Arcgis操作 第九章 水文分析

1、第九章 水文分析水文分析是DEM數(shù)據(jù)應(yīng)用的一個重要方面。利用DEM生成的集水流域和水流網(wǎng)絡(luò)，成為大多數(shù)地表水文分析模型的主要輸入數(shù)據(jù)。表面水文分析模型研究與地表水流有關(guān)的各種自然現(xiàn)象例如洪水水位及泛濫情況，劃定受污染源影響的地區(qū)，預(yù)測當(dāng)某一地區(qū)的地貌改變時對整個地區(qū)將造成的影響等。圖11.1 ArcToolBox中的水文分析模塊基于DEM地表水文分析的主要內(nèi)容是利用水文分析工具提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、水流長度、河流網(wǎng)絡(luò)（包括河流網(wǎng)絡(luò)的分級等）以及對研究區(qū)的流域進(jìn)行分割等。通過對這些基本水文因子的提取和分析，可再現(xiàn)水流的流動過程，最終完成水文分析過程。本章主要介紹ArcGIS

2、水文分析模塊的應(yīng)用。ArcGIS提供的水文分析模塊主要用來建立地表水的運動模型，輔助分析地表水流從哪里產(chǎn)生以及要流向何處，再現(xiàn)水流的流動過程。同時，通過水文分析工具的應(yīng)用，有助于了解排水系統(tǒng)和地表水流過程的一些基本概念和關(guān)鍵過程。ArcGIS將水文分析中的地表水流過程集合到ArcToolbox里，如圖11.1所示。主要包括水流的地表模擬過程中的水流方向確定、洼地填平、水流累計矩陣的生成、溝谷網(wǎng)絡(luò)的生成以及流域的分割等。本章1至5節(jié)主要是依據(jù)水文分析中的水文因子的提取過程對ArcGIS中的水文分析工具逐一介紹。文中所用的DEM數(shù)據(jù)在光盤中chp11文件夾下的tutor文件夾里面，每個計算過程以及

3、每一節(jié)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存放在tutor文件夾的result文件夾里面，文件名與書中所命名相同，讀者可以利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行參照練習(xí)。本章最后一節(jié)還提供了三個水文分析應(yīng)用的實例。9.1 無洼地DEM生成DEM一般被認(rèn)為是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內(nèi)插的原因以及一些真實地形（如喀斯特地貌）的存在，使得DEM表面存在著一些凹陷的區(qū)域。這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流模擬時，由于低高程柵格的存在，使得在進(jìn)行水流流向計算時在該區(qū)域得到不合理的或錯誤的水流方向。因此，在進(jìn)行水流方向的計算之前，應(yīng)該首先對原始DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無洼地的DEM。洼地填充的基本過程是先利用水流方向數(shù)據(jù)計算出DEM數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域，

4、然后計算出這些的洼地區(qū)域的洼地深度，最后以這些洼地深度為參考而設(shè)定填充閾值進(jìn)行洼地填充。9.1.1 水流方向提取圖11.2 水流流向編碼水流方向是指水流離開每一個柵格單元時的指向。在ArcGIS中通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼，水流方向便可由其中的某一值來確定，柵格方向編碼如圖11.2所示。例如：如果中心柵格的水流流向左邊，則其水流方向被賦值為16。輸出的方向值以2的冪值指定是因為存在柵格水流方向不能確定的情況，此時需將數(shù)個方向值相加，這樣在后續(xù)處理中從相加結(jié)果便可以確定相加時中心柵格的鄰域柵格狀況。水流的流向是通過計算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差來確定。距離權(quán)落差是指中心柵格與鄰域柵

5、格的高程差除以兩柵格間的距離，柵格間的距離與方向有關(guān)，如果鄰域柵格對中心柵格的方向值為2、8、32、128，則柵格間的距離為倍的柵格大小，否則距離為1。ArcGIS中的水流方向是利用D8算法（最大距離權(quán)落差）來計算水流方向的。具體計算步驟如下：1. 在ArcMap中單擊ArcToolbox圖標(biāo)，啟動ArcToolbox；2. 展開Spatial Analysis Tools工具箱，打開Hydrology工具集；圖11.3 水流方向Flow Direction計算對話框3. 雙擊Flow Direction工具，彈出（如圖11.3所示）水流方向（Flow Direction）計算對話框；（1）

