基于DEM的ArcGIS水文分析.docx
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基于DEM的ArcGIS水文分析
成都信息工程学院资源环境学院
《GIS原理》项目设计
项目名称
基于DEM的ArcGIS水文分析
班级
测绘工程
组长
2012045060张明华
成员
2012045043王泗凯
2012045028陈诗伟
2012045035李庭靖
2012045051蔡狄
《基于DEM的ArcGIS水文分析》项目设计
目录
1研究目的与意义1
2主要技术路线1
3主要数据及来源4
3.1实验数据4
3.2软件4
4实现过程4
4.1镶嵌4
4.2栅格数据裁剪5
4.3无洼地的流向分析6
4.4计算汇流累积量9
4.5计算水流长度（流程）9
4.6提取河流网络10
4.7流域分析17
5结果分析21
6总结21
附：
小组成员及任务分工22
1研究目的与意义
根据DEM数据提取河流网络，进行双流县河网分级，并且计算流水累积量、流向、水流长度、以及根据指定的流域面积大小自动划分双流区域的流域。
水文分析是DEM数据应用的一个重要方面。
而利用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。
表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等。
2主要技术路线
水文分析基本步骤：
①无洼地的DEM
DEM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（如采石场或喀斯特地貌）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，从而使得在进行水流流向计算时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。
②关键步骤：
流向分析―――流向分析原理
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（D8算法），来确定水流方向。
方向约定如图：
共有八个方向，分别是2的n次方。
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SQRT
（2）≈1.414，否则距离为1。
如果高程差为正值，则为流出；负值则为流入。
③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而来的。
对每一个栅格来说，其汇流累积量的大小代表着其上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格，汇流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。
④水流长度（流程）
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（终点）间的最大地面距离在水平面上的投影长度。
目前水流长度的提取方式主要有两种，一种是顺流计算（Downstream），一种是朔流计算（Upstream）。
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最大地面距离的水平投影；朔流计算者是计算地面上每一点沿水流方向到其流向起点间的最大地面距离的水平投影。
⑤提取河流网络
目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算：
首先是在无洼地DEM上利用最大坡降的方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，所得到的汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格；假设每一个栅格处携带一份水流，那么栅格的汇流累积量则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，那么所有那些汇流量大于那个临界数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。
⑥流域分析
流域又称集水区域，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一个集中的排水区域。
用来描述流域还有例如：
流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）或水流区域（contributing area）。
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，流域分水线所包围的区域面积就是流域面积。
3主要数据及来源
3.1实验数据
四川省区域90米高程数据产品数据、
中国县界数据（面图层）
3.2软件
ArcMap10
4实现过程
4.1镶嵌
使用ArcToolbox中DataManagementTools（数据管理工具）/Raster（栅格）/RasterDataset（栅格数据集）/Mosaic（镶嵌）或MosaicToNewRaster（镶嵌至新栅格）进行拼接。
图1镶嵌
4.2栅格数据裁剪
（1）加入双流县边界图层
图2双流县边界图
（2）使用ArctoolsBox/SpatialAnalystTools（空间分析工具）/Extraction分析）/ExtractByMask（按掩膜提取）提取工具。
图3双流县DEM提取
4.3无洼地的流向分析
（1）原始DEM数据提取水流方向执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[FlowDirection]，结果如图4所示。
图4水流方向
（2）洼地的计算
执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[Sink]。
可以看出由于DEM插值或其他原因造成的高程“洼地”。
图5洼地计算
（3）洼地填充
执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[Fill]。
在[Fill]对话框中，InputRaster选择dem图层，“Zlimit”为填充阈值，当设置一个数值之后，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。
图6无洼地图
（4）DEM流向分析。
图7无洼地流向
4.4计算汇流累积量
执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[FlowAccumulation]。
图8汇流累积量
在[Fill]对话框中，“Inputweightraster”文本框中输入权重数据，权重数据一般是表示降水、土壤以及植被等对径流影响的因素分布不平衡而形成的，更能详细模拟该区域的地表特征。
如果无数据，系统默认为所有的栅格配以相同的权值1，那么计算出来的汇流累积量的数值就代表着该栅格位置流入的栅格数的多少。
4.5计算水流长度（流程）
执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[FlowLength]。
计算方向分别为Downstream（顺流计算）和Upstream（朔流计算）。
在“Inputweightraster”文本框中输入权重数据，Downstream记录着其沿着水流方向到下游流域出水口中最长距离所流经的栅格数；Upstream则记录着其沿着水流方向到上游栅格的最长的距离的栅格数。
