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  • 水文分析

    2019-01-25 23:35:43
    *** 水文分析*** 1、实验背景 水文分析通过建立地表水文模型,研究与地表水流相关的各种自然现象,在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域具有广泛的应用。ArcGIS水文分析工具旨在建立地表水的运动模型...

    *** 水文分析
    ***
    1、实验背景

    水文分析通过建立地表水文模型,研究与地表水流相关的各种自然现象,在城市和区域规划、农业及森林、交通道路等许多领域具有广泛的应用。ArcGIS水文分析工具旨在建立地表水的运动模型,辅助分析地表水流从哪里产生、流向何处,再现水流的流动过程。

    接收雨水的区域以及雨水到达出水口前所流经的网络被称为水系。流经水系的水流只是通常所说的水文循环的一个子集,水文循环还包括降雨、蒸发和地下水流。水文分析工具重点处理的是水在地表上的运动情况。

    流域盆地是将水和其他物质排放到公共出水口的区域。流域盆地的其他常用术语还有分水岭、盆地、集水区或汇流区域。该区域通常定义为通向给定出水口或倾泻点的总区域。倾泻点是水流出某个区域的点。该点通常是沿流域盆地的边界的最低点。两盆地之间的边界称为流域分界线或分水岭边界。水到达出水口前流经的网络可显示为树,树的底部是出水口。树的分支是河道。两条河道的交点称为结点或交汇点。连接两个相邻交汇点或连接一个交汇点和出水口的河道的河段称为河流连接线。
    2、流程图
    在这里插入图片描述
    3、水文分析

    3.1数据基础:无洼地的DEM

    1.在ArcMap中加载 DEM数据,如图3.1,右击DEM图层,点击缩放至图层,显示全部,如图3.2。

    在这里插入图片描述

    图3.1 添加DEM数据

    在这里插入图片描述

    图3.2 显示DEM数据

    2.在【ArcToolbox】中,(要打开扩展模块)执行命令【SpatialAnalyst】——>【水文分析】——> 【填洼】,按下图3.3所示指定各参数,其中Z限制——填充阈值,当设置一个值后,在洼地填充过程中,那些洼地深度大于阈值的地方将作为真实地形保留,不予填充;系统默认情况是不设阈值,也就是所有的洼地区域都将被填平,之后点击确定即可。

    在这里插入图片描述

    图3.3 填洼

    3.确定后执行结果得到无洼地的DEM数据[Fill_dem1],如图3.4。

    在这里插入图片描述

    图3.4 无洼地的DEM

    3.2关键步骤:流向分析

    1.在上一步的基础上进行,在【ArcToolbox】中,执行命令【SpatialAnalyst】——>【水文分析】——>【流向】,按图3.5所示指定各参数:

    在这里插入图片描述

    图3.5 流向分析

    2.确定后执行完成后得到流向栅格[Flowdir_fill1],如图3.6。

    在这里插入图片描述

    图3.6 流向栅格图

    3.3计算流水累积量

    1.在上一步的基础上进行,在【ArcToolbox】中,执行命令【SpatialAnalyst】——>【水文分析】——>【流量】,按图3.7所示指定各参数:

    在这里插入图片描述

    图3.7 计算流量

    2.确定后执行完成得到流水累积量栅格[FlowAcc_Flow1],如图3.8。

    在这里插入图片描述

    图3.8 流量栅格图

    3.4提取河流网络

    1.首先,提取河流网络栅格数据:

    在上一步的基础上进行,打开【Arctoolbox】,运行工具【Spatial Analyst 工具】——>【地图代数】——>【栅格计算器】,在[地图代数表达式]中输入公式:Con(FlowAcc_Flow1>800,1),(这里的FlowAcc_Flow1要以上一步得到的文件名为准,注意是Con,不是con,大写第一个字母,不然出错)如图3.9所示。([输出栅格]指定为:StreamNet保存路径和文件名任意)

    在这里插入图片描述
    图3.9 提取河流网络栅格数据

    执行后,得到河网,如图3.10。

    结果说明: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,从而得到河流网络栅格[StreamNet]。

    在这里插入图片描述
    图3.10 河流网络栅格图

    2.提取河流网络矢量数据。

    在上一步的基础上进行,打开【Arctoolbox】工具箱,运行工具【SpatialAnalyst 】——>【水文分析】——>【栅格河网矢量化】,按图3.11所示设置参数:

    在这里插入图片描述

    图3.11 提取河流网络矢量数据

    确定后得到河流网络矢量数据,如图3.12。

    在这里插入图片描述
    图3.12 河流网络矢量图

    3.平滑处理河流网络。

    打开【编辑器】工具栏,执行工具栏中的命令【编辑器】——>【开始编辑】,确保目标图层为河流网络图层[StreamT_StreamN1],通过打开[StreamT_StreamN1]属性表,并选择属性表的所有行选择图层[StreamT_StreamN1]中的所有要素,也可以通过【要素选择按钮】选择图层中所有要素,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】打开工具条:[高级编辑],点击其上的【平滑】按钮,