6、Input surface data文本框中選擇輸入的DEM數(shù)據(jù)：dem。（2） 在Output flow direction raster文本框中命名計算出來的水流方向文件名為flowdir，并選擇保存路徑；（3） 若選中Force all edge cells to flow outward(Optional)前的復(fù)選框，指所有在DEM數(shù)據(jù)邊緣的柵格的水流方向全部是流出DEM數(shù)據(jù)區(qū)域。默認(rèn)為不選擇。這一步為可選步驟；（4） 輸出drop raster。drop raster是該柵格在其水流方向上與其臨近的柵格之間的高程差與距離的比值，以百分比的形式記錄，它反映了在整個區(qū)域中最大坡降的分布情

7、況。這一步為可選步驟；（5） 單擊OK按鈕，完成操作。按鈕，完成操作。計算出的水流方向數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11.4所示。圖11.4 利用Flow Direction工具計算出來的水流方向圖9.1.2 洼地計算洼地區(qū)域是水流方向不合理的地方，可以通過水流方向來判斷哪些地方是洼地，然后對洼地填充。但是，并不是所有的洼地區(qū)域都是由于數(shù)據(jù)的誤差造成的，有很多洼地是地表形態(tài)的真實反映。因此，在進(jìn)行洼地填充之前，必須計算洼地深度，判斷哪些地區(qū)是由于數(shù)據(jù)誤差造成的洼地而哪些地區(qū)又是真實的地表形態(tài)，然后在洼地填充的過程中，設(shè)置合理的填充閾值。圖11.5 洼地計算對話框1. 洼地提?。?） 雙擊Hydrology工具集

8、中的Sink工具，彈出洼地計算對話框，如圖11.5所示；（2） 在Input flow direction raster文本框中，選擇水流方向數(shù)據(jù)flowdir；（3） 在Output raster文本框中，選擇存放的路徑以及重新命名輸出文件為sink；圖11.6 計算出來的洼地區(qū)域（4） 單擊OK按鈕，完成操作。計算結(jié)果如圖11.6所示，深色的區(qū)域是洼地。2. 洼地深度計算（1） 雙擊Hydrology工具集中的Watershed工具，彈出流域計算對話框，如圖11.7所示，它用來計算洼地的貢獻(xiàn)區(qū)域；圖11.7 洼地貢獻(xiàn)區(qū)域計算對話窗口（watershed）（2） 在Input flow di

9、rection raster文本框中選擇水流方向數(shù)據(jù)flowdir，在Input raster or feature pour point文本框中選擇洼地數(shù)據(jù)sink，在pour point field文本框中選擇value；（3） 在Output raster文本框中設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的名稱為watershsink；（4） 單擊OK按鈕，完成操作。計算出的洼地貢獻(xiàn)區(qū)域如圖11.8所示；圖11.8 計算出來的洼地貢獻(xiàn)區(qū)域（5） 計算每個洼地所形成的貢獻(xiàn)區(qū)域的最低高程；圖11.9 分區(qū)統(tǒng)計對話框1） 打開Spatial Analysis Tools工具箱中Zonal工具集，雙擊Zonal Statis

10、tic工具，彈出如圖11.9所示的分區(qū)統(tǒng)計對話框；2） 在Input raster or feature zonal data文本框中，選擇洼地貢獻(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)watershsink；3） 在Input value raster文本框中選擇dem作為value raster；4） 在Output raster文本框中將輸出數(shù)據(jù)文件命名為zonalmin，存放路徑保持不變；5） 在統(tǒng)計類型選擇的下拉菜單中選擇最小值（MINIMUM）作為統(tǒng)計類型；6） 單擊OK按鈕，完成操作。（6） 計算每個洼地貢獻(xiàn)區(qū)域出口的最低高程即洼地出水口高程；1） 打開Spatial Analysis Tools工具箱中Zo

