别的定义是由其汇入河网弧段的级别之和，执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Stream Order 。 Stream Order 结果可利用 stream to feature 转换为矢量数据。6. 流域分析1流域盆地确实定流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域。

16、它通过对水流方向数据的分析确定出全部相互连接并处于同一流域盆地的栅格。流域盆地确实定首先是要确定分析窗口边缘的出水口的位置，也就是说，在进展流域盆地的划分中，全部的流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。当确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栅格的位置。执行 Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Basin 。为了使计算结果更简洁理解，可以将上述计算出的矢量河网数据在同一个窗口中翻开，进展关心分析。全部的流域盆地的出口都在争论区域的边界上。利用流域盆地分析，可以从很大的一个争论区域中选择感兴趣的流域并将该流域从整个争论区域分割出来进

17、展单独的 分析。翻开 空间分析 工具栏， 执行命令: 空间分析转换栅格到要素 将流域栅格转换成为矢量图层，并进展符号设置。2集水流域的生成经过上一步得到的流域盆地是一个比较大的流域盆地，在很多的水文分析中，还需要基于更小8地理信息系统试验的流域单元进展分析，那么就需要进展流域的分割。而流域的分割首先是要确定小级别的流域的出水口的位置。 汇水区出水口确实定小级别的流域出水口的位置，可以用Hydrology工具集中的Snap Pour Point 工具查找。思想: 利用point点栅格数据查找潜在的出水点，并赋属性值。在该点位置上在指定距离内在汇流累积量的数据层上搜寻那些具有较高汇流累积量栅格点的

18、位置，这些搜寻到的栅格点就是小级别的流域的出水点。也可以利用已有的出水点的矢量数据。假设没有出水点的栅格或矢量数据,可以用上述生成的stream link数据作为汇水区的出水口数据。由于stream link数据中隐含着河网中每一条河网弧段的联结信息，包括弧段的起点和终点等， 相对而言，弧段的终点就是该汇水区域的出水口所在位置。 集水流域的生成低级的集水区的生成，可以使用 Hydrology 工具集中的 Watershed 工具生成。其思想如下：先确定一个出水点，也就是该集水区的最低点，然后结合水流方向数据，分析搜寻出该出水点上游全部流过该出水口的栅格，直到全部的该集水区的栅格都确定了位置，也

19、就是搜寻到流域的边界分水岭的位置。通过stream link 作为流域的出水口数据所得到的集水区域是每一条河网弧段集水区域，也就是要争论的最小沟谷的集水区域，它将一个大的流域盆地依据河网弧段将其分为一个个的小的集水盆地。翻开 空间分析 工具栏， 执行命令: 空间分析转换栅格到要素 将流域栅格转换成为矢量图层，并进展符号设置。五、试验结果附图和总结结果图：总结：初步了解了水文分析的一般过程，首先将 dem 图进展填洼处理，再9地理信息系统试验对填洼后的图提取没个栅格点的流向，通过对流向数据分析计算得汇流累计量和水流长度，对河流累积量生成河网栅格并矢量化，对矢量化后的河网进展处理，生成河流连接，最终对河流进展分级生成流域与集水盆地。我们对 Toolbox 中的 Spatial Analysis Tools 的水流分析工具 Hydrology 的各个功能有了初步了解，只是对汇流累计量的具体算法不太明白，期望以后能加深理解。10