    在【平滑】处理对话框中输入参数[允许最大偏移]为4,得到平滑后的河流网络矢量图层,如图3.13。执行命令: 【编辑器】——>【停止编辑】,保存所做修改。

    在这里插入图片描述

    图3.13 平滑处理河网

    然后,比较平滑处理后的数据与没有进行处理过的数据,在这里插入图片描述如图3.14。在这里插入图片描述
    图3.14 对比图

    4.进行流域分析。

    在上一步的基础上进行,打开【Arctoolbox】,运行工具【Spatial Analyst】——>【水文分析】——>【盆域分析】,如图3.15。

    在这里插入图片描述
    图3.15 流域分析

    确定后得到流域图,如图3.16。

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    图3.16 流域图

    然后再打开【Arctoolbox】,打开【转换工具】——>【由栅格转出】——>【栅格转面】,将流域栅格转换成为矢量图层,按图3.17设置参数。

    在这里插入图片描述

    图3.17栅格转矢量

    确定后得到流域矢量图,如图3.18。

    在这里插入图片描述

    图3.18 流域矢量图

    4、总结

    综上,利用ArcGIS进行水文分析就结束了,水文分析很常用,水文分析的具体步骤顺序要理解,首先需要无洼地的DEM数据才可以进行后面的操作,其次流向分析也是很基础很关键的操作,水文分析只是ArcGIS的操作功能中极其微小的一点,ArcGIS的强大功能需要我们不断地去操作,不断去实践。

    我使用的是arcgis10.2版本,有些地方和其他版本可能不太一样,不过大都是同样的方法步骤,自己总结的经验教程仅供参考,有不足地方希望大家批评指正。

    5、参考文献

    (1)汤国安杨昕等,地理信息系统空间分析实验教程(第二版),北京:科学出版社,2012

    (2)汤国安刘学军等,地理信息系统教程,北京:高等教育出版社,2007

    (3)牟乃夏刘文宝等,Arcgis 从初学到精通,北京:测绘出版社,2012

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  • 水文分析是DEM数据应用的一个重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流网络,成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。表面水文分析模型应用于研究与地表水流有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况,或者划定受...
  • GIS与水文分析(2)ArcGIS水文分析工具的基本原理 作为成熟的GIS软件,ArcGIS提供了相当不错了水文分析工具。包括在spatial扩展中提供的水文分析工具集和地下水分析工具;如果还关注ArcGIS周边,还能发现美国还有一...

    ArcGIS水文分析实战教程(2)ArcGIS水文分析工具的基本原理

    作为成熟的GIS软件,ArcGIS提供了相当不错了水文分析工具。包括在spatial扩展中提供的水文分析工具集和地下水分析工具;如果还关注ArcGIS周边,还能发现美国还有一个团队在一直维护ArcHydro工具集。ArcGIS软件在地表水分析方面的研究成果还是相当不错的,目前已经非常成熟;地下水分析方面还处于起步阶段,只提供少有的几个工具;而ArcHydro则是免费的专业级别的水文分析工具集合。
    本章节主要介绍ArcMap中原生的水文工具集,力求让广大读者了解其运作原理。了解原理之后才能制定其分析流程。 BY 李远祥

    了解ArcGIS水文分析工具

    ArcGIS在其ArcToolBox中提供了水文分析工具集,其作用主要是模拟地表水形成径流的过程,并利用这一模拟过程实现河流、出水口以及流域的提取。由于水文分析工具集在spatial工具箱中,因此要运行它,必须具备spatial扩展授权。

    水文分析工具集提供总计11个工具,如下图
    在这里插入图片描述

    相对于ArcHydro上百个工具,原生的水文分析工具显得相对少了点,但每一个工具都非常的实用。它的所有的分析都是基于数字高程模型(DEM)和D8单流向算法进行的,因此,了解DEM和D8算法是相当重要的。

    了解DEM数据

    对GIS人员来说,DEM是常见的数据格式了。但对水文分析人员,不一定都了解。DEM是一种连续的栅格的,每一个栅格代表一个矩形范围,而每个栅格用不同的灰度值表示其高程值。如下图
    在这里插入图片描述