11、nal工具集，雙擊Zonal Fill工具，彈出如圖11.10所示的Zone Fill對話框；2） 在Input zone raster文本框中選擇watershsink，在Input weight raster文本框中選擇dem，在Output raster文本框中將輸出數(shù)據(jù)命名改為zonalmax；3） 單擊OK按鈕，完成操作。（7） 計算洼地深度。圖11.11 洼地深度計算對話框圖11.10 洼地貢獻(xiàn)區(qū)域邊緣最低高程計算對話框1） 在ArcMap中加載Spatial Analyst模塊，單擊Spatial Analyst模塊的下拉箭頭，單擊Raster Calculator命令，彈出Ra

12、ster Calculator對話框，如圖11.11所示；2） 在文本框里面輸入sinkdep = ( zonalmax - zonalmin)，然后單擊evaluate按鈕進(jìn)行計算。對于以上（5）、（6）步的計算，可以利用Spatial Analysis Tools工具箱中的Map Algebra工具集的Multi Map Output工具。如圖11.12所示。對于第（5）步，在文本框中輸入：E:chp11tutorresultzonalmin = zonalmin (E:chp11tutorresultwatershsink, E:chp11tutor dem)；圖11.12 map al

13、gebra計算對話框?qū)τ诘冢?）步，在文本框中輸入：E:chp11tutorresultzonalmax = zonalfill (E:chp11tutorresult watershsink, E:chp11tutor dem)；經(jīng)過以上七步的運算，就可到所有洼地貢獻(xiàn)區(qū)域的洼地深度，如圖11.13所示。通過對研究區(qū)地形的分析，可以確定出哪些洼地區(qū)域是由數(shù)據(jù)誤差而產(chǎn)生，哪些洼地區(qū)域又是真實的反映地表形態(tài)，從而根據(jù)洼地深度來設(shè)置合理的填充閾值。圖11.13 計算出的洼地深度圖9.1.3 洼地填充洼地填充是無洼地DEM生成的最后一個步驟。通過洼地提取之后，可以了解原始的DEM上是否存在著洼地，如果

14、沒有存在洼地，原始DEM數(shù)據(jù)就可以直接用來進(jìn)行河網(wǎng)生成、流域分割等。而洼地深度的計算又為在填充洼地時設(shè)置填充閾值提供了很好的參考。1. 雙擊Hydrology工具集中的Fill工具，彈出如圖11.14所示的洼地填充對話框；圖11.14 洼地填充對話框2. 在Input surface raster文本框中，選擇需要進(jìn)行洼地填充的原始DEM數(shù)據(jù)；3. 在Output surface raster文本框中設(shè)置輸出文件名為filldem；4. 在Z limit文本框中輸入閾值，在洼地填充過程中，那些洼地深度大于閾值的地方將作為真實地形保留，不予填充；系統(tǒng)默認(rèn)情況是不設(shè)閾值，即所有的洼地區(qū)域都將被填平

15、。5. 單擊OK按鈕，完成操作。計算后的無洼地DEM如圖11.15所示。圖11.15 經(jīng)過洼地填充生成的無洼地DEM當(dāng)一個洼地區(qū)域被填平之后，這個區(qū)域與附近區(qū)域再進(jìn)行洼地計算，可能還會形成新的洼地。因此，洼地填充是一個不斷反復(fù)的過程，直到所有的洼地都被填平，新的洼地不再產(chǎn)生為止。9.2 匯流累積量圖11.16 匯流累積量的計算水流方向數(shù)據(jù)匯流累積數(shù)據(jù)在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計算得到的。匯流累積量的基本思想是認(rèn)為以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點處有一個單位的水量，按照自然水流從高處流往低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)據(jù)計算每點處所流過的水量數(shù)值，便得到了該區(qū)

