第十章水文分析

1、GIS軟件應用與開發(fā)第十章 水文分析10.1 10.1 無洼地無洼地DEMDEM的生成的生成10.2 10.2 匯流累積量匯流累積量10.3 10.3 水流長度水流長度10.4 10.4 河網提取河網提取10.5 10.5 流域分割流域分割水文分析：概述水文分析：概述 基于DEM地表水文分析的主要內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、河流網絡（包括河流網絡的分級等）以及對研究區(qū)的流域進行分割等。通過對這些基本水文因子的提取和分析，可再現水流的流動過程，最終完成水文分析過程。o數據基礎：無洼地的DEMo關鍵步驟：流向分析10.1 無洼地無洼地DEM的生成：的

2、生成：概述 DEM一般被認為是比較光滑的地形表面的模擬，但是由于內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)域在進行地表水流模擬時，由于低高程柵格的存在，使得在進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，在進行水流方向的計算之前，應該首先對原始DEM數據進行洼地填充，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據計算出DEM數據中的洼地區(qū)域，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定填充閾值進行洼地填充。數據基礎:無洼地的DEMo 被較高高程區(qū)域圍繞的洼地是進行水文分析的一大障礙，因此在確定

3、水流方向以前，必須先將洼地填充。o 有些洼地是在DEM生成過程中帶來的數據錯誤，但另外一些卻表示了真實的地形如采石場或巖洞等。o 通過填充洼地(Fill Sinks)得到無洼地的DEMo 在經過填充洼地后的DEM （Filled Dem），流水可以暢通無阻地流至區(qū)域地形的邊緣。o 在經過填充洼地后的DEM是流向分析的基礎水流方向提取水流方向提取o 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，柵格方向編碼如圖所示。水流流向編碼 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

4、是因為存在柵格水流方向不能確定的情況，此時需將數個方向值相加，這樣在后續(xù)處理中從相加結果便可以確定相加時中心柵格的鄰域柵格狀況。 水流方向Flow Direction計算對話框流向分析原理o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落差來確定的。距離權落差是指中心柵格與鄰域柵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，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 ，否則距離為1。10141011100410191015100710251021 1012+1+4+11-4+8-10-6+3(a)(b)(c)16412816328422洼地計算 洼地區(qū)域

5、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)域都是由于數據的誤差造成的，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)是由于數據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，設置合理的填充閾值。1、洼地提取2、洼地深度計算 需要先計算洼地貢獻區(qū)域洼地計算對話框洼地貢獻區(qū)域計算對話窗口（watershed）計算每個洼地所形成的貢獻區(qū)域的最低高程分區(qū)統(tǒng)計對話框計算每個洼地貢獻區(qū)域出口的最低高程（洼地出水口高程）洼地貢獻區(qū)域邊緣最低高程計算對話框計算洼地深度計算洼地深度洼地深度計

6、算對話框洼地填充 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，如果沒有存在洼地，原始DEM數據就可以直接用來進行河網生成、流域分割等。而洼地深度的計算又為在填充洼地時設置填充閾值提供了很好的參考。 當一個洼地區(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的過程，直到所有的洼地都被填平，新的洼地不再產生為止。洼地填充對話框10.2 匯流累積量 在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數據計算得到的。匯流累積量的基本思想是認為以規(guī)則格網表示的數字地面高程模型每點處有一個單位的水量，按照

7、自然水流從高處流往低處的自然規(guī)律，根據區(qū)域地形的水流方向數據計算每點處所流過的水量數值，便得到了該區(qū)域的匯流累積量。由水流方向數據到匯流累積量計算的過程如圖所示。匯流累積量的計算水流方向數據匯流累積數據o 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數據是無洼地DEM。o 在得到水流方向之后，可以利用水流方向數據計算匯流累積量。雙擊Hydrology工具集中的Fill Accumulation工具，打開匯流累積量計算對話框。10.3 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

8、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。 Flow Lengtho沿水流路徑計算流域內每個柵格單元到下游的最遠距離或上流匯入點流至此柵格單元的路程o 用以計算流域內最長的水流路徑flow length的計算窗口的計算窗口10.4河網的提?。焊攀?基于DEM的水文分析，其中一個內容就是要得到地表的水流網絡。目前

9、常用的河網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據計算出每一個柵格在水流方向上累積的柵格數，即匯流累積量。假設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?，當匯流量達到一定值的時候，就會產生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構成的網絡，就是河網。1、河網的生成生成匯流累積量圖設定閾值柵格河網的形成柵格河網的矢量化柵格河網轉換成矢量河網對話框提取河流網絡11122222222Value = No DataNET_GRIDstreamnet = con s

10、treamnet = con (flowacc 100, 1) (flowacc 100, 1) 2、Stream Link的生成Stream link記錄河網中一些節(jié)點之間的連接信息，主要記錄河網的結構信息。如圖所示，Stream link的每條弧段連接著兩個作為出水點或匯合點的結點，或者連接著作為出水點的結點和河網起始點。 Stream link示意圖弧段結點劃分河段為河流網絡的各河段分配一個標識Stream LinkStream Link計算對話框計算對話框河網分級o 河網分級是對一個線性的河流網絡以數字標識的形式劃分級別。在地貌學中，對河流的分級是根據河流的流量、形態(tài)等因素進行。不同級

11、別的河網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。 在ArcGIS的水文分析中，提供兩種常用的河網分級方法：Strahler分級和Shreve分級。如圖1所示， Strahler分級是將所有河網弧段中沒有支流河網弧段分為第1級，兩個1級河網弧段匯流成的河網弧段為第2級，如此下去分別為第3級，第4級，一直到河網出水口。在這種分級中，當且僅當同級別的兩條河網弧段匯流成一條河網弧段時，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

12、的定義與Strahler分級是相同的，所不同的是以后的分級，兩條1級河網弧段匯流而成的河網弧段為2級河網弧段，那么對于以后更高級別的河網弧段，其級別的定義是由其匯入河網弧段的級別之和，如圖2所示，當一條3級河網弧段和一條4級河網弧段匯流而成的新的河網弧段的級別為7，這種河網分級到最后出水口的位置時，其河網的級別數剛好是該河網中所有的1級河網弧段的個數。河流分級Strahler方法方法Shreve方法方法31111111222224711111112233給河流網絡支流分配一個級別給河流網絡支流分配一個級別10.5 流域的分割 流域（watershed）又稱集水區(qū)域，是指流經其中的水流和其它物質

13、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)域（contributing area）等來描述流域。Watershed數據顯示了區(qū)域內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。劃分流域o確定匯流點以上的匯水區(qū)域o給定匯水區(qū)域面積自動劃分流域流域盆地的確定o 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

14、方向數據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。流域盆地計算的對話框匯水區(qū)出水口的確定o在水文分析中，通常需要基于更小的流域單元進行分析，這樣就需要進行流域的分割。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確的小級別流域的出水口的位置的數據層，在該點位置上在以指定距離在匯流累

15、積量的數據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據。o如果沒有出水點的柵格或矢量數據,可以用已生成的stream link數據作為匯水區(qū)的出水口數據。因為stream link數據中隱含著河網中每一條河網弧段的聯結信息，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。 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，然后結合水流方向數據，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。集水區(qū)域的計算結果流域提取步驟 利用ArcG