    因为DEM是连续的栅格数据,ArcGIS软件默认给定的是灰白的渲染模式,因此,如果不看其图例,一般人是不清楚DEM数据表达的地形的。
    在这里插入图片描述
    从图上可以看出,该区域最高的地方为4327米,最低是442米。而渲染方式是地形数值越高越偏向亮色,地势越低越偏向黑色。基本上可以看清楚发亮的部分是山脊,而黑色部分是山谷或者河流。连续灰度的渲染方式是给机器计算时使用的,如果像更好的表达DEM数据,更符合人类阅读,可以通过DEM生成山体阴影,然后叠加彩色的渲染方式,可以参考笔者之前的文章《ArcGIS制图技巧系列(2)地形渲染》,其效果大概如下图
    在这里插入图片描述
    这还不是关键,了解DEM关键的要清楚DEM的元数据信息。这个元数据信息可以在在【图层】右键【属性】中查看。

    在这里插入图片描述
    从元数据信息可以看到该DEM的像元大小是30*30,也就是每一个栅格的格子代表实际面积为30 * 30 见方。如果加上上面的行数和列数788 * 768 ,那么可以计算出该区域的总面积为30 * 30 *788 * 768 (平方米)。这就是DEM元数据信息中所包含的重要信息。

    在利用DEM做河流提取和流域提取时,要限制最小区域的集水区(即形成河流的最小汇水面积),那就需要通过DEM的元数据信息进行换算栅格的格子数。例如最小的流域为9平方公里,那么换算成该数据的栅格数据为9000000/30/30 = 10000(格子数)。这会在后面流量分析中提及到。

    D8单流向算法

    前面提及到ArcGIS水文分析的两个重要的基础,一是使用DEM进行分析,二是分析的基础算法为D8单流向算法。
    D8算法是假定雨水降落在地形中某一个格子上,改格子的水流将会流向周围8个格子地形最低的格子中。如果多个像元格子的最大下降方向都相同,则会扩大相邻像元范围,直到找到最陡下降方向为止。如图所示
    在这里插入图片描述
    其流向则用2的n次方表示,从0开始,按照逆时针分别为递增,其方位编码如下图所示
    在这里插入图片描述

    这样编码的好处自然是通过数学的方式,让计算机可以非常快的使用二进制进行索引,加快大区域的流量累计统计。

    所以,D8 算法又称作单流向算法。其特点就计算速度快,能够很好的反应出地形对地表径流形成的作用。但其弊端也是显而易见。因为水流只流向一个方向,是单线传递,一旦遇到某一洼地的时候,周边的水流都会集中向该洼地流入,导致断流现象,而现实中由于水会向多个方位不定向的流动,是不会轻易导致断流的。如果要避免这种情况发生,就需要对地形中的洼地进行填平,确保水流也能从该洼地流出。这就是为什么水文分析工具中出现了一些与水文分析完全没有关系的一个工具–填洼 。

    从D8算法可以看出,ArcGIS的水文分析工具是依赖无凹陷的DEM地形的,所以在分析之前都必须对DEM数据进行检查。【汇】工具和【填洼】工具就是为了分析前查找和填平洼地而生的,在使用水文分析之前必须要使用这两个工具对DEM进行处理。
    单流向算法影响限制了ArcGIS水文分析工具的使用。尤其是地势平坦的地区和人工干预比较多的城市区域,基本上不适用。因为地势平坦导致水流无法沿某一方向流动而形成径流。
    另一种情况是事实上的断流形成,如存在地表水流汇流入地下水系的情况。一旦出现流入地下暗河,D8算法就完全失效。因此,在喀斯特地貌中同样也不适用。

    D8算法是完全不考虑降雨的多少、土壤渗透率、植被吸水以及水流挡阻等水文过程,它只是假定有无限的降雨并最终汇聚水流形成径流,并通过汇流范围来定义最终的河流。因此,它只是一个径流汇成河流的定性分析(尽管流量计算看起来是有定量因子),并不能通过其流量算法去做水文的预报。

    关于流量

    ArcGIS水文分析中的流量并不是指水文监测中的实际流量,它只是流向分析结果的一个栅格累计计算。流量栅格中每一个像元记录的是流向栅格中流向该点的栅格数量的总和。如下图所示
    在这里插入图片描述
    从原理上可以看出,如果将流量上栅格上的某一点作为出水口,那么,所有流向该点的像元的集合便构成了一个最小的集水区域。所以,如果要针对分析区域进行小流域的划分,那么前提条件便是要得到流向和流量栅格,并且要根据栅格像元的大小计算最小的积水区域,而这个区域的计算则需要将面积换算为栅格的数量。

    换算的方法在前面DEM介绍部分已经说明清楚,读者可以往上翻页再次浏览。ArcGIS的官方文档是不会对这些换算的方法进行说明,因为它面向的是偏计算机专业的人员,水文专业人员可能会对此比较难以理解。