16、域的匯流累積量。由水流方向數(shù)據(jù)到匯流累積量計算的過程如圖11.16所示。1. 基于無洼地DEM的水流方向的計算。計算過程同上一節(jié)水流方向的計算一樣，使用的DEM數(shù)據(jù)是無洼地DEM。將生成的水流方向文件命名為fdirfill；圖11.17 匯流累積量計算對話框2. 在得到水流方向之后，可以利用水流方向數(shù)據(jù)計算匯流累積量。雙擊Hydrology工具集中的Fill Accumulation工具，打開匯流累積量計算對話框。如圖11.17所示；（1） 在Input flow direction raster文本框中，選擇由無洼地DEM生成的水流方向柵格數(shù)據(jù)fdirfill；（2） 在Output acc

17、umulation raster文本框中輸出數(shù)據(jù)命名為flowacc；（3） 在Input weight raster文本框中輸入權(quán)重數(shù)據(jù)，權(quán)重數(shù)據(jù)一般是考慮到降水、土壤以及植被等對徑流影響的因素分布不平衡而得到的，對每一個柵格賦權(quán)重能更詳細(xì)模擬該區(qū)域的地表特征。如果無權(quán)重數(shù)據(jù)，系統(tǒng)默認(rèn)所有的柵格的權(quán)重為1；圖11.18 通過計算生成的匯流累積量數(shù)據(jù)（4） 單擊OK按鈕，完成操作。結(jié)果如圖11.18所示。9.3水流長度水流長度通常是指在地面上一點沿水流方向到其流向起點（或終點）間的最大地面距離在水平面上的投影長度。水流長度直接影響地面徑流的速度，從而影響對地面土壤的侵蝕力。因此，水流長度的提取

18、和分析在水土保持工作中有很重要的意義。目前，在ArcGIS中水流長度的提取方式主要有兩種：順流計算和溯流計算。順流計算是計算地面上每一點沿水流方向到該點所在流域出水口的最大地面距離的水平投影；溯流計算是計算地面上每一點沿水流方向到其流向起點的最大地面距離的水平投影。圖11.19 flow length的計算窗口ArcGIS中水流長度的提取操作如下：1. 雙擊Hydrology工具集中的Flow Length工具，彈出計算水流長度的對話框，如圖11.19所示；2. 在Input flow direction raster文本框中選擇基于無洼地DEM提取出的水流方向數(shù)據(jù)fdirfill；3. 在O

19、utput raster文本框中命名輸出的水流長度柵格數(shù)據(jù)文件名稱。分別進(jìn)行順流計算和溯流計算，輸出的數(shù)據(jù)文件分別命名為Flowlendown和Flowlenup；4. 計算方向可以選擇Downstream（順流計算）或Upstream（朔流計算）；5. 輸入權(quán)重數(shù)據(jù)。順流計算時，結(jié)果表示沿著水流方向到下游流域出水口中最長距離所流經(jīng)的柵格數(shù)；溯流計算時，結(jié)果表示沿著水流方向到上游柵格的最長的距離的柵格數(shù)；6. 當(dāng)設(shè)置完成后，單擊OK按鈕，完成操作。兩種方向計算出的結(jié)果如圖11.20和圖11.21所示。圖11.20 順流方向上的水流長度圖11.21逆流方向上的水流長度9.4河網(wǎng)的提取基于DEM的

20、水文分析，其中一個內(nèi)容就是要得到地表的水流網(wǎng)絡(luò)。目前常用的河網(wǎng)提取方法是地表徑流漫流模型：首先在無洼地DEM上利用最大坡降法得到每一個柵格的水流方向；然后利用水流方向柵格數(shù)據(jù)計算出每一個柵格在水流方向上累積的柵格數(shù)，即匯流累積量。假設(shè)每一個柵格攜帶一份水流，那么柵格的匯流累積量就代表著該柵格的水流量?；谏鲜鏊枷?，當(dāng)匯流量達(dá)到一定值的時候，就會產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。9.4.1 河網(wǎng)的生成1. 河網(wǎng)的生成是基于匯流累積量數(shù)據(jù)的，其計算步驟見11.2節(jié)，這里用11.2節(jié)計算的匯流累計柵格數(shù)據(jù)flowacc作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2.

