ArcGIS高级应用期末论文-基于不同分辨率的河北省DEM流域提取分析.doc

基于不同分辨率的dem河网和流域提取分析arcgis高级应用期末论文基于不同分辨率的dem河网和流域提取分析摘要：研究以河北省滦河流域为研究区。采用30米和90米不同分辨率的dem作为基本的地形数据,应用esri公司开发的arcgis地理信息系统软件进行河网和流域特征的提取。主要有dem预处理、河网的提取、流域提取。经分析得到了研究区域不同分辨率下的河网特征以及流域特征信息。 关键词：水平分辨率，栅格dem，河网，流域水系提取extraction and analysis of dem river network and watershed based on the different resolution abstract:the study area is the luanhe river that located in hebei province. the 30 and 90 meters of different resolution dem as the basic topographic data,the study apply for the software of esri arcgis geographic information system for the extraction of river network and watershed characteristics. the study mainly includes dem pretreatment, extraction of river network and extraction of watershed.the results were got with the regional characteristics of river network and watershed feature information through the analysis to different resolution dem.key words: horizontal resolution ,raster digital elevation model( raster dem),river network,drainage area water system extracting1.引言大数据时代，数据越来越多，特别是遥感数据，更是海量数据，而这些数据中，数字高程模型（dem）越来越多地被应用到流域地形分析，进行流域水文模拟研究。dem一般有三种数据类型：栅格型、不规则三角网（tin）和等高线，其中栅格型由于数据结构简单，易于存储，计算处理简单有效，在水文领域得到普遍应用。dem在一定分辨率下，反应地势高低在空间的分布特征，根据某一地区的地势地貌状况和相应的算法，就可以提取出dem所处的地理空间范围内的流域水系特征。本文采用arcgis的水文分析模块（hydrology model），对不同分辨率的dem进行流域特征提取，并探讨不同分辨率的栅格dem对流域特征提取的影响。2.研究区概况图研究区图示选取河北省的第二大水系滦河水系流域进行分析。流域位于东经11530-11845和北纬3910-4240。流域南北长500公里，流域面积4480平方公里。其中山地4407平方公里，平原810平方公里。整个流域西北高，东南低。滦河上游发源地为坝上高原。平均海拔1200-1500米，相对高度200米左右，低洼处为碟形洼地，滦河流过坝上高原后，进入冀北山地丘陵区，海拔1300-1500米，岭谷高差500-800米，坡陡流急，河流下切强烈，地表破碎，黄土分布广。中游主要流经燕山山地，海拔800-1200米，向南逐渐降到200-500米，包括中、低山、丘陵及盆地等地貌类型。下游主要流经平原，海拔大部分在20米以下，地表平坦，河谷宽浅，曲流发育。3.研究方法与步骤3.1 数据来源dem数据为地理空间数据云网站下载数据：30米dem为gdemdem 30m 分辨率数字高程数据，垂直精度20米，水平精度30米，研究区域行列号为1213413847；90米dem为utm_srtm90米分辨率数字高程原始数据，由美国太空总署（nasa）和国防部国家测绘局（nima）联合测量，研究区域行列号为3797 4364。矢量数据为我国四级和五级河流，经过裁切得到滦河流域矢量河网。3.2 arcgis的水文分析方法arcgis作为提取研究地流域划分、水流网络的重要工具，提供了一种描绘地表物理特性的水文分析方法,它以数字高程模型( dem)作为数据来源在对排水系统进行分析后定量描绘该系统。在描述这些过程是有先后顺序的。当描述流域或渠道网络时,根据输入数据的特性某些步骤是必需的,某些是可选择的。水流通过地表通常是流向最陡的方向,一旦水流流向被确定下来,就可算出有多少网格的水流流入给定的网格。这一信息将决定流域边界和水流网络。arcgis中水文分析是以jensen与dominique( 1988)年提出的算法为依据进行计算。图2的图简要说明从dem中提取水文信息的步骤5。 图二 arcgis中水文分析流程图3.3 分析步骤图根据arcgis的水文分析流程图，结合分析实际，作出如下流程图：stream link矢量河网水流方向demmax=128洼地洼地填充汇流累积量流域盆地栅格河网strahler分级shreve分级集水流域无洼地dem生成否是河流分级图三分析步骤图stream linkstream link3.4河网和流域提取3.4.1 dem预处理（洼地填充）由于通过遥感方式获取地形数据时卫星传感器本身存在的误差以及一些真实地形的存在，如采石场等，使得dem表面存在一些凹陷区域（一个或多个栅格单元被较高海拔的栅格单元围绕），这些凹陷区域被称为洼地。这些洼地代表一个内排水区域，是影响地表流水过程的重要因素。在自然状态下，水流遇到洼地，首先将洼地填满，然后从洼地的最低处流出，但是在计算机下一步的栅格流向中却无法确定局部地区的水流方向，所得到的水流方向是不合理的甚至是错误的，因此在水流方向计算前，要对原始dem数据进行洼地填充，得到无洼地的dem。