    工具中的水文学术语

    在ArcGIS水文分析工具11个分析工具中,只有河流链接、河网分级、分水岭、河流长度 这几个才是直接对接水文学术语。

    河流连接

    ArcGIS官方帮助写得相当羞涩难懂,其工具解释如下

    向各交汇点之间的栅格线状网络的各部分分配唯一值。

    基本上单看帮助说明,不管是GIS人员还是水文专业人员都不知道所云。再看其插图,基本上可以看出其具体作用,就是针对一定流量的径流进行交互连接。如下图所示
    在这里插入图片描述
    但问题又来了,在传统的水文学上,河流链接是分为外链和内链的,用于判定是否存在支流及河源。所以,这个工具也仅仅是作为基于DEM生成河网的方式。下图为水文学上得河流链,可以对比一下其区别。
    在这里插入图片描述

    河网分级

    河网分析是根据水系的连接情况进行等级划分。ArcGIS的这个工具基本上可以跟水文学能够完全对接。但它只支持水文学上最常用的两种分级模式–斯特拉勒(STRAHLER)和施里夫(SHREVE)分级方法。

    这里的分级方法与传统的地理学河流分级不一样。地理学上大江大河定义为一级,如长江、黄河、珠江这些定义为一级河流;西江属于珠江的一个大支流,定义为二级河流,如此类推。这只是方便水利主管单位对流域进行管理去定义的,在水文分析中这种定义方式没有太大的使用价值。

    在水文学上主要使用以下几种分级模式

    1. 格雷夫利厄斯(Gravelius)分级法
      格雷夫利厄斯(Gravelius)分级法有点类似中国传统的河流分级定义,水系中最大的主流为1级,直接汇入1级河流的水系为2级,依次类推直到分级完成。

    2. 霍顿(Horton)分级法
      霍顿(Horton)分级法将最小的没有分支的水系定义为1级,只接纳1级河流的水系定义为2级,只接纳2级河流的水系定义为3级,如此类推直到定义完成。

    3. 斯特拉勒(STRAHLER)分级法
      斯特拉勒(STRAHLER)分级法,没有支流汇入的水系定义为1级别,两个相同级别的水系汇入某一河流时,河流等级增加1级;如果等级不同,则以最大等级的河流相同。依次分级完成所有定义。

    4. 施里夫(SHREVE)分级法
      施里夫(SHREVE)分级法有点类似累计分级,将没有支流的水系定义为1级,多个支流汇入,将其级别相加作为汇入河流的级别。如此类推直到分级完成。

    5. 沙伊达格分级法
      沙伊达格分级法是施里夫分级法的一个变种,分级方式与施里夫方法一致,只是将没有支流的河流定义为2级,这样所有的河流级别都是偶数。

    以下是各种河网分级的示意图
    在这里插入图片描述
    格雷夫利厄斯分级法:水系中河流越小,级数就越大,难以区分水系中的主流和支流,同样为1级的河流可能相差较大。
    霍顿分级法:2级以上的河流均可以一直延伸到河源,但实际上它们的最上游都只具有1级河流的特征。
    斯持拉勒法:不可能像霍顿分级法一样将2级以上河流都一直延伸到河源,因而总是将能通过全流域水量和泥沙量的河流作为水系中最高级的河流的。斯持拉勒法主要不足是不能反映流域内河流级愈高,通过的水量和泥沙量也愈大的事实。
    施里夫和沙伊达格分级法:很好弥补了上述分级方法的缺陷,非常适合在数值上进行计算。

    为什么ArcGIS只保留斯特拉勒(STRAHLER)和施里夫(SHREVE)两种分级方法。笔者认为如果单从统计方面来说,施里夫(SHREVE)方法是最优,毕竟其推导有点类似汇流的计算,在水文流量和泥沙量的一些模拟上应该有比较大的参考价值。
    斯特拉勒(STRAHLER)分级方法,一些研究水文的大师级人马认为它是根据水系形态与水文要素综合分析引导出来的,可以作为寻求水系地貌的基础。
    ArcGIS是根据流向和流量栅格来计算地表径流(非河流),而河网分级工具并不是对已有的河流进行分析,而是针对具有一定流量的地表径流进行分级,分级之后再作为地表径流转为真正河流的基础。所以,笔者认为,如果是希望通过DEM去提取水系,那么采用斯特拉勒(STRAHLER)分级方法作为依据;如果是希望寻找河网链与流量、泥沙量的关系,推荐使用施里夫分级方法。

    分水岭

    ArcGIS的分水岭实际上就是水文学上的分水线围闭而成的面。引申出来的就是集水区、流域。分水岭是可以嵌套的,例如大的分水岭嵌套若干个小分水岭,也就是大流域里面包含了如果个小流域。
    下图是ArcGIS软件对分水岭组成的说明,这并不是水文学上的分水线定义。
    在这里插入图片描述