21、設(shè)定閾值。不同級別的溝谷對應(yīng)不同的閾值，不同研究區(qū)域相同級別的溝谷對應(yīng)的閾值也是不同的。所以，在設(shè)定閾值時，應(yīng)通過不斷的實驗和利用現(xiàn)有地形圖等其它資料輔助檢驗的方法來確定合適的閾值；圖11.22 柵格河網(wǎng)轉(zhuǎn)換成矢量河網(wǎng)對話框3. 柵格河網(wǎng)的形成。利用Map Algebra工具集中的Multi Map Output工具中的Con命令或者Setnull命令進(jìn)行有條件的查詢可得到柵格河網(wǎng)。其思想是利用所設(shè)定的閾值對整個區(qū)域分析并生成一個新的柵格圖層，其中匯流量大于設(shè)定閾值的柵格的屬性值設(shè)定為1，而小于或等于設(shè)定閾值的柵格的屬性值設(shè)定為無數(shù)據(jù)。柵格河網(wǎng)的生成也可以利用ArcMap中的Spatial A

22、nalysis分析模塊下的Raster Calculator計算。將計算出來的柵格河網(wǎng)命名為streamnet；4. 柵格河網(wǎng)矢量化。在Hydrology工具集中雙擊Stream to Feature工具，如圖11.22所示；在Input stream raster文本框中，選擇streamnet；在Input flow direction raster文本框中，輸入由無洼地計算出來的水流方向數(shù)據(jù)fdirfill；在Output polyline features 文本框中將輸出的數(shù)據(jù)命名為streamfea。生成的矢量數(shù)據(jù)如圖11.23所示。圖11.23 柵格河網(wǎng)轉(zhuǎn)換成的矢量河網(wǎng)框9.4.2

23、 Stream Link的生成圖11.24 Stream link示意圖弧段結(jié)點 Stream link記錄河網(wǎng)中一些節(jié)點之間的連接信息，主要記錄河網(wǎng)的結(jié)構(gòu)信息。如圖11.24所示，Stream link的每條弧段連接著兩個作為出水點或匯合點的結(jié)點，或者連接著作為出水點的結(jié)點和河網(wǎng)起始點。因此通過提取Stream link可以得到每一個河網(wǎng)弧段的起始點和終止點。同樣，也可以得到該匯水區(qū)域的出水點。這些出水點對于水量、水土流失等研究具有重要意義。出水口點的確定，為進(jìn)一步的流域分割做好了準(zhǔn)備。操作如下：1. 在ArcMap里加載水流方向數(shù)據(jù)fdirfill和柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)streamnet；2. 雙

24、擊Hydrology工具集中的Stream Link工具，彈出如圖11.25所示的stream link計算的對話框。在Input stream raster文本框中選擇streamnet，在Input flow direction raster文本框中選擇fdirfill。在Output raster文本框中將輸出數(shù)據(jù)命名為StreamLink。3. 單擊OK按鈕，完成操作。圖11.26 StreamLink的屬性框圖11.25 StreamLink計算對話框Stream link的生成將柵格河網(wǎng)分成不包含匯合點的柵格河網(wǎng)片段，并對片斷進(jìn)行記錄，其屬性表中除了記錄該片段的ID號之外，還記錄著

25、每個片段所包含的柵格個數(shù)。如圖11.26所示。9.4.3 河網(wǎng)分級的生成 河網(wǎng)分級是對一個線性的河流網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字標(biāo)識的形式劃分級別。在地貌學(xué)中，對河流的分級是根據(jù)河流的流量、形態(tài)等因素進(jìn)行。不同級別的河網(wǎng)所代表的匯流累積量不同，級別越高，匯流累積量越大，一般是主流，而那些級別較低的河網(wǎng)則是支流。這對于研究水流的運動、匯流模式，及水土保持等具有重要的意義。圖11.27 Strahler分級和Shreve分級示意圖Strahler分級1111111222223Shreve分級1111111232743在ArcGIS的水文分析中，提供兩種常用的河網(wǎng)分級方法：Strahler分級和Shreve分級。如圖

