ArcGIS DEM_8.4特征地形要素提取

河网分级的生成
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，而级别较低的河网一般则是支 流。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。
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， 如图8.29所示。也可以用流域盆地(basin) 、集水盆地(catchment) 或水流区域（ contribu-ting area) 等来描述流域。
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，如图 8.29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。
流域的分割
watershed数据显示了每个流域汇水面积 的大小。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。
(3)复合洼地区域的填平
洼地区域中有多个谷底点，且各个谷底点 所构成的洼地区域相互邻接(图8.11)。 以复合洼地区域的各个谷底点为起点，按 水流的反方向采用区域增长算法，找出各 个谷底点所在的洼地区域的边缘和它们之 间的相互联系以及各个谷底点所在洼地的 集水出水口的位置。
出水口的位置有2种
在与非洼地区域关联的边上或在与洼地 区域关联的边上。 请大家阅读教程P179图8.11下面的一段 课文，搞清楚填平的方法。
流域分割操作
(1)在ArcMap里加载水流方向数据fdirfill和栅 格河网数据streamnet； (2) 在ArcToobox中选择
【Spatial Analyst】|【水文分析】|【河流连接】， 打开河流连接工具（图8- 24)；
流域分割操作
(3)设置相关参数： 【输入河流栅格数据】为Streamnet; 【输入流向栅格数据】为fdirfill； 【输出栅格】为Stream link； (4)单击【确定】，完成操作。Stream link将栅格河 网分成不包含汇合点的栅格河网片段，并对片断进 行记录，其属性表记录着每个片段所包含的栅格个 数（图8.25)。
Strahler分级
如图8.26所示，Strahler分级是将所有河网弧 段中没有支流河网弧段定为第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；
第8章特征地形要素的提取
主要内容
地形特征点的提取 山脊线、山谷线的提取 沟沿线的提取 水系的提取 流域的提取 可视性分析
3. 沟沿线的提取
4. 水系的提取
水系提取有关的概念 集水流域 集水出口 子流域 分水岭 水流网络
利用DEM提取水系的方法
1 用一个矩形窗口扫描DEM矩阵来确定洼地，位 于洼地内的栅格单元标记为水系的组成部分。其 缺点是会产生不连续的水流线。 2 基于地表泾流漫流模型，模拟地表径流在地表 的流动来产生水系。
选择【Spatial Analyst 工具】|【水文分析】| 【栅格河网矢量化】（图8.21)； 设置相关参数：【输入河流栅格数据】为 streamnet；输入由无洼地DEM计算出来的 【流向栅格数据】fdirfill; 【输出折线(polyline)要素】为streamfea， 生成的矢量数据如图8.22所示。
汇水区出水口的确定
在水文分析中，经常基于更小的流域单元进行 分析，因而需要对流域进行分割。流域的分割 首先要确定小级别流域的出水口的位置，可以 利用【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【捕捉倾泻点】 工具寻找。
汇水区出水口的确定
它的思想是：以记录着潜在但并不准确的 小级别流域出水口位置的点数据为基础， 搜索该点一定范围内汇流累积量较高的栅 格点，这栅格点就是小级别的流域的出水 点。
河网分级的步骤
(1)在ArcMap里加载水流方向数据fdirfill和 栅格河网数据streamnet； (2) 在ArcToobox中选择【spatial Analyst 工具】【水文分析】|【河网分级】，打开 河网分级工具；
(3)设置相关参数
【输入河流栅格数据】为streamnet; 【输入流向栅格数据】为fdirfill; 分别用Strahler分级和Shreve分级对河网进行分级，
提取地表水流网络是DEM水文分析的主要 内容之一。目前河网提取方法主要采用地表 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，依据自然水流由高处往低处的自然规 律，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。
实验5 水系的提取
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。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。
Stream link的生成
Stream link记录河网中结点之间的结构 信息。如图8.23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。因此通过提取Stream link可以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的出水点。这些出水点 对于水量、水土流失等研究具有重要意义，而且出水 口位置的确定，为进一步的流域分割做好了准备。 操作如下：