    水流长度

    水流长度工具的主要用途是计算给定盆地内最长水流的长度。这个跟水文学上的定义可以对上。

    本章总结

    本章主要是针对ArcGIS中的水文分析工具的一些基本原理和方法,对应水文学的一些相关原理进行论述。希望能通过一些简单的对照,能够帮助GIS和水文分析人员增强对行业和工具理解,能够在后续的分析工作更加精准的设置工具的参数,正确使用工具来辅助分析决策。

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  • 水文分析案例

    2013-12-18 16:57:24
    水文分析,通过这个例子您可以快速并且大体上掌握ARCGIS在水文分析方面的应用,这个例子对于已经是arcgis高手的人可能不是很合适,大家下载的话考虑清楚呵呵
  • ArcGIS水文分析教程

    2018-12-19 17:30:20
    ArcGIS水文分析教程,仅供个人学习与交流使用。水文分析是 DEM 数据应用的一个重要方面。利用 DEM 生成的集水流域和水流网络, 成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。
  • 流域水文分析

    2014-12-01 10:11:59
    使用arcgis软件对的书中高层模型(dem)的栅格数据进行相关处理,并进行水文分析/流域分析的教程
  • ArcGIS水文分析

    2011-02-28 12:51:57
    ArcGIS水文分析 水文分析简介 无洼地DEM生成 汇流累积量 水流长度 河网的提取 流域的分割
  • 空间分析之水文分析

    万次阅读 多人点赞 2012-08-27 09:11:12
    水文分析工具重点处理的是水在地表上的运动情况。“水文分析”工具用于为地表水流建立模型。 盆域分析(Basin):创建描绘所有流域盆地的栅格。 填洼(Fill):通过填充表面栅格中的汇来移除数据中的小缺陷。 ...

    接收雨水的区域以及雨水到达出水口前所流经的网络被称为水系。流经水系的水流只是通常所说的水文循环的一个子集,水文循环还包括降雨、蒸发和地下水流。水文分析工具重点处理的是水在地表上的运动情况。“水文分析”工具用于为地表水流建立模型。



    盆域分析(Basin):创建描绘所有流域盆地的栅格。

    填洼(Fill):通过填充表面栅格中的汇来移除数据中的小缺陷。

    流量(Flow Accumulation):创建每个像元累积流量的栅格。可选择性应用权重系数。

    流向(Flow Direction):创建从每个像元到其最陡下坡相邻点的流向的栅格。

    水流长度(Flow length):计算沿每个像元的流路径的上游(或下游)距离或加权距离。

    (Sink):创建识别所有汇或内流水系区域的栅格。

    捕捉倾泻点(Snap pour point):将倾泻点捕捉到指定范围内累积流量最大的像元。

    河流连接(Stream link:向各交汇点之间的栅格线状网络的各部分分配唯一值。

    河网分级(Stream Order):为表示线状网络分支的栅格线段指定数值顺序。

    栅格河网矢量化(Stream to Feature:将表示线状网络的栅格转换为表示线状网络的要素。

    分水岭(Watershed):确定栅格中一组像元之上的汇流区域。



    了解水系的术语,如下图:



    以下流程图显示的是从数字高程模型 (DEM) 中提取水文信息(如分水岭边界和河流网络)的过程:




    现在就以手中的这个DEM为例来依次使用工具集中的工具,来学习这部分功能:



    一、流向(Flow Direction)

    流向工具的输出是值范围介于 1 到 255 之间的整型栅格。从中心出发的各个方向值为:


    例如,如果最陡下降方向位于当前处理像元的左侧,则将该处理像元的流向编码将为 16。

    如果像元的 z 值在多个方向上均发生相同变化,并且该像元是凹陷点的一部分,则该像元的流向将被视为未定义。此时,该像元在输出流向栅格中的值将为这些方向的总和。例如,如果 z 值向右(流向 = 1)和向下(流向 = 4)的变化相同,则该像元的流向为 1 + 4 = 5。可以使用汇工具将具有未定义流向的像元标记为凹陷点。



    二、汇(Sink)

    汇是指流向栅格中流向无法被赋予八个有效值之一的一个或一组空间连接像元。汇被视为具有未定义的流向,并被赋予等于其可能方向总和的值。

    汇工具的输出是一个整型栅格,其中每个汇都被赋予一个唯一值。汇的编号介于 1 到汇的数量之间。




    三、填洼(Fill)

    通过填充表面栅格中的汇来移除数据中的小缺陷。

    凹陷点是指具有未定义流域方向的像元;其周围的像元均高于它。倾泻点相对于凹陷点的汇流区域高程最低的边界像元。如果凹陷点中充满了水,则水将从该点倾泻出去。

    TIPS:有关填充的Z限制

    要填充的凹陷点与其倾泻点之间的最大高程差。如果凹陷点与其倾泻点之间的 z 值差大于 z 限制,则不会填充此凹陷点。

    默认情况下将填充所有凹陷点(不考虑深度)。



    四、流量(Flow Accumulation)

