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  • 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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  • ArcGIS水文分析实战教程(1)GIS与水文学

    万次阅读 多人点赞 2017-06-17 20:29:29
    GIS与水文分析(1)GIS与水文学 对于大部分GIS从业人员或者利用GIS作为研究方向的人员来说,水文学过于专业,更偏重于理论化,很难从GIS的角度来模拟和分析水文的过程。这其实是个普遍性的问题,任何跨专业跨学科去...

    ArcGIS水文分析实战教程(1)GIS与水文学

    对于大部分GIS从业人员或者利用GIS作为研究方向的人员来说,水文学过于专业,更偏重于理论化,很难从GIS的角度来模拟和分析水文的过程。这其实是个普遍性的问题,任何跨专业跨学科去解决问题,都是需要付出极大的代价的,尤其是时间和精力,因为必须同时具备两方面的专业知识,才可以挖掘出更好的方法来解决问题。在本章节中,笔者以一个GIS从业者的角度来谈谈GIS与水文分析的一些看法。By 李远祥

    浅谈一下GIS与水文学

    水文学不同于GIS,GIS是一个多学科的集合,更多的是使用工具来解决实际问题。如果非要对两个专业来做评论的话,笔者认为水文学是彻头彻尾的专业学科,而GIS则是一项可具体操作的工具。
    虽然水文学和GIS都涉及到大量的数据公式和分析模型,但水文学利用数学公式和模型去实现理论的支撑,而GIS则利用这些来变成具体的代码和程序,服务于行业应用。

    当然,GIS在近20年来在国内逐渐流行并壮大,大量的各种院校中以一门专业的身份出现,并输送了大量的GIS专业人才。同时在其他非GIS专业里面也大量的出现了GIS课程,GIS与其他学科的交叉使用也是非常多专家学者愿意研究的。
      
      水文学中研究最多的是水文循环,水文循环是一个物理过程,在很长一段时间研究这方面的人都是从物理的角度入手的。但随着科学的交叉渗透,也有一些人通过化学同位素等方式去深入研究整个循环过程。水文学有非常多的分支,如河流水文学、湖泊水文学、冰川水文学、地下水文学、水文气象学、工程水文学、水资源学、环境水文学、城市水文学、生态水文学、水资源学、数字水文学等。也可以看到其专业划分的细致程度。
      如果说水文专业是纵向学科,那么GIS专业更像是横向的,尽管它往往是以计算机软件和系统的形式出现,但其理论支撑是非常多的。如计算机图形学、测绘学、摄影测量学、统计学、程序语言等。

    笔者是GIS专业出身,GIS从业十年,水利信息化方面也有七八年的时间。但对于水文专业,还是相对比较陌生,感觉水文方面就跟气象一样专业,属于小众系的专业,正因如此,能够找到GIS与水文分析结合的例子就相对要少一些。而且一旦涉及到水文分析模型,基本上不是一些从事计算机、信息化专业、GIS专业的人能够搞定的事情。所以,后面的内容都是以一个GIS从业人员角度去探讨水文分析,难免会对水文分析上存在一些认识上的误差,如有不正确之处,欢迎指正。

    GIS中的水文分析

    水文分析就像GIS空间分析一样,是一个非常大的概念,所以很难简单阐明其分析边界。下面来看一张水文循环的图,该图从水文循环的角度来看整个水文过程。
      
    在这里插入图片描述

    这是非常典型的水-土-植 循环模型,非常的经典,甚至在地理学的经典教程中都有其示意图。从该经典图中可以看到,一个完整的水文循环过程包括了蒸发(水面、植被蒸腾、土壤)、降水、下渗、径流等几个方面。每一个方面都可以作为水文过程的一个重要因子进行分析,当然,分析的最终结果,很多水文人员都希望能够最终实现水文预报。
      