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有相互连接并处于 同一流域盆地的栅格区域。首先，确定分析 窗口边缘出水口的位置，所有流域盆地的出 水口均处于分析窗口的边缘。其次，找出所 有流入出水口的上游栅格的位置，即为流域 盆地集水区。
在ArcGIS中的操作
在ArcToobox中选择【Spatial Analyst工具】|【水文分析】| 【盆域分析】，打开盆域分析工具（图8.30)；
基于地表径流漫流模型的水系提取算法
四个基本问题 洼地的处理； 平地的处理； 水流方向及水流累积量的确定； 水道起始位置的确定。
8.4.2.1洼地的处理
(1)平滑处理； (2)填平处理；
填平处理
(1)单格网洼地的填平； (2)独立洼地区域的填平； (3)复合洼地区域的填平。
(1)单格网洼地的填平
(3) 栅格河网的形成
利用【Spatial Analyst工具】|【地图代数】|【栅格计算器】
可得到栅格河网。其思想是利用所设定的阈值 对整个区域分析并生成一个新的栅格图层，其 中汇流量大于阈值的栅格设定为1，而小于或 等于阈值的栅格设定为无数据。将计算出来的 栅格河网命名为streamnet；
栅格河网矢量化
(2)独立洼地区域的填平
洼地区域中只有一个谷底点，并且该点的8个 邻域点中没有一个是该洼地区域的边缘点。 填平的方法是按水流的反方向采用区域增长 算法，找出独立洼地区域的边界线，即水流 流向该谷底点的边界线。在该洼地边缘线上 找出最小高程点。将独立洼地区域内所有高 程小于该点的值都用这个点的高程值替代。
出水点
如果没有出水点的栅格或矢量数据，可利用 已生成的stream link数据作为汇水区或出水 点。因为stream link数据中隐含着每一条河 网弧段的连接信息（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。
图 8.31
集水流域的生成
集水流域生成的思想如下：先确定出水点， 即该集水区的最低点，然后结合水流方向， 分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口 的栅格，一直搜索到流域的边界，即分水岭 的位置为止。 在ArcGIS中，生成集水流域的操作如下：
8.4.2.2
平地的处理
平地区域的存在对水流方向的确定有重要的 影响，Martz和Garbrecht用高程增量叠加算 法设定平坦格网内的水流方向。即对平地单 元格增加一微小增量，每个单元格的增量大 小是不一样的，这样每个单元格就有一个明 确的水流方向以便能够产生合理的汇流水系 。
水流方向及水流累积量的确定
将【输出栅格】分别命名为Streamostr和Streamoshr；
计算结果分别如图8.27和图8.28所示。 对于stream link和stream order 计算出的栅格数据同 样可以利用ArcToolbox 的【水文分析】工具集中的 【栅格河网矢量化】工具将其转化成矢量数据，便 于进一步的研究和分析。
Shreve分级
Shreve分级的第1级河网的定义与Strahler分级是相 同的，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，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。
河网的生成
河网的生成由四个部分组成 (1)河网的生成基于汇流累积量数据，汇流累积量 计算见8.2节，这里用8.2节计算的汇流累计栅格 数据flowacc作为基础数据； (2)设定阈值。不同级别的沟谷对应不同的阈值， 不同研究区域相同级别的沟谷对应的阈值也不尽 相同。所以，在设定阈值时，应通过不断的实验 和利用现有地形图等其他资料辅助检验的方法来 确定合适的阈值；
在ArcGIS中的操作
(1) 在ArcMap里加载水流方向数据fdirfill和流域出 水口点数据streamlink； (2) 在ArcToobox 中选择
【Spatial Analyst工具】|【水文分析】|【分水岭】工具；
(3) 设置相关参数：【输入流向栅格数据】为 fdirfill;【输入栅格数据或要素倾泻点数据】为 streamlink; 【输出栅格】为watershed; (4) 单击【确定】，完成操作。
设置相关参数：
【输入水流方向数据】为fdirfill; 【输出栅格】为basin; 单击【确定】，完成操作。 在ArcMap中加载已提取的矢量河网数据 Streamfea，与流域盆地叠加，如图8.31所示。 所有流域盆地的出口都在数据的边界上，利用 流域盆地分析，可将感兴趣的流域划分出来。
图8.31
1)水流方向矩阵的计算
64 128 32 16 x 8 1 2 4
1)水流方向矩阵的计算
64 Hale Waihona Puke Baidu28 32 16 x 8 1 2 4
③确定具有最大距离权落差值的方向 如果最大距离权落差值只有一个，那 么就将此值所在方向值作为中心栅格 的水流方向值。如果不止一个，查表 决定。
多流向算法
实验5 水系的提取
在ArcGIS中的操作
计算结果如图8.32所示，以流域盆地和矢 量河网的数据作背景。可以看出，以 streamlink作为流域的出水口所得到的集 水区域是每一条河网弧段的集水区域，也 就是最小沟谷的集水区域。
图 8.32