    创建每个像元累积流量的栅格。流量累积将基于流入输出栅格中每个像元的像元数。

    高流量的输出像元是集中流动区域,可用于标识河道。流量为零的输出像元是局部地形高点,可用于识别山脊。

    流量工具不遵循压缩环境设置。输出栅格将始终处于未压缩状态。


    通过上面的填洼,求流向,得到如下流量图,看到了河道:




    五、河网分级(Stream Order)

    河网分级是一种将级别数分配给河流网络中的连接线的方法。此级别是一种根据支流数对河流类型进行识别和分类的方法。仅需知道河流的级别,即可推断出河流的某些特征。

    河网分级工具有两种可用于分配级别的方法。这两种方法由 Strahler (1957) 和 Shreve (1966) 提出。在这两种方法中,始终将 1 级分配给上游河段。

    Strahler 河流分级方法:

    在 Strahler 法中,所有没有支流的连接线都被分为 1 级,它们称为第一级别。当级别相同的河流交汇时,河网分级将升高。

    因此,两条一级连接线相交会创建一条二级连接线,两条二级连接线相交会创建一条三级连接线,依此类推。但是,级别不同的两条连接线相交不会使级别升高。例如,一条一级连接线和一条二级连接线相交不会创建一条三级连接线,但会保留最高级连接线的级别。


    Shreve 河流分级方法:

    Shreve 法考虑网络中的所有连接线。与 Strahler 法相同,所有外连接线都被分为 1 级。但对于 Shreve 法中的内连接线,级别是增加的。例如,两条一级连接线相交会创建一条二级连接线,一条一级连接线和一条二级连接线相交会创建一条三级连接线,而一条二级连接线和一条三级连接线相交则会创建一条五级连接线。

    因为级别可增加,所以 Shreve 法中的数字有时指的是量级,而不是级别。在 Shreve 法中,连接线的量级是指上游连接线的数量。




    六、栅格河网矢量化(Stream to Feature)

    栅格河网矢量化工具使用的算法主要用于矢量化河流网络或任何表示方向已知的栅格线性网络的栅格。

    该工具使用方向栅格来帮助矢量化相交像元和相邻像元。可将两个值相同的相邻栅格河网矢量化为两条平行线。

    这与栅格转折线 (Raster to Polyline) 工具相反,后者通常更倾向于将线折叠在一起。下图是两者的对比:



    七、河流连接(Stream link)

    向各交汇点之间的栅格线状网络的各部分分配唯一值。

    “连接”是指连接两个相邻交汇点、连接一个交汇点和出水口或连接一个交汇点和分水岭的河道的河段。




    八、水流长度(Flow Length)

    水流长度工具的主要用途是计算给定盆地内最长水流的长度。该度量值常用于计算盆地的聚集时间。这可使用 UPSTREAM 选项来完成。

    该工具也可通过将权重栅格用作下坡运动的阻抗,来创建假设降雨和径流事件的距离-面积图。

       


    九、捕捉倾泻点(Snap pour point)

    捕捉倾泻点工具用于确保在使用分水岭工具描绘流域盆地时选择累积流量大的点。

    捕捉倾泻点将在指定倾泻点周围的捕捉距离范围内搜索累积流量最大的像元,然后将倾泻点移动到该位置。


    十、分水岭(Watershed)

    确定栅格中一组像元之上的汇流区域。



    十一、盆域

    创建描绘所有流域盆地的栅格。

    通过识别盆地间的山脊线,在分析窗口中描绘流域盆地。通过分析输入流向栅格数据找出属于同一流域盆地的所有已连接像元组。通过定位窗口边缘的倾泻点(水将从栅格倾泻出的地方)及凹陷点,然后再识别每个倾泻点上的汇流区域,来创建流域盆地。这样就得到流域盆地的栅格。

    以下是盆域分析示例:



    That's all.


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    ArcGIS水文分析实战教程(6)河流提取与河网分级

    本章导读:ArcGIS水文分析模块提供了3个工具用作河网提取。GIS和测绘专业人员无法理解,用作水文分析连DEM数据都能拿到了(精度较高的DEM数据在我国都属于涉密数据),难道就没法拿到精度较低的线状河流数据?利用DEM数据来生成河流网络,除了一定的工作量之外,结果还可能不如实测的河流精度高,这样做有点多此一举了。笔者认为这恰好反映出行业的差距。水文分析更多的是关心河流的链接关系,河流与流域之间的关系,而非精确的图形和空间位置。本章内容在操作上属于简单类型,笔者会更多的从水文分析角度去解释分析结果。 BY 李远祥