      还有一种做法是在水文分析的前期或者成果的基础上用GIS做辅助分析和二次分析,这主要是从水文分析参数获取和二次应用上去使用GIS。
      
      相对于GIS应用开发公司来说,GIS平台厂商相对来说会考虑深远一些,会在其GIS软件中集成一部分的水文分析辅助工具。为什么说是辅助工具,那是因为它们提供的都不是最终的分析模型,而是通过一些基础的分析工具去辅助水文人员或者GIS人员去实现其水文分析模型。所以,一般利用GIS专业软件去实现水文分析都是大体遵循以下方式:

    GIS工具+水文模型+地图模拟=GIS水文分析模型
    

    针对特定的水文模型结合GIS技术去实现不会在本系列的文章中讨论,这里主要讨论的是利用GIS去做水文分析的一些思路,属于方法论的范畴。

    GIS平台厂商中水文分析工具

    GIS平台厂商相对来说会有更多的资金和技术力量来研究水文分析工具,而不是水文分析模型。这有点跟遥感软件相类似,只提提供基础分析工具,而具体的模型需要另外研究。
      
      目前来说,在这方面能够找到的比较多的资料一般都是使用ArcGIS软件来实现。

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    理由似乎很简单,首先是ArcGIS软件提供了一些水文分析常规的工具,都是从GIS角度去实现。其次是每一个工具里面都是详细说明其原来,使用了什么样的算法,引用了哪个水文学者哪一篇论文。而水文模型的研究人员非常在意这些理论依据,在有特别说明并且能够被学术界广泛认可该算法在软件平台上实现的准确性,那就可以直接拿来使用,而不是自己重新根据原来去实现算法。
      
      ArcGIS中的水文分析工具,可以看下图
    在这里插入图片描述

    在水文工具箱中只有11个水文分析工具,基本上是辅助工具,没看到具体的分析模型,这也是符合国际惯例,毕竟它不是专门的水文分析软件。
      
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    如果单从这几个工具入手,确实是比较难去理解ArcGIS是如何做水文分析。毕竟一些工具的命名跟水文专业上也需要一些衔接。GIS人员使用还好说,因为对水文专业不熟悉,所谓无知即无畏,不会存在太多的诧异,最多就是再结合ArcGIS的其他工具去做一些分析。但水文专业的人员就不一样了,这里存在一个期望值,就是希望工具拿来即用,直接输入参数并输出最终的水文结果。这就是一个相互认知的过程。ArcGIS的工具更多的是作为水文研究的一些辅助手段,能够辅助水文分析模型的构建,并能直观显现其分析结果。至于模型研究,还是需要在专业领域上构建的。

    ArcGIS的水文分析工具在ArcGIS的早期版本就有,如果笔者没有记错,应该在8.x系列已经存在。但由于当时ArcGIS只有英文版,包括帮助也是英文的,所以对于其在国内推广还是相对比较困难。直到后来推出了ArcGIS10.0 才是第一个完成中文版,包括了中文帮助。目前笔者使用的是当前最新版本ArcGIS10.5 版本。

    ArcGIS水文分析的一些重要原理

    很多人在使用ArcGIS 的水文分析工具的时候其实是不知道其运行原理的。因为大部分使用者都是从院校走出来的,水文分析的使用都是从授课老师那里教学而来,虽然整个分析过程是记住了,但一旦离开了实验数据,很多分析结果就出不来了。而原理部分,由于以前没有中文版,要看专业的英文文档,基本上不是学生们可以办到的了。其实也只有一部分英文水平比较好的学者才去看原理部分。

    如果在某度上搜索一下ArcGIS 水文分析,估计绝大部分出来的都是某些学生上传上去的实验报告文档。虽然也有一些分析步骤比较清晰的,由于不明白原理或者没有阐述原理,在参照其分析流程的过程中会出现很多问题,尤其是换一份数据去测试。所以,实验离最终应用还是有很大的距离。

    所以,如果阁下是功利性比较强的人,可能会直接跳过原理部分,那么在后期的分析中可能就会遇到种种问题。笔者强烈建议去阅读ArcGIS关于其水文分析工具的原理部分。如果还有时间和精力,还是非常有必要去看看水文学原理的相关书籍。毕竟是交叉学科中的应用,必须两方面都要去学习。
      
