《水文分析》PPT课件

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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，然后对 洼地填充。但是，并不是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 误差造成的洼地而哪些地区又是真实的地表形 态，然后在洼地填充的过程中，设置合理的填 充阈值。
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1、洼地提取
洼地计算对话框
2、洼地深度计算 需要先计算洼地贡献区域
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洼地贡献区域计算对话窗口（watershed）
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计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程
分区统计对话框
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计算每个洼地贡献区域出口的最低高程（洼地 出水口高程）
洼地贡献区域边缘最低高程计算对话框
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1、河网的生成
①生成汇流累积量图 ②设定阈值 ③栅格河网的形成 ④栅格河网的矢量化
栅格河网转换成矢量河网对话框
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提取河流网络
Value = No Data
11
122
2
222
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StreamToFeature
NET_GRID
streamnet = con
(flowacc > 100, 1)
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3.3 水流长度
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（或终点）间的最大地面距离在水平面上的投 影长度。水流长度直接影响地面径流的速度，从而影 响对地面土壤的侵蚀力。因此，水流长度的提取和分 析在水土保持工作中有很重要的意义。目前，在 ArcGIS中水流长度的提取方式主要有两种：顺流计算 和溯流计算。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的最大地面距离的水平投影； 溯流计算是计算地面上每一点沿水流方向到其流向起 点的最大地面距离的水平投影。
数据基础：无洼地的DEM
关键步骤：流向分析
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3.1 无洼地DEM的生成：概述
DEM一般被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内 插的原因以及一些真实地形（如喀斯特地貌）的存在，使得 DEM表面存在着一些凹陷的区域。这些区域在进行地表水流模 拟时，由于低高程栅格的存在，使得在进行水流流向计算时在 该区域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，然后计算出这些的洼地区域的洼地深度，最后 以这些洼地深度为参考而设定填充阈值进行洼地填充。
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划分流域
确定汇流点以上的汇水区域 给定汇水区域面积－自动划分流域
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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， 是通过对水流方向数据的分析确定出所有相 互连接并处于同一流域盆地的栅格。首先要 确定分析窗口边缘的出水口的位置，所有的 流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。 流域盆地集水区的确定是找出所有流入出水 口的上游栅格的位置。
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河流分级
11
11
1 21
12
2
22
3
11
11
1 21 12
3 34
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Strahler 方法
Shreve 方法
给河流网精选络ppt支流分配一个级别
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3.5 流域的分割
流域（watershed）又称集水区域，是指流经其 中的水流和其它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，如图11.30所示。也可以用 流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）或水流 区 域 （ contributing area ） 等 来 描 述 流 域 。 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。流域间的分界线即为分水岭。分水线 包围的区域称为一条河流或水系的流域，流域分水线 所包围的区域面积就是流域面积。
如果没有出水点的栅格或矢量数据,可以用已生成的stream link数据作为汇水区的出水口数据。因为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，而弧段的终点可以看作是该汇水区域的出水口所在位置。
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集水流域的生成
对于一个小集水流域的生成，思想如下： 先确定出水点，即该集水区的最低点，然后结 合水流方向数据，分析搜索出该出水点上游所 有流过该出水口的栅格，直到搜索到流域的边 界，即分水岭的位置。
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在经过填充洼地后的DEM （Filled Dem）， 流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。
在经过填充洼地后的DEM是流向分析的基础
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水流方向提取
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，水流方向便可由其中的某一值 来确定，栅格方向编码如图所示。
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流域盆地计算的对话框
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汇水区出水口的确定
在水文分析中，通常需要基于更小的流域单元进行分析，这样 就需要进行流域的分割。流域的分割首先要确定小级别流域的 出水口的位置，可以通过Spatial Analysis Tools工具箱下的 Hydrology工具集中的Snap Pour Point的工具来寻找。它的 思想是利用一个记录着潜在但并不准确的小级别流域的出水口 的位置的数据层，在该点位置上在以指定距离在汇流累积量的 数据层上搜索那些具有较高汇流累积量栅格点的位置，这些搜 索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。
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河流网络栅格
2、Stream Link的生成
Stream link记录河网中 一些节点之间的连接信息， 主要记录河网的结构信息。 如图所示，Stream link 的每条弧段连接着两个作 为出水点或汇合点的结点， 或者连接着作为出水点的 结点和河网起始点。