    分析流程

    ArcGIS水文分析工具箱提供了【河流链接】、【河网分级】、【栅格河流矢量化】3个工具用作河流提取和分级定义。如下图所示
    在这里插入图片描述

    河流提取的全过程为 创建无凹陷点DEM–>流向分析–>流量统计–>定义地表最小的地表径流–>河流链接–>栅格河流矢量化 。

    关于创建无凹陷点DEM可以参考《ArcGIS水文分析实战教程(3)DEM数据准备》、《ArcGIS水文分析实战教程(4)地形预处理》内容;流向分析、流量统计和定义最小的地表径流,在《ArcGIS水文分析实战教程(5)细说流向与流量》多了详细的解读。

    矢量河流提取

    在上一章中讲到的针对流量栅格进行了条件函数的定义,河网的形状大概就出来了。但这个数据表达的只是一系列大于一定蓄积栅格的像元点,原则上它也只是离散点,尽管看起来像连续的河流。如下图
    在这里插入图片描述

    可以从图例中看到这个结果的像元值范围从10000-309111 . 【河网链接】工具就是利用统计后的栅格数据与流向数据,连接一个像元点,利用流向判断出不同的河流,并把像元点连接成线。说白了就是将像元点串起来并做了不同线段的划分。下图是河流链接的示意图
    在这里插入图片描述
    这个示意图是从ArcGIS软件中截取出来的,一般的水文从业都能看懂,但这个图不够专业,显然是出自于程序员之手。笔者在第二章《ArcGIS水文分析实战教程(2)ArcGIS水文分析工具的基本原理》曾经引用过相关的示意图,下图就是水文学上常见的河流链

    在这里插入图片描述

    从两张图对比可见,水文学上的分类要比ArcGIS上的更加细致,光是链接便分为外链和内链,没有河流汇入的链接是外链,有其他水系汇入的河流为内链;交互点也分为河源、节点和出口,分别对应外链的起点、内链的起点、树状河网的最低点。

    这么说来,是不是说ArcGIS软件的河网链接就不够专业呢?其实并不是这样的!因为在水文学上链接是为了反映出河流之间的关系,最终是为河流分级服务的。而ArcGIS还提供了河流分级工具,很好的对应水文分析的要求。
    【河流链接】分析需要的是执行过条件函数后的流量统计栅格,也就是说筛选过流量的栅格数据,并且需要流向栅格进行参考。如下图

    在这里插入图片描述

    从分析结果可以看到,链接之后离散的像元会被串联起来,形成独立的河流。如下图所示,河网已经被串联成27条河流,但仍然使用栅格的形式表示。

    在这里插入图片描述

    如果不关注河流的分级,只用作河流线体的提取(测绘专业的人就喜欢这么干),直接使用【栅格河网矢量化】工具进行矢量河流数据的生成。如下图

    在这里插入图片描述

    这里要求的【河流栅格数据】,最低限度就是执行过河流链接的结果,当然也可以是【河流分级】之后的结果。

    下图是生成的矢量河流结果
    在这里插入图片描述

    矢量河流会生成一些特殊的字段作为标记,例如arcid字段,记录的是元素网格的id,grid_code记录的是河流的唯一Id,因为在河网链接的时候已经对蓄积像元进行了计算,并确定了栅格河流,而from_node和to_node就是记录河段从哪个流量栅格流向下一个流量栅格。所以,如果将grid_code相同的河段全部选择,那它就是一个完整的链接(有可能是外链也有可能是内链)

    如果不考虑分级的情况生成唯一的河流,那么可以使用【融合】工具对上面的矢量河流线要素进行融合,如下图设置
    在这里插入图片描述
    最终结果就是合并为原来的27条河流,如下图
    在这里插入图片描述
    ###河网分级
    在水文学上,河流链接不是为了提取矢量河流,而是为河流分级做准备。水文学更多的是关注河流之间的关系、河流与流域的关系,而非河流本身的图形;即便关注的是单个河流的几何图形,但一般也会跟高程带上关系,例如河流比降。所以,河流链接之后,一般就是对河流进行分级了。
    前面部分提及过ArcGIS的河流链接与水文学的链接的一些差异,但因为最终提供了河网分级功能,所以在链接部分并没有影响。
    水文学上的河网分级在第二章《ArcGIS水文分析实战教程(2)ArcGIS水文分析工具的基本原理》的时候已经做了详细的论述,常用的有霍顿分级、斯特拉勒分级、施里夫分级、沙依达格分级。通过下图可以重温一下其分级的基本原理

    在这里插入图片描述
    各种分级的方法这里不再详细论述。ArcGIS河网分级工具中之包含两种分级方法,斯特拉勒分级和施里夫分级,而分析工具中默认使用的是斯特拉勒分级法。