    点开ArcGIS的帮助(建议使用中文版),查找到[水文分析工具集],如下图所示
    在这里插入图片描述

    可以在这里作为一个总入口,去查看相关的一些理论说明。例如点击[了解水系],会弹出一个关于ArcGIS软件对水系的认知说明,如下图
    在这里插入图片描述

    对于水文专业的人员来说,水系是最熟悉不过了,根本不需要再去理解了。如果抱有这种想法,估计后面有很多工具的使用会让人不知所云。虽然开发水文工具的人员都会学习一些水文知识,但程序员与水文人员之间是存在一定的隔阂的。为此,笔者专门买了一些水文学方面的书籍来查看,并且也咨询了一些水文从业人员。中文帮助中基本上对专业名词的描述是对的,虽然有一点点的偏差,但至少不会出现明显的错误。

    中文帮助的这些水文专业名词偏差应该是跟翻译的人有很大的关系。因为翻译方面是不具备水文专业基础的,他们是需要做一些名词对照。英文帮助是非常正确的,但不适合国内的一般使用者去阅读。所以这里存在一个偏差,需要找一个平衡点。这也就是笔者为什么推荐中文版的时候也要求去查看其原理,因为原理中包含了一些专有名词在软件界面中的对照。笔者还经常调侃说,那是香港人用普通话告诉了北京人,北京人根据自己的理解再写了一本粤语教程。当然这只是玩笑,现实没那么糟糕。

    在使用ArcGIS水文分析之前,弄清楚几个关键的名词,如分水岭、河流、出水口、流域、集水区等。看似很简单的名词,其实有很多相关联的地方。所以,还是这一张经典的图片,不厌其烦的再放一次。
      
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    • 水系: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。
    ArcGIS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: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: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(即该汇水区内径流累计最大值的点)。

    • 分水岭:两盆地之间的边界称为流域分界线或分水岭边界。

    • 其他名词: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。

    从这些名词中可以看出一些特点,看似有非常多的名词,其实表达的意思是有限。

    1. 盆地、流域、集水区,其实是一回事。从物理的角度上看,盆地、流域都是集水区,只不过术语不一样。盆地更多的时一个地理学地形的名词,流域是从水文管理方面的术语,集水区是水文循环形成一个物理区域。

    2. 出水口、倾泻点也是同一样东西。倾泻点更多用在某一河段最终出水的位置表达;出水口则可以理解为整个流域中树状河流最终汇水的那一点。

    3. 为什么ArcGIS水文分析工具出来的是树状河流结构?在水文学上河流是分为树枝状河流和网状河流。在降雨后自然形成地表径流,没有人工干涉的情况下,流域内会形成树枝状河流;网状河流一般是在地势比较平坦的地方,很难自然形成规律的地表径流,还有一部分是人为的在地表开挖河流和渠道所导致的。
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      看上图两张图,左图是树枝状的水系,有图是网状水系。在清楚这两种形式的河流结构后,其实对使用工具尤其重要。因为ArcGIS水文分析工具中使用的是单流向的D8算法,比较适合由于地势自然形成径流的情况,也就是说对口的时树枝状河流的形式,这种河流形成的区域一般都是偏山区、丘陵地带;而由于采用的是单流向算法,因此对于地势平坦的地区,尤其是平原区域或者城市区域,基本上不适用。

    在树枝状的水系中,又分为羽毛状水系、平行状水系和混合状水系,分别对应下面三张图。

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    这三种形状基本上可以概括了所有的树枝状水系的情况。研究这个主要是为了做水情预报。其实通过看图可以理解,如果在同一个大小的流域,同样的降雨强度,河流的数量也一致的情况下,洪水在到达出水口位置,羽毛状水系的洪峰要来得晚一些;平行状水系由于各支流到出水口的时间都差不多,因此洪峰要来得早一些;混合状水系则在二者范围内。

