ArcGIS实验操作(十三)---基于DEM的水文分析

ArcGIS实验操作（十三）
基于DEM的水文分析
从DEM 中自动提取自然水系的算法过程如下：
依据水总是沿斜坡最陡方向流动的原理, 确定DEM 中每一个高程数据点的水流方向；然后根据高程数据点的水流方向数据来计算每一个高程数据点的上游给水区, 再根据上游给水区高程数据, 用阈值法确定属于水系的高程数据点；最后, 根据水流方向数据, 从水系源头开始, 将整个水系追索出来。

数据：在data/Ex13/文件下：
Dem数据
要求：基于DEM，利用水文分析工具提取水流方向、汇流量积量、水流长度、河流网络、河网分级以及流域分割等。

操作步骤：
1无洼地DEM生成
DEM是比较光滑的地形表面模型，但由于DEM 误差以及一些真实地形或特殊地形的影响，使得DEM 表面存在一些凹陷的区域。

在进行水流方向计算时，由于这些区域的存在，往往得到不合理的甚至错误的水流方向。

因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。

洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地区域，并计算洼地深度，然后，依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。

1.1水流方向提取
水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定。

对于每一格网。

水流方向指水流离开此网格的指向。

在ARCGIS中，通过对中心栅格的1、2、4、8、16、32、64、128等8个邻域栅格编码，中心栅格的水流方向便可有其中的某一值来确定。

例如，若中心栅格的水流流向左边，则水流方向赋值16。

启动ArcToolbox，应用水文分析模块(Hydrology) 下的流向确定(Flow Direction ) 命令, 生成8 方向水流流向图：
水流方向图
1.2洼地计算
洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过水流方向来判断哪些地方是洼地，并进行填充。

但是，并非所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地是地表形态的真实反映。

因此在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，判断哪些地区是由于数据误差造成的，而哪些地区又是真实的地表形态。

然后，在洼地填充时，设置合理的填充阈值。

基本过程先分别双击Hydrology工具集中的Sink、Watershed工具计算出洼地区域图、洼地贡献区域图，打开Spatial Analyst Tools工具箱中的Zonal工具集，分别利用Zonal Statistic、Zonal Fill工具分别计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程，及计算每个洼地贡献区域出口的最低高程，然后在ARCMAP中加载Spatial Analyst模块，选择Raster Calculator对话框，通过命令sinkdep=（[zonalmax]-[zonalmin]）计算出洼地深度图。

（1）洼地提取
（2）洼地深度计算A.计算洼地的贡献区域
B.计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程
每个洼地所形成的贡献区域的最低高程图C.计算每个洼地贡献区域出水口的最低高程即洼地水口高程
D.计算洼地深度
洼地深度图
1.3洼地填充
经过洼地提取后，可以确定原始DEM上是否存在洼地，若有洼地，须进行填充。

而洼地深度的计算为填充阈值的设置提供了依据，系统默认条件下是不设阈值，即所有的洼地区域都将被填平。

参考洼地深度图，结合小流域的实际地形，不断调试将阈值设为2500。

方法是双击Hydrology工具集中的FILL工具，选择需要进行洼地填充的原始DEM数
据，经过洼地填充生成的无洼地DEM。

经洼地填充生成的无洼地DEM
2汇流累积量计算
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得到的。

首先基于无洼
地DEM生成水流方向图，利用该数据，双击Hydrology工具集中的Fill Accumulation工具计算出汇流累积量数据。

（1） 基于无洼地DEM生成水流方向图
（2）计算汇流累积量数据
汇流累积量图
3水流长度计算
水流长度指地面上一点沿水流方向到流向起点（或终点）间的最大地面距离在水平面上
的投影长度。

它分为顺流计算及溯流计算两种，可通过双击Hydrology工具集中的Flow Length工具实现，其中计算方向分别选择顺流计算Downstream或溯流计算Upstream。

水流长度的提取和分析在水文学或水土保持工作中均具有很重要意义，因为水流长度直接影响地面径流的速度，进而影响地面土壤的侵蚀力。

(1) 顺流计算的水流长度
(2) 溯流计算的水流长度
溯流计算出的水流长度图
4 河网的提取
目前河网提取方法主要采用地表径流漫流模型。

假设每一个栅格携带一份水流，那么栅格的汇流累积量就代表该栅格的水流量。

因而，当汇流量达到一定值时，就会产生地表水流，所有汇流量大于临界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。

4.1河网的生成
河网的生成基于汇流累积量数据，利用Map Algebra工具集中的Multi Map Output工具中的Con命令进行有条件地查询可以得到，分别将阈值设为100及1000。

(1)生成阈值为100的河网
加载streamnet：
以上操作也可以利用Raster Calculator，以阈值设为1000为例：
栅格河网（阈值为1000）
（2）栅格河网矢量化
矢量河网
4.2 Stream Link的生成
Stream Link记录河网中结点之间的连接信息，它主要是记录河网的结构信息，其中每一条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点。

Stream Link的生成可以通过双击Hydrology工具集中的Stream Link工具实现，其属性
表中记录着每个片段所包含的栅格个数信息。

Stream Link示意图及属性表
4.3河网分级
不同级别的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流累积量越大，一般是主流，而级别较低的河网一般则是支流。

在ARCGIS的水文分析中，双击Hydrology工具集的Stream
Order工具，可提供两种常用的河网分级方法：Strahler分级和Shreve分级。

（1）河网Strahler分级
（2）河网Shreve分级
河网Shreve分级结果图
1.5流域的分割
流域（watershed）又称集水区域，是指流经其中的水流和其他物质从一个公共的出水口排出从而形成的一个集中的排水区域。

流域可以通过流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）来描述。

5.1流域盆地的确定
流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域，可利用水流方向确定出所相互连接并处于同
一流域盆地的栅格区域。

双击Hydrology工具集中的Basin工具可以计算出流域盆地图。

流域盆地图图19 集水流域
图
5.2集水流域的生成
除用流域盆地来描述外，在水文分析中，经常基于更小的流域单元进行分析，首先通过
Hydrology工具集中的Snap Pour Point工具寻找小级别流域的出水口位置，然后结合水流方向，双击Hydrology工具集中的Watershed工具，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，直至生成集水流域为止，对计算结果重新分级后可以更方便寻找感兴趣的流域研究区。

集水区域的计算结果
6结果分析
目前, 利用DEM 数据, 在GIS 平台支持下可以快速准确地获取流域的河网结构, 并可以根据汇流累积单元数的阈值来生成不同密度的河网。

但对于阈值的选取尚须进一步探究。

例如：
阈值为100的矢量河网图阈值为2500的矢量河网图。