图9河流长度
4.6提取河流网络
（1）提取河流网络栅格
①设定阈值。
阈值的设定在河网的提取过程是很重要的，并且直接影响到河网的提取结果。
阈值的设定应遵循科学、合理的原则。
首先应该考虑到研究的对象，研究对象中的沟谷的最小级别，不同级别的沟谷所对应的不同的阈值；其次考虑到研究区域的状况，不同的研究区域相同级别的沟谷需要的阈值也是不同的。
图10阈值的确定
②提取栅格河流网络。
在ArcMap中，点击空间分析模块>>计算器,在计算器中输入表达式：
con（“双流汇流累积量”>210,1）。
图11栅格计算器提取河流
关闭除[Streamnet]之外的其它图层。
图12河流提取结果
（2）栅格河流网络矢量化
执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[streamtofeature]
图13流域分析矢量化
（3）平滑处理河流网络
利用[Editor]工具栏进行编辑，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]：
3，得到平滑后的河流网络矢量图层。
或执行[Arctoolbox]>>[DataManagementTools]>>[Generalization]>>[SmoothLine]比较平滑处理后的数据与没有进行处理过的数据。
设置容差为3之后的平滑效果如下图所示，可以看出一些由栅格转换而来的明显弯曲变得光滑多了。
图14河流平滑处理
（4）streamlink的生成
Streamlink记录着河网中的一些节点之间的连接信息（河网的结构信息）。
Streamlink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。
通过Streamlink的计算，即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（流域）的出水口。
执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[Streamlink]。
经过计算，它将栅格河网在汇合点栅格处分割成河网片段，并将片断进行记录，在属性表中除了记录该片段的ID号之外，还记录着每个片段所包含的栅格数。
[Streamlink]结果可利用[streamtofeature]转换为矢量数据。
图15连接后矢量化结果
（5）河网分级
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。
对于Strahler分级来说，它将所有河网弧段中没有支流的河网弧段分为第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，这也是比较常用的一种河网分级方法。
对于Shreve分级而言，其第1级河网的定义与Strahler分级是相同的，所不同的是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，只执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[StreamOrder][StreamOrder]结果可利用[streamtofeature]转换为矢量数据。
图16Strahler分级结果（分为四级）
图17Shreve分级结果（分为135级）
4.7流域分析
（1）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。
它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。
流域盆地的确定首先是要确定分析窗口边缘的出水口的位置，也就是说，在进行流域盆地的划分中，所有的流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。
当确定了出水口的位置之后，也就是找出所有流入出水口的上游栅格的位置。
执行[Arctoolbox]>>[SpatialAnalystTools]>>[Hydrology]>>[Basin]。
图18流域盆地分析
为了使计算结果更容易理解，可以将上述计算出的矢量河网数据在同一个窗口中打开，进行辅助分析。
所有的流域盆地的出口都在研究区域的边界上。
利用流域盆地分析，可以从很大的一个研究区域中选择感兴趣的流域并将该流域从整个研究区域分割出来进行单独的分析。
打开[空间分析]工具栏，执行命令:
[空间分析]>>[转换]>>[栅格到要素]。
将流域栅格转换成为矢量图层，并进行符号设置。
图19集水流域矢量化
（2）集水流域一步得到的流域盆地是一个比较大的流域盆地，在很多的水文分析中，还需要基于更小的生成经过上的流域单元进行分析，那么就需要进行流域的分割。
而流域的分割首先是要确定小级别的流域的出水口的位置。
①汇水区出水口的确定
小级别的流域出水口的位置，可以用[Hydrology]工具集中的[SnapPourPoint]工具寻找。
思想:
利用point点栅格数据寻找潜在的出水点，并赋属性值。
在该点位置上在指定距离内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。
如果没有出水点的栅格或矢量数据,可以用上述生成的streamlink数据作为汇水区的出水口数据。
因为streamlink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，相对而言，弧段的终点就是该汇水区域的出水口所在位置。
图20汇水区出水口
②集水流域的生成
低级的集水区的生成，可以使用[Hydrology]工具集中的[Watershed]工具生成。
其思想如下：
先确定一个出水点，也就是该集水区的最低点，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，直到所有的该集水区的栅格都确定了位置，也就是搜索到流域的边界——分水岭的位置。
通过streamlink作为流域的出水口数据所得到的集水区域是每一条河网弧段集水区域，也就是要研究的最小沟谷的集水区域，它将一个大的流域盆地按照河网弧段将其分为一个个的小的集水盆地。
打开[空间分析]工具栏，执行命令:
[空间分析]>>[转换]>>[栅格到要素]。
将流域栅格转换成为矢量图层，并进行符号设置。
图21集水流域
图22各河流及其集水区域
5结果分析
（1）双流县的水系发达，河网密集；
（2）主要出水口分布在西南方向，地势东高西低；
（3）北部水系较南部更密集，但南部径流量较北部大。
6总结
1.通过此次项目设计，对空间分析有较深的认识，特别是关于DEM的水文分析。
2、在团队合作出现了困难以及项目设计主题的不能确定。
第一次我们选定四川气温作为研究对象，但在栅格数据转换为矢量数据出现问题，并且在短时间内无法解决，于是放弃四川气温方面。
3、选定研究区域数据过大。
我们先选择了四处省范围内的水文分析，但是由于数据量太大，导致Argis卡死，甚至电脑死机的情况。
经过再三探讨，我们决定采用双流县为研究区域。
附：
小组成员及任务分工：
张明华（2012045060）：
资料整理、制作PPT
王泗凯（2012045043）：
整理资料、数据处理
陈诗伟（2012045028）：
数据处理及分析
李庭靖（2012045035）：
数据资料搜集，撰写报告
蔡狄（2012045051）：
文档资料搜集，制作PPT
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