第八讲-水文分析

第八讲水文分析包世泰水文分析是DEM数字地形分析的一个重要应用。基于DEM的地表水文分析主要包括：1）提取水流方向2）汇流累积量3）水流长度计算4）河流网络提取5）河网分级以及流域分割主要内容一、水流方向提取（FlowDirection）基本原理：“水往低处流”方法：最大距离权落差（最大坡降法即D8算法）计算思路：1)计算中心Cell与周围8个cell高程“落差”，寻找最大坡降即drop=Max(∆Z*100/distance)2)最大坡降Cell与中心Cell之间由高至低的方向即为水流方向。Distance=1*CellSize或*CellSize2相对于中心Cell的相邻8个Cell方位即为：North,North-East,East,South-East,South,South-West,West,North-West现将这八个方位，从East(横轴方向)开始，进行编号（易于计算识别），见左图East------20=1South-East------21=2South------22=4……North-East------27=128上图为5*5Cell的Dem值与DirectionCellSize=25m•下图为5*5Cell的落差值与水流方向上图为DEM，右图为FlowDirection边界(Cell)的水流方向计算，假设水流均向外流，即超出边界的区域高程值均为最低值输入参数：Dem输出参数：FlowDirectionRaster(水流方向的栅格）和DropRaster(最大坡降分布栅格）问题：按照流向编码，应只有1、2、4、8、…、128，为何还有3、5、7、9、…、15、17、…、31、33、…、61、63、…、127、129、…、255？在水流方向Value不是1，2，4，8，16，32，64，或128的栅格被认为具有不明确的流向,即。思考：1)这些数值是如何计算出来的？与最大落差有何关系？2)如何剔除这些水流方向不合理的地方（洼地）？Dem中的洼地有两种情况：1）数据误差，源于采集与处理；2）地表真实形态的反映。洼地计算的思路首先找出洼地，计算洼地深度，以判断洼地的情形，然后设置合理的阈值进行洼地填充。二、洼地计算1.洼地提取Sink根据水流方向Raster提取•Inputflowdirectionraster•Outputsinkraster2.洼地深度计算1)采用Watershed工具，结果为洼地的汇水区InputflowdirectionrasterPourpoint倾注点：sinkrasterPourpointfield为sinkraster的value2.洼地深度计算2)采用区域统计ZonalStatistic，计算每个洼地所形成的汇水区最低高程ZonalSt2.洼地深度计算3)采用区域填充ZonalFill，计算每个洼地汇水区出口的最低高程即洼地出水口高程Zonalmax2.洼地深度计算4)计算每个洼地的深度，采用栅格计算器（或MapAlgebra),洼地出水口高程Zonalmax-洼地汇水区最低高程ZonalSt得到结果sinkdepth是所有洼地汇水区的洼地深度Raster。通过与其他地形资料对比分析，可判断哪些洼地是数据误差而产生的，哪些是真实的地表形态，从而根据洼地深度确定合理的洼地填充阈值。采用Hydrology/Fill工具Zlimit为阈值，洼地深度大于阈值的地方不填充（作为真实地形保留）。系统默认情况是不设阈值，即所有洼地区域都将被填平。3.洼地填充洼地填充是无洼地Dem生成的最后一步，依据前面计算的洼地深度设置填充阈值。思考：一次洼地填平后，还是否会产生新的洼地？如何（以简单方式）判断？1.汇流累计量采用数值矩阵（Raster结构)表示区域地形每个Cell的流水累积量汇流累计量基本思想：以规则格网表示的DEM每个Cell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个Cell处所流过的水量数值便得到了该区域的汇流累积量。三、水文特征提取汇流累计量工具FlowAccumulation步骤：1）基于无洼地DEM的水流方向计算；2）基于Flowdirectionraster采用Hydrology/FlowAccumulation注意：Weightraster(权重数据)一般是降水、土壤以及植被等影响径流分布不平衡统合而成，对每个Cell赋权重能更详细模拟该区域的地表特征。如果无权重数据，系统默认所有Cell的权重为1。2.水流长度水流长度指地面上一点(Cell)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，进而影响地面土壤的侵蚀力。水流长度的提取与分析在水土保持工作中有很重要的意义。ArcGIS中计算水流长度有两种：顺流计算：计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口的水平投影距离；溯流计算：计算地面上每一点逆水流方向到其流向起点的水平投影距离。采用工具Hydrology/FlowLengthWeightraster(权重数据)意义同前顺流计算出的水流长度溯流计算出的水流长度地表水流网络提取是DEM水文分析的主要内容之一河网提取主要方法：地表径流漫流模型主要思路（步骤）：1)基于无洼地DEM利用最大坡降法计算水流流向Raster2)依据自然水流由高处流往低处的规律，基于水流流向Raster计算汇流累积量；3)假设每个Cell都携带一份水流，那么汇流累积量就代表着该Cell的水流量。根据此假设，当汇流量达到一定值时，就会产生地表径流。挑选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。四、河网提取1.