弧段
结点
Stream link示意图
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划分河段
为河流网络的各河段分配一个标识
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Stream Link计算对话框
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河网分级
河网分级是对一个线性的河流网络以数字标 识的形式划分级别。在地貌学中，对河流的 分级是根据河流的流量、形态等因素进行。 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， 而那些级别较低的河网则是支流。这对于研 究水流的运动、汇流模式，及水土保持等具 有重要的意义。
水流流向编码
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例如：如果中心栅格的水流流向左边，则其 水流方向被赋值为16。输出的方向值以2的幂值 指定是因为存在栅格水流方向不能确定的情况， 此时需将数个方向值相加，这样在后续处理中 从相加结果便可以确定相加时中心栅格的邻域 栅格状况。
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水流方向Flow Direction计算对话框
当一个洼地区域被填平之后，这个区域与附近区域再进行洼地计算，可能还 会形成新的洼地。因此，洼地填充是一个不断反复的过程，直到所有的洼地都 被填平，新的洼地不再产生为止。
洼地填充对话框
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3.2 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得到的。汇流累积量的基 本思想是认为以规则格网表示的数字地面高程 模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流 从高处流往低处的自然规律，根据区域地形的 水流方向数据计算每点处所流过的水量数值， 便得到了该区域的汇流累积量。由水流方向数 据到汇流累积量计算的过程如图所示。
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计算洼地深度
洼地深度计算对话框
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洼地填充
洼地填充是无洼地DEM生成的最后一个步骤。通过洼地提取之后，可以了解 原始的DEM上是否存在着洼地，如果没有存在洼地，原始DEM数据就可以直接用 来进行河网生成、流域分割等。而洼地深度的计算又为在填充洼地时设置填充 阈值提供了很好的参考。
第三章 水文分析
3.1 无洼地DEM的生成 3.2 汇流累积量 3.3 水流长度 3.4 河网提取 3.5 流域分割Fra bibliotek精选ppt
1
水文分析：概述
基于DEM地表水文分析的主要内容是利用 水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方 向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括 河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行 分割等。通过对这些基本水文因子的提取和分 析，可再现水流的流动过程，最终完成水文分 析过程。
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数据基础:无洼地的DEM
被较高高程区域围绕的洼地是进行水文分析 的一大障碍，因此在确定水流方向以前，必 须先将洼地填充。
有些洼地是在DEM生成过程中带来的数据 错误，但另外一些却表示了真实的地形如采 石场或岩洞等。
通 过 填 充 洼 地 (Fill Sinks) 得 到 无 洼 地 的 DEM
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在 ArcGIS 的 水 文 分 析 中 ， 提 供 两 种 常 用 的 河 网 分 级 方 法 ： Strahler分级和Shreve分级。如图1所示， Strahler分级是将所 有河网弧段中没有支流河网弧段分为第1级，两个1级河网弧段汇流 成的河网弧段为第2级，如此下去分别为第3级，第4级，……，一 直到河网出水口。在这种分级中，当且仅当同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 汇入高级弧段的情况，高级弧段的级别不会改变；Shreve分级的 第1级河网的定义与Strahler分级是相同的，所不同的是以后的分 级，两条1级河网弧段汇流而成的河网弧段为2级河网弧段，那么对 于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，如图2所示，当一条3级河网弧段和一条4级河网弧段汇 流而成的新的河网弧段的级别为7，这种河网分级到最后出水口的 位置时，其河网的级别数刚好是该河网中所有的1级河网弧段的个 数。
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Flow Length
沿水流路径计算 流域内每个栅格 单元到下游的最 远距离或上流汇 入点流至此栅格 单元的路程
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用以计算流域内最长的水流路径
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flow length的计算窗口
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3.4河网的提取：概述
基于DEM的水文分析，其中一个内容就是要得到地 表的水流网络。目前常用的河网提取方法是地表径流 漫流模型：首先在无洼地DEM上利用最大坡降法得到每 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。假设每一个栅格携带一份水流，那么栅格的 汇流累积量就代表着该栅格的水流量。基于上述思想， 当汇流量达到一定值的时候，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。
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水流方向数据
汇流累积数据
汇流累积量的计算
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基于无洼地DEM的水流方向的计算。计算过 程同上一节水流方向的计算一样，使用的 DEM数据是无洼地DEM。
在得到水流方向之后，可以利用水流方向数 据计算汇流累积量。双击Hydrology工具集 中的Fill Accumulation工具，打开汇流累 积量计算对话框。
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集水区域的计算结果
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流域提取步骤
利用ArcGIS中的水文模块，基于DEM提取流域水 文特征的主要步骤包括：
1、利用FLOWDIRECTION()函数从DEM推出流向；
2、利用SINK()函数标出洼地格网；
3、执行FILL()执行填洼，生成无洼的DEM；
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11
32
64
128
？ 1 6
1
8
4
2
流向分析原理
1014 1011 1004
+1 +4 +11
1019 1015 1007
？ -4
+8
1
1025 1021 1012
-10 -6 +3
(a)
(b)
(c)
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，栅格间的距离与方向有关，如 果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 2 ，否则距离为1。