    霍顿分级法:2级以上的河流均可以一直延伸到河源,但实际上它们的最上游都只具有1级河流的特征。
    斯持拉勒法:不可能像霍顿分级法一样将2级以上河流都一直延伸到河源,因而总是将能通过全流域水量和泥沙量的河流作为水系中最高级的河流的。斯持拉勒法主要不足是不能反映流域内河流级愈高,通过的水量和泥沙量也愈大的事实。
    施里夫和沙伊达格分级法:很好弥补了上述分级方法的缺陷,非常适合在数值上进行计算。

    下图是使用河流链接的结果数据进行输入,结合流向栅格去做斯持拉勒河网分级
    在这里插入图片描述
    最终的结果是生成了一个三级分级,用红绿蓝三种颜色表示分级结果,如下图所示
    在这里插入图片描述

    ArcGIS的帮助提示说的非常的含糊,在【河流栅格数据】中没有具体说明是那一步骤生成的河流栅格,所以上面的例子就直接使用河网链接后的结果数据。后来笔者思考了一下,因为这个分级工具还是需要流向栅格,【河流链接】工具也是需要流向栅格作为参数,那是不是意味着这两个工具是个平行的工具,而不是一个顺序的工具。为此笔者还特意做了一个尝试,使用条件函数过滤后的流量数据作为河流参与分析。

    使用条件函数过滤后的流量数据作为河流参与分析的结果跟想象中的一样,通过查看图形和两个属性表,发现是完全一致的。如果使用减法工具,两个栅格结果相减,结果肯定就是完全为nodata了。如下图
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    使用这个工具还有一些需要注意的地方,如果输入河流栅格数据和输入流向栅格数据是从同一DEM数据获取,则河网分级的输出质量会更高。如果河流栅格数据是从栅格化的河流数据集获取(即河流原来是矢量数据,为了参与分级,先通过工具将矢量河流进行栅格化),则输出可能不可用,因为各像元的流向与河流像元的位置不对应。

    对河网分级后的栅格数据进行矢量化,使用【栅格河流矢量化】工具,如下图
    在这里插入图片描述
    其结果更加让人满意,因为除了转化为矢量河流之外,还会自动的创建了河流链接。下图可以通过属性表看到生成的27条河流,跟前面所说的河流链接工具的结果是一样的。
    在这里插入图片描述

    所以,从这个操作中可以得到一个重要的启示。如果要进行河流链接的分析,最好是在【河网分级】之后进行。

    栅格河流转矢量河流

    GIS对栅格计算的支持远没有对矢量数据的多,所以大多数情况下都需要将栅格数据转换为矢量数据进行分析。虽然ArcGIS提供了栅格转矢量的工具,如【栅格转线】、【栅格转面】等。但作为水文分析的话,在栅格河流转换为矢量河流时,远没有使用【栅格河流矢量化】效果那么好。
    从下面这张图可以看出【栅格河流矢量化】的特点
    在这里插入图片描述
    利用分级后的河网可以做什么?最直接的方式就是绘制河流的分级显示图。利用grid_code作为标注显示等级,使用【唯一值渲染】用不同大小的符号显示河流,这样就可以很直观的反应出河网关系。下图是使用斯持拉勒分级的河网分级图
    在这里插入图片描述
    如果还需要特殊的表达和分析,后期还可以制作河网的逻辑示意图,笔者会在后续的章节中介绍河网的逻辑示意图。
    除此之外,还可以通过河网生成河口出水口。这个非常简单,因为矢量河流已经生成好了,而且是带数字化方向的。

    数字化方向指的是线图形在生成的时候从起点到终点的方向。
    河网中的每一条河流其流向都是与数字化方向相同的。如果使用箭头符号去表示其流向,可以很直观的看出来。如下图设置
    在这里插入图片描述

    然后将河网叠加两次,进行观察,通过其树状结构可以对比数字化方向与流向的关系
    在这里插入图片描述
    正式因为有这一规则,那么就可以使用【要素折点转点】工具来捕捉其线段的终点,那这个终点就是河口的位置了。这个工具在【数据管理】–【要素】–【要素折点转点】,执行时点类型选择【end】,如下图所示
    在这里插入图片描述
    这样提取出来的就是河口的位置。这个点在水文分析中又称之为“出水口”或“倾泻点”。如下图所示:
    在这里插入图片描述
    这就是提取流域面的时候一个非常重的参数了。

    总结

    河流提取与河网分级就软件操作层面是相对简答的,结合ArcGIS其他的一些分析工具,可以计算出更多的水文因子。本章还没有涉及到河网分级后如何进行更多的水文分析,河网分级属于水文分析的前提准备。只有涉及到流量监测(水文学上的流量监测)和洪峰计算时,通过其分级结合数学模型可以去推算洪峰来临时间。

    如果读者对水文分析感兴趣的话,可以持续关注CSDN的GIS制图乐园,以及微信公众号【GIS制图乐园】。BY 李远祥

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