河网生成1)基于DEM生成汇流累积量数据，用到洼地填充、水流流向、生成汇流累积量一组方法。2)设定阈值。不同级别的沟谷对应不同的阈值，不同区域相同级别的沟谷对应的阈值也是不同。实际工作中设定阈值应通过不断实验、结合土壤植被等资料辅助检验方法确定。3)生成栅格河网。采用MapAlgebra/MultiMapOutput工具中的Con或Setnull命令条件查询可得栅格河网。或采用RasterCalculator计算。4)栅格河网矢量化。Hydrology/StreamtoFeature，生成矢量河网。StreamLink记录河网中结点之间的连接信息。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。故可得到每一河段的起始点和终止点。工具Hydrology/streamlink河网分级是对矢量河流网络以数字标识（编码）的形式划分级别，分出主干、支流。ArcGIS提供了两种分级方法：Strahler法：是将没有支流河网弧段定为第1级，两个1级河网弧段汇流为第2级，如此类推直到河网出水口。在这种分级中，当且仅当同级别的两条河段汇流，级别才会增加1级；对于低级河段汇入高级河段，级别不变。Shreve法：第1级河网定义同Strahler法，以后分级不同，两条低级别河段汇合后，其级别定义是汇入河段的级别之和。典型特征是到出水口时，其河网的级别数刚好等于河网中所有的1级河段的个数。河网分级Hydrology/StreamOrder基于Geoprocess的河网提取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，也可以用流域盆地(basin)、集水盆地(catchment)等来描述。Watershed显示了每个流域汇水区域的大小，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。五、流域分割1.计算流域盆地Hydrology/Basin可采用Hydrology/Snappourpoint，以记录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（即为小级别流域的出水口）若没有出水点的栅格或矢量数据，可利用已生成的StreamLink作为汇水区的出水点。2.汇水区出水口的确定汇水量计算工具（FlowAccumulation）汇水方向计算工具（FlowDirection）流长计算工具（FlowLength）填充（Fill）下沉接收（Sink）水系（StreamLink）水系级别（StreamOrder）水系至特征（StreamToFeature）分水岭（Watershed）达西流量（DarcyFlow）颗粒物跟踪（ParticleTrack）多孔喷嘴（PorousPuff）小结提取白水县内面积大于1公顷的集水区问题：现有白水县及周边范围的行政区划图和两幅DEM，调研白水县行政内集水区（面积大于1公顷）的农田水利工程。数据：Arcgis实验教程第4章（vector.shp和dem1、dem2)关键步骤：1）DEM拼接、裁剪白水县域的DEM，投影变换（成平面坐标系）2）无洼地的（理想化）填充3）计算水流方向4）根据理想的水流方向数据，进行流域分析Basin(一次计算出所有的汇水区/集水区）5）提取面积大于1公顷（同类的栅格数*栅格大小）的集水区水文分析方法提取山脊线与山谷线、鞍部问题：作为地形特征线的山脊线、山谷线对地形地貌具有一定的控制作用，与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形起伏变化的骨架结构。山脊线具有分水性、山谷性具有合水性，试用水文分析方法提取。思路：山脊线相当于是分水线，即为地表水流的起源点，即水流方向只有流出没有流入（DEM栅格的汇流累积量为零），通过提取零值栅格可得到分水线（即山脊线）；对于山谷线则可利用反地形（最大高程一原始DEM),原始DEM中的山谷线在反地形中变成了山脊，可采用提取山脊线方法实现山谷线的提取。这种方法提取的山脊线和山谷线在有些位置有偏差（如山顶上的凹陷、山谷的小山包），可以利用正、负地形纠正。原始DEM反地形DEM无洼地DEM邻域分析求均值后的DEM水流方向数据汇流累计量水流方向数据汇流累计量负地形正地形山谷线山脊线求交求交主要方法与步骤：1)正负地形的提取：原始DEM领域分析，焦点统计计算均值（mean)。用原始DEM减去均值栅格，作两次重分类分别得到正地形（大于均值为正、小于均值为负）2）山脊线提取：应用水文分析工具，依次进行洼地填充(Fill)、无洼地的水流方向计算(FlowDirection)，计算汇流累积量，提取为零值的汇流累积量fac1与正地形DEM相乘，重分类后得到山脊线；3)用最大高程减去DEM得到反地形DEM，计算水流方向和汇流累计量fac2，将负地形与fac2相乘，重分类后可得到山谷线。综合分析问题：在我国西南边陲有一种珍稀植物，一般生长在海拔1100米以上的沟谷两侧区域（离谷底大约750米），且喜阳，要求年平均温度为10-12度，年总降水量为550-680mm。现有气候观测数据和等高线数据，拟结合地形数据分析研究这种植物生长的适宜区域。要求设计完整的实验分析流程，利用GIS软件分析步骤详尽，保留过程数据和最终成果，并制作专题图和分析报告。P555数据：山区等高线数据contour.shp、观测点年平均温度和年总降水数据climate.txt等高线生成DEM洼地填充坡向提取阳坡水流方向水流累积量沟谷沟谷缓冲区采样点温度分布降雨量分布550=降雨量=68010=温度=12珍贵植物分布区域图（叠加分析、专题制图）山脊山谷线的提取地形鞍部的提取沟谷网络的提取及沟壑密度的计算河网提取与等级划分流域划分练习