26、11.27所示， Strahler分級是將所有河網(wǎng)弧段中沒有支流河網(wǎng)弧段分為第1級，兩個1級河網(wǎng)弧段匯流成的河網(wǎng)弧段為第2級，如此下去分別為第3級，第4級，一直到河網(wǎng)出水口。在這種分級中，當(dāng)且僅當(dāng)同級別的兩條河網(wǎng)弧段匯流成一條河網(wǎng)弧段時，該弧段級別才會增加，對于那些低級弧段匯入高級弧段的情況，高級弧段的級別不會改變；Shreve分級的第1級河網(wǎng)的定義與Strahler分級是相同的，所不同的是以后的分級，兩條1級河網(wǎng)弧段匯流而成的河網(wǎng)弧段為2級河網(wǎng)弧段，那么對于以后更高級別的河網(wǎng)弧段，其級別的定義是由其匯入河網(wǎng)弧段的級別之和，如圖所示，當(dāng)一條3級河網(wǎng)弧段和一條4級河網(wǎng)弧段匯流而成的新的河網(wǎng)弧段的

27、級別為7，這種河網(wǎng)分級到最后出水口的位置時，其河網(wǎng)的級別數(shù)剛好是該河網(wǎng)中所有的1級河網(wǎng)弧段的個數(shù)。在ArcGIS中對河網(wǎng)分級的步驟如下：1. 在ArcMap里加載水流方向數(shù)據(jù)fdirfill和柵格河網(wǎng)數(shù)據(jù)streamnet；圖11.28 河網(wǎng)的Strahler分級結(jié)果圖11.29 河網(wǎng)的Shreve分級結(jié)果2. 雙擊Hydrology工具集中的Stream Order工具，彈出Stream Order對話框。在Input stream raster文本框中選擇streamnet，在Input flow direction raster文本框中選擇fdirfill。分別用Strahler分級和S

28、hreve分級對河網(wǎng)進(jìn)行分級，將輸出數(shù)據(jù)分別命名為Streamostr和Streamoshr；3. 單擊OK按鈕，完成操作。計算出的兩種河網(wǎng)分級分別結(jié)果如圖11.28和圖11.29所示。對于stream link和stream order計算出的柵格數(shù)據(jù)同樣可以利用Hydrology工具集中的stream to feature工具將其轉(zhuǎn)化成矢量數(shù)據(jù)便于進(jìn)一步的研究和分析。9.5流域的分割流域（watershed）又稱集水區(qū)域，是指流經(jīng)其中的水流和其它物質(zhì)從一個公共的出水口排出從而形成的一個集中的排水區(qū)域，如圖11.30所示。也可以用流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）或水流區(qū)

29、域（contributing area）等來描述流域。Watershed數(shù)據(jù)顯示了區(qū)域內(nèi)每個流域匯水面積的大小。匯水面積是指從某個出水口（或點）流出的河流的總面積。出水口（或點）即流域內(nèi)水流的出口，是整個流域的最低處。流域間的分界線即為分水嶺。分水線包圍的區(qū)域稱為一條河流或水系的流域，流域分水線所包圍的區(qū)域面積就是流域面積。圖11.30 集水區(qū)域 集水區(qū)域邊界分水嶺水流網(wǎng)絡(luò)集水區(qū)域出口子集水區(qū)域9.5.1 流域盆地的確定流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域，是通過對水流方向數(shù)據(jù)的分析確定出所有相互連接并處于同一流域盆地的柵格。首先要確定分析窗口邊緣的出水口的位置，所有的流域盆地的出水口均處于分