    为什么要了解这些水文的概念,那是因为一旦需要做水文分析,那就需要有理论依据,不同的地形,不同的河网,对水文分析、水文预报等都有着非常大的影响。ArcGIS这些基础的GIS软件只会提供基础的工具,并不提供直接可用的分析模型,因此在建立模型的时候需要有非常扎实的水文学功底。

    本章节先介绍了水文分析与GIS的关系,以及一些常用的水文学术语。下一章将会介绍ArcGIS水文分析的几个工具所用到的基础算法。

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  • ArcGIS水文分析实战教程(3)DEM数据准备

    万次阅读 多人点赞 2017-06-21 23:12:37
    ArcGIS水文分析工具需要DEM数据才能执行,因此在使用之前必须要准备好DEM数据并且针对DEM数据进行预处理。本章节内容介绍如何根据已有的数据制作和处理DEM,并实现水文分析前的数据预处理。BY 李远祥 ArcGIS的...

    ArcGIS水文分析实战教程(3)DEM数据准备

    ArcGIS的水文分析工具需要DEM数据才能执行,因此在使用之前必须要准备好DEM数据并且针对DEM数据进行预处理。本章节内容介绍如何根据已有的数据制作和处理DEM,并实现水文分析前的数据预处理。BY 李远祥

    ArcGIS的水文分析工具集是对地表形成径流的模拟,使用DEM作为计算的参数,主要的后期数据都是准对DEM进行生成的,如流向栅格、流量栅格这两个重要的参数。

    DEM制作

    对于能够直接拿到DEM数据的人来说,基本上可以忽略掉这个章节的内容。在大多数情况下,水文分析人员是没有DEM数据的,尽管可以从网上可以下载到插值后30米的全球免费的DEM数据,但由于数据的精度太低,作为普通的大流域研究勉强可以使用,但作为中小流域级别的研究那就相当无力了。
    一般情况下,某一研究区域的等高线和部分高程控制点数据,以及行政边界数据是可以协调到的。但由于ArcGIS的水文分析工具需要的是DEM数据,那就需要利用这些数据生成原始的DEM。
    生成DEM的方式很多人会想到利用等值线和高程控制点生成Tin,然后利用Tin转换为DEM。这种方式非常普遍。不论在GIS的教程还是水文学的教程中都有介绍。
    ArcGIS的3D分析扩展模块提供了上述的工具进行转换,也算是在同一个软件中一起处理所有的问题了。
    下图是一份常见的等高线、高程控制点、边界等数据。
    在这里插入图片描述

    数据出了边界之外,每一层的数据中都带有高程属性。调用ArcGIS 3D分析模块,【3D Analyst】–【数据管理】–【创建TIN】双击调用。
    在这里插入图片描述

    在选择参数的时候,分别设置数据如下。
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    从图上看,凡是涉及到有高程值的数据必须悬赏高程字段,但工具中的SF Type 就相当不好选了。如果是高程控制点,那么选择【Mass_Points】绝对没有异议。但等高线部分可以选择的除了【Mass_Points】之外还有【Hard_Line】和【Soft_Line】。
    这里硬线和软线到底怎么选择?ArcGIS的工具提示是

    隔断线和面表面类型具有 Hard 和 Soft 限定符,指示要素所表示的沿表面的斜坡是平滑还是尖锐的不连续部分。

    这是一个比较难懂的说明。大致上可以理解为两条等高线之间如果构成不规则三角形,采用Hard的话在这两条线之间的区域会平滑一些,采用Soft的话基本上就是直接过渡,形成最大的高差。

    这本来是一个测绘学的问题,但由于现在要在水文分析前使用,那么这些细节参数就值得推敲了。前面章节已经详细介绍过ArcGIS的水文分析工具的基础算法是D8单流向算法,径流只会向一个方向流动。笔者认为,如果等高距过大和等高线密度比较稀疏,采用Hard的做法是比较好的,防止出现了尖锐的三角形顶点,导致弯曲的径流拉直线生成,但这种做法也就是对径流线进行了一些平滑,损失一些精度。如果数据的精度比较高,区域的等高线稠密并且控制点足够多,推荐使用soft的方式,这样径流线会更加精准流动。