30、析窗口的邊緣。流域盆地集水區(qū)的確定是找出所有流入出水口的上游柵格的位置。在ArcGIS中，流域盆地的計算的操作如下：圖11.31 流域盆地計算的對話框1. 雙擊Hydrology工具集中的Basin工具，打開流域盆地計算的對話框。如圖11.31所示。2. 輸入水流方向數(shù)據(jù)fdirfill，設(shè)置輸出數(shù)據(jù)文件名為basin。3. 單擊OK按鈕，完成操作。在ArcMap中加載上一節(jié)計算出的矢量河網(wǎng)數(shù)據(jù)在以及剛得到的basin數(shù)據(jù)，如圖11.32所示。所有流域盆地的出口都在研究區(qū)域的邊界上，利用流域盆地分析，可將感興趣的流域劃分出來。圖11.32 計算出的流域盆地(線狀圖形為矢量河網(wǎng)數(shù)據(jù))9.5.2

31、匯水區(qū)出水口的確定在水文分析中，通常需要基于更小的流域單元進(jìn)行分析，這樣就需要進(jìn)行流域的分割。流域的分割首先要確定小級別流域的出水口的位置，可以通過Spatial Analysis Tools工具箱下的Hydrology工具集中的Snap Pour Point的工具來尋找。它的思想是利用一個記錄著潛在但并不準(zhǔn)確的小級別流域的出水口的位置的數(shù)據(jù)層，在該點位置上在以指定距離在匯流累積量的數(shù)據(jù)層上搜索那些具有較高匯流累積量柵格點的位置，這些搜索到的柵格點就是小級別的流域的出水點。也可以利用已有的出水點的矢量數(shù)據(jù)。如果沒有出水點的柵格或矢量數(shù)據(jù),可以用已生成的stream link數(shù)據(jù)作為匯水區(qū)的出水

32、口數(shù)據(jù)。因為stream link數(shù)據(jù)中隱含著河網(wǎng)中每一條河網(wǎng)弧段的聯(lián)結(jié)信息，包括弧段的起點和終點等，而弧段的終點可以看作是該匯水區(qū)域的出水口所在位置。9.5.3 集水流域的生成對于一個小集水流域的生成，思想如下：先確定出水點，即該集水區(qū)的最低點，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，分析搜索出該出水點上游所有流過該出水口的柵格，直到搜索到流域的邊界，即分水嶺的位置。1. 首先在ArcMap中打開水流方向數(shù)據(jù)fdirfill和流域出口點數(shù)據(jù)streamlink；2. 雙擊Hydrology工具集中的Watershed工具，打開集水區(qū)域（貢獻(xiàn)區(qū)域）計算的對話框。分別在水流方向數(shù)據(jù)和出水口數(shù)據(jù)的文本框中選擇fdi

33、rfill和streamlink數(shù)據(jù)，設(shè)置輸出數(shù)據(jù)文件名為watershed。圖11.33 集水區(qū)域的計算結(jié)果3. 單擊OK按鈕，完成操作。結(jié)果如圖11.33所示，為了更好的表現(xiàn)流域的分割效果，在此窗口中還加載了流域盆地和矢量河網(wǎng)的數(shù)據(jù)。可以看出：通過streamlink作為流域的出水口數(shù)據(jù)所得到的集水區(qū)域是每一條河網(wǎng)弧段的集水區(qū)域，也就是要研究的最小溝谷的集水區(qū)域。9.6實例與練習(xí)9.6.1利用水文分析方法提取山脊、山谷線1. 背景：作為地形特征線的山脊線、山谷線對地形、地貌具有一定的控制作用。它們與山頂點、谷底點以及鞍部點等一起構(gòu)成了地形及其起伏變化的骨架結(jié)構(gòu)。同時由于山脊線具有分水性，山

34、谷線具有合水性特征使得它們在工程應(yīng)用方面具有特殊的意義。因此在數(shù)字地形分析中，山脊線和山谷線的提取和分析是具有很大應(yīng)用價值的。2. 目的：了解基于DEM的水文分析方法提取出山脊線和山谷線的原理；掌握水流方向、匯流累積量的提取原理及方法；能夠利用水文分析的方法與其它空間分析方法相結(jié)合以解決實際應(yīng)用問題。 3. 要求：（1） 利用水文分析思想和工具提取研究區(qū)域的山脊線；（2） 利用水文分析思想和工具提取研究區(qū)域的山谷線。4. 數(shù)據(jù)：一幅25m分辨率的黃土地貌DEM數(shù)據(jù)，區(qū)域面積大約有140 km2。數(shù)據(jù)存放于隨書光盤/ChP11/Ex1目錄中。5. 算法思想： 山脊線和山谷線的提取實質(zhì)上也是分水線

35、與匯水線的提取。因此，可以利用水文分析的方法進(jìn)行提取。 對于山脊線而言，由于它同時也是分水線，而分水線的性質(zhì)即為水流的起源點。所以，通過地表徑流模擬計算之后，這些柵格的水流方向都應(yīng)該只具有流出方向而不存在流入方向，也就是其柵格的匯流累積量為零。通過對零值的匯流累積值的柵格的提取，就可以得到分水線，即山脊線；對于山谷線而言，可以利用反地形的特點，即利用一個較大的數(shù)值減去原始的DEM數(shù)據(jù)，得到與原始地形完全相反的地形數(shù)據(jù)，使得原始的DEM中的山脊變成反地形的山谷，而原始DEM中的山谷在反地形中就變成了山脊，再利用山脊線的提取方法就可以實現(xiàn)山谷線的提取。但是這種方法會出現(xiàn)提取出的山脊和山谷位置有些偏

36、差，可以利用正、負(fù)地形來加以糾正。圖11.34 山脊線和山谷線的提取流程圖原始DEM無洼地DEM水流方向數(shù)據(jù)匯流累計量山脊線反地形DEM水流方向數(shù)據(jù)匯流累計量山谷線求均值后的DEM負(fù)地形正地形鄰域分析求交求交基于DEM利用水文分析的方法提取山脊線和山谷的技術(shù)流程如圖11.34所示。6. 操作步驟（1） 正負(fù)地形的提取1） 啟動ArcToolbox，展開Analysis Tools工具箱，打開Hydrology工具集。在ArcMap中加載研究區(qū)域的原始DEM數(shù)據(jù)，如圖11.35所示；2） 加載Spatial Analyst模塊，單擊Spatial Analyst模塊的下拉箭頭，單擊Neighbo

37、rhood Statistics菜單工具，利用鄰域分析的方法以11×11的窗口計算平均值。計算結(jié)果命名為meandem；3） 單擊Spatial Analyst中的Raster Calculator菜單工具，對原始DEM數(shù)據(jù)與鄰域分析之后的數(shù)據(jù)meandem做減法運算，并將運算結(jié)果重分為兩級，分級界線為0，則大于0的區(qū)域在原始DEM上就是正地形區(qū)域，小于0的區(qū)域在原始DEM上就是負(fù)地形區(qū)域。圖11.35 研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)圖11.37負(fù)地形區(qū)域（圖中深色區(qū)域）圖11.36正地形區(qū)域（圖中深色區(qū)域）4） 對上一步得到的二值化數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次重分類，一次將正地形區(qū)域?qū)傩灾蒂x值為1，負(fù)地形區(qū)

38、域?qū)傩再x值為0，命名為zhengdixing；另一次將正地形區(qū)域?qū)傩灾蒂x值為0，負(fù)地形區(qū)域?qū)傩再x值為1，命名為fudixing。結(jié)果分別如圖11.36、圖11.37所示。（2） 山脊線的提取1） 在ArcMap中加載研究區(qū)域的原始DEM數(shù)據(jù)，如圖11.35所示；2） 洼地填充：雙擊Hydrology工具集中的Fill工具，進(jìn)行原始DEM的洼地點填充。在Input surface raster文本框中選擇原始DEM數(shù)據(jù)dem，將輸出數(shù)據(jù)命名為filldem，因為選擇的是將所有洼地全部填充，所以Z limit為默認(rèn)值；3） 基于無洼地的水流方向的計算：雙擊Hydrology工具集中的Flow Direction工具，在Input surface raster文本框中選擇填充過的無洼地DEM數(shù)據(jù)filldem，將輸出的水流方向數(shù)據(jù)命名為flowdirfil