    对于具有大面积水,如湖泊、水库等地类,那就可以设置为Replace类型。这样在遇到水面边界的时候不会进行三角化处理,统一以一个高程值填充了该区域。

    在创建Tin工具中大量出现了Hard和Soft的选项,原理跟上面所说的一样,需要考虑的最主要因素就是等高线的稠密程度。

    对于行政边界来说,一般采用clip类型来处理,在边界处裁剪掉数据。不然,在边界处就会出现非常深得三角点。

    而另一类型Erase ,则是挖空区域,使其没有镂空没有数据。不过这种情况很少见。

    关于sf type的说明,可以查看ArcGIS相关帮助。但这一部门相当难以理解,即便测绘人员能够理解,但由于缺乏水文分析原理的支撑,一般也不清楚使用不同的方式会对水文分析结果产生哪些影响。

    按照上述的参数设置,生成的结果如下
    在这里插入图片描述

    接下来就可以通过【3D Analyst】–【转换】–【由Tin转出】–【Tin转栅格】工具转成DEM数据。值得注意的是,该处的类型选择必须选择浮点型,如下图
    在这里插入图片描述

    为什么要选择浮点型去构建DEM。如果站在测绘的这个程度上,浮点型的DEM跟整形的区别不大,毕竟都是通过TIN去构建生成的,一些小数点位数实际意义不大。但站在水文分析的去考虑就不一样了。前面章节已经说明过ArcGIS的水文分析是基于D8单流向算法的,在有凹陷的DEM数据下会形成断流,从而不能汇聚成河流。而整形的DEM时对TIN的高程作了四舍五入的操作,硬生生的将地形起伏特征去除。别看都是小数点后的数值,D8算法决定了其流向,哪怕是相差0.001米,足以改变流向。取整后的DEM数据会形成特殊的凹陷区或者平坦区,从而导致径流无法自然形成。而这些凹陷区(平坦区域实际上属于大得凹陷区)在ArcGIS的水文分析工具中称之为“汇”,是必须找出来并且填平的。

    该工具中还有【采样距离】参数,采样距离默认使用的是OBSERVATIONS设置,表示该DEM像元的列数,也就说用多少列来表示该区域。建议使用另一参数CELLSIZE,这可以直接定义像元网格的大小。如果使用OBSERVATIONS,后期还需要通过区域宽长和列数去换算单位网格的大小,非常不方便。水文分析的汇水区大小定义时,笔者认为还是使用单位网格大小比较直观。可以参考前面的文章,里面有详细的叙述。

    参数设定好后可以直接生成DEM,如下图
    在这里插入图片描述

    这样DEM就生成完毕,可以作为水文分析的基础数据了。

    另一种DEM快捷生成方法

    如果使用等值线+高程控制点方式去生成TIN,在由TIN转DEM,对一般水文分析人员,甚至是部分GIS人员都比较难以理解清楚其每个参数的作用。由于DEM数据是要作为水文分析的基础,因此很多参数的调整必须谨慎选择,所以,水文分析的原理是十分重要的。
    如果害怕上述方式过于复杂和难懂,可以尝试一种新的方法,那就是【地形转栅格】工具。这个工具在【spatial】扩展模块中,不需要用到3D分析模块,与水文分析工具同属于一个扩展。Esri将其工具放置在【插值分析】工具箱,如下图所示
    在这里插入图片描述

    可见该工具其定位。但不得不说该工具确实非常的强大,看下图的设置
    在这里插入图片描述

    其操作非常简单,它定义了地形中常见的九种类型:

    1. PointElevation - 表示表面高程的点要素类。Field 用于存储点的高程。
    2. Contour - 表示高程等值线的线要素类。Field 用于存储等值线的高程。
    3. Stream - 河流位置的线要素类。所有弧线必须定向为指向下游。要素类中应该仅包含单条弧线组成的河流。此输入类型没有 Field 选项。
    4. Sink - 表示已知地形凹陷的点要素类。此工具不会试图将任何明确指定为汇的点从分析中移除。所用 Field 应存储了合理的汇高程。如果选择了 NONE,将仅使用汇的位置。
    5. Boundary - 包含表示输出栅格外边界的单个面的要素类。在输出栅格中,位于此边界以外的像元将为 NoData。此选项可用于在创建最终输出栅格之前沿海岸线裁剪出水域。此输入类型没有 Field 选项。
    6. Lake - 指定湖泊位置的面要素类。湖面内的所有输出栅格像元均将指定为沿湖岸线所有像元高程值中最小的那个高程值。此输入类型没有 Field 选项。
    7. Cliff - 悬崖的线要素类。必须对悬崖线要素进行定向以使线的左侧位于悬崖的低侧,线的右侧位于悬崖的高侧。此输入类型没有 Field 选项。
    8. Exclusion - 输入数据应被忽略的区域的面要素类。这些面允许从插值过程中移除高程数据。通常将其用于移除与堤壁和桥相关联的高程数据。这样就可以内插带有连续地形结构的基础山谷。此输入类型没有 Field 选项。
    9. Coast - 包含沿海地区轮廓的面要素类。位于这些面之外的最终输出栅格中的像元会被设置为小于用户所指定的最小高度限制的值。此输入类型没有 Field 选项。

    考虑得非常周到,不是说九种地形数据必须都有,而是针对性的越齐全越好。还有一点就是该工具对等高线的支持非常友好,如果输入要素数据类型为等值线,则算法将先根据等值线的曲率生成概化的表面形态。然后该算法会将等值线作为高程信息的源。等值线最适合大比例数据,因为此时等值线和拐角可准确地指示出河流和山脊。在较小比例下,对等值线的拐角点进行数字化并将其用作输入点要素类可能同样有效且消耗更少。可以看到该工具出来的结果本身就能很好的呈现山脊和河流。在水文分析中这就是分水线和水系了。

    关键部分还有在可选参数中,地形强化参数。默认使用的是ENFORCE。

    • ENFORCE— 该算法将尝试移除遇到的所有汇,无论是“真”是“伪”汇。
    • NO_ENFORCE— 汇不会被填充。
    • ENFORCE_WITH_SINK— 输入要素数据中已指出为汇的点表示已知的地形凹陷并且将不会被更改。输入要素数据中未指出的所有汇均将视为伪汇,算法将尝试填充此汇。伪汇数量超过 8,000 个将导致工具无法使用。

    这样的话在数据生成过程中就已经移除掉“汇”,避免了后期的处理。
    在这里插入图片描述

    笔者认为这个工具简直就是为水文分析工具而生的。属于非常好的辅助工具。既简单而且有实在,将水文分析所需的数据特性很好的表现出来。该工具在ArcGIS10.0及更高的版本中有集成。

    总结

    对于水文分析前的DEM数据生成,有着非常明显的定义,传统的测绘人员是不清楚这些细节的;而水文研究者对于GIS数据更是完全不了解。本章的主要特点就是从水文分析原理的角度去解释DEM制作的一些细节,力图让DEM数据能够准确的还原基础地形,并且准确的生成主要的地形特征。

    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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  • ArcGIS水文分析实战教程(11)河流提取流程 本章导读:河流是最基本的水文要素,基于DEM提取河流是最常见的操作。本章主要以河流提取流程作为说明,以及提取的一些基本技巧,最终以ArcGIS ModelBuilder 制作成为分析...

    ArcGIS水文分析实战教程(11)河流提取流程

    本章导读:河流是最基本的水文要素,基于DEM提取河流是最常见的操作。本章主要以河流提取流程作为说明,以及提取的一些基本技巧,最终以ArcGIS ModelBuilder 制作成为分析流程工具,方便直接调用。 BY 李远祥

    河流提取的基本流程

    河流提取的基本流程如下
    在这里插入图片描述

    大概可以分为 制作无凹陷DEM,流向分析,流量分析,针对流量进行过滤,进行河流链接,最后生成栅格河流,利用栅格河流矢量化工具转换为矢量河流。

    其中无凹陷点DEM在 ArcGIS水文分析实战教程(4)地形预处理 一文中已经做了详细的论述,这里不再说明。基于流量来划分河流,这里就涉及到阈值问题,多大的阈值才能生成河流?这是一个非常重要的问题。

    关于阈值

    条件函数工具非常简单,但输入的阈值就是一门学问了。每个区域能形成河流的阈值是不一样的,所以不能一概而论;同时河流划分的标准不一样,也会影响阈值的设置。

    • 区域的影响
      区域对阈值的影响是巨大的。例如适合于平原地区的阈值,用在丘陵地区就不适合了。所以,利用地形来地区河流,一般都是适用于一个特定的区域范围。

    • 常年降水的影响
      虽然基于DEM的水文分析是不需要考虑具体的降雨情况的,但阈值的设置一般都会跟常年降雨情况有点关系。以广东为例子,珠三角地区降雨比较充沛,台风多发,强对流天气也有不少;而粤北山区降雨则比较少,台风天气一般影响不到该区域。所以,两地如果基于同一个阈值去提取河流,显然是不河流的。阈值对应的是区域的汇流量,也就是说有多少个栅格的流量汇入该区域。

    • 河流划分口径
      小河流和大江大河的提取显然不一样,支流和干流的水量差别是很大的。如果是提取的是小支流,阈值肯定相对偏小,如果提取的是干流,阈值要适当调大。

    快速设置合理的阈值

    阈值很多情况下都是需要作为一个课题去研究,针对特定的区域的研究成果,就可以在这个区域中大规模使用。但大多数时候是缺乏这些研究成果的,那就需要采用一些特殊的手段,快速的获取阈值,作为一个比较河流的参考。
    怎样快速的获取河流的阈值,那就是采用已有的一些河流作为参考。例如在研究区域选择一段符合研究的最低口径的河流,将其加载到地形数据中。在ArcGIS软件中利用绘图工具,在该河流河源上绘制一个点,如下图
    在这里插入图片描述
    然后通过识别工具,在该点处对流量栅格进行点选,在弹出框中显示出该点的流量值,如下图所示
    在这里插入图片描述
    那么,这个值基本上就河流的阈值,可以作为该地区在这种级别河流的提取的依据。

    河流提取的建模过程

    笔者利用ArcGIS Modelbuilder做了建模,下面是建模的流程截图
    在这里插入图片描述
    其中最关键的部分是条件函数的设置,因为此处需要用到阈值。笔者是新建了一个变量,用作自己定义阈值的输入,如下图所示
    在这里插入图片描述
    如果使用单个工具来实现,条件函数的设置应该是
    在这里插入图片描述
    该设置的作用是将流量大于10000个栅格像元的流量栅格结果提取出来,并赋值为1 。这样在生成栅格河流的时候就可以用作识别河流对象了。

    流程中还用到一个工具,就是河流链接,其作用是将符合阈值的流量栅格串联起来形成连续的河流。

    最后来看看工具调用的效果,下面是工具的运行的参数设置
    在这里插入图片描述
    最终的执行结果如下图,将流量栅格阈值大于10000的河流提取出来
    在这里插入图片描述

    总结

    河流提取的过程其实不难,困难在于如果去定义提取的阈值。很多从事水利信息化工作的人员都很难快速去确定提取的阈值,因为在此之前需要对该区域做一些研究和验证的工作。笔者的这种方法纯粹是一种比较取巧的方式。如果没哟参考的河流数据,可能没办法准确的把握好这个阈值的设置。

    更多的GIS主流和非主流技术,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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