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出 dem 数据中的洼地区域，并计算洼地深度，然后，依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充，利用hydrology中的fill工具实现填挖，由于一个洼地被填平后，再重新对周围区域进行洼地计算，还会形成新的洼地，所以洼地填充需反复进行几次。3. 4.1.1水流方向的提取提取水流方向主要是判断哪些地方是洼地，需要进行洼地填充。326412816x1表1 d8算法图842水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定。对于每一格网的水流方向指水流离开此网格的指向。在arcgis 中，采用d8算法，通过对中心栅格的1、2、4、8、16、32、64、128 等8个邻域栅格编码，中心栅格的水流方向便可有其中的某一值来确定。方向约定如右图所示，共有八个方向，分别是2的n次方。例如，若中心栅格的水流流向左边，则水流方向赋值16。流向的生成是个自动的过程，可能要等一段自时间，运算的时间跟电脑性能和dem图的精度与大小有关。 方法是利用arctoolboxspatial analysis tools hydrology flow direction，生成方向水流流向图：若从dem中作出来的流向分析的最大数值为128则不需要填洼，否则需要填挖。水流方向如图四所示，由图可以看出，30米分辨率较高，地形更详细，大于128的区域更多，经计算得90米分辨率洼地的面积为0.3%,30米分辨率洼地的面积为0.7%，分辨率高的dem需要填挖的面积更大。 90米分辨率dem30米分辨率dem图四水流方向对比3.4.1.2洼地填充经过洼地提取后，可以确定原始 dem 上是否存在洼地，若有洼地，须进行填充。洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过水流方向来判断哪些地方是洼地，并进行填充。但是，并非所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的，有很多洼地是地表形态的真实反映。因此在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，判断哪些地区是由于数据误差造成的，而哪些地区又是真实的地表形态。然后，在洼地填充时，设置合理的填充阈值。本文的水文分析对下陷点没有要求，因而可以全部进行填挖，也就不需设置阈值，只进行一次填充即可。方法是利用arctoolboxspatial analysis tools hydrology fill工具对dem数据进行处理，得到洼地填充图。3.4.2汇流累积量计算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得到的。假设以规则格网表示的数字地面高程模型每个栅格单元都有一个单位的水量，按照水流方向数据累积，得到汇流累积量。对每一个栅格来说，汇流累积量代表上游有多少个栅格汇流累积经过该栅格，当汇流累积量到一定阶段就形成地面径流3。基于水流方向的汇流累积量如图所示（）是经过洼地填充的dem栅格，（）为栅格水流方向，（）为栅格汇流累积量）：0012002600230123 10141011100499610191015100799610251021101210031033102910201033 （） （）（） 表二汇流累积量图示操作：基于无洼地dem 生成水流方向图，利用该数据，双击hydrology 工具集中的flow accumulation 工具计算出汇流累积量数据，在图中，30米分辨率的dem显示出更多的细节，同样的区域，90米分辨率的dem几乎没有汇流累积数据，只显示出主流的汇流情况，而30米分辨率的dem则可以很清晰地看出干支流的汇流情况。30米分辨率的dem最大汇流累积量为10210000，90米分辨率的dem最大汇流累积量为4062890。如图所示（部分图，比例尺为1:600,000）：90米分辨率dem30米分辨率dem图五汇流累积量对比图3.4.3河网的提取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。3.4.3.1河网的生成在arcgis中有多种生成河网的方法，可以利用rastercalculator或multimapoutput工具中的con命令计算。还可以利用栅格重分类工具即arcgis中的spatial analyst tools(空间分析)模块中的reclassify工具，设置阈值，将大于所设置阈值的栅格置为1，小于阈值的栅格设置为nodata，从而提取出河网。本文选用reclassify工具进行河网的提取，选取了2000和5000作为阈值，将河网分为两类，将小于2000或5000阈值的栅格数据归为nodata，将其他数据归为。由图的比较可以看出，随着阈值的变化，同一分辨率的dem生成的河网密度，各级河流的长度都发生了较大的变化。随着阈值的增大，河网的密度在逐渐降低。不同分辨率的河网密度不同，分辨率越高，地形越详细，因而生成的河网越密集。对于一个流域，确定一个合适的汇水累积流域阈值是非常重要的。由于数据较大，选择阈值为2000时，后续处理量较大，河网较密集，因此本文选择阈值为5000的图作为后续处理图。阈值为2000的河网（放大之后的部分图）：90米dem30米dem阈值为5000的河网（放大之后的部分图）：90米dem30米dem图六不同阈值河网对比图3.4.3.2 栅格河网矢量化在hydrology模块中提供了将上一步生成的河网进行矢量化的工具stream 同feature，通过这个工具就可以得到矢量化的河网。栅格数据的矢量化时，选择的是最短的路线绘制成线。双击hydrology工具集中的stream to line工具，在input stream raster文本框中，选择3.3.3.1步骤中得到的栅格河网数据，正成的河网如图七所示，由图可以看出，基于栅格dem提取的栅格河网与高程的分布趋势一致，与矢量化河网相比，可以看出两者大致相同，但矢量化河网比栅格河网更详细，可以对栅格河网的遗漏部分进行补充。 30米dem提取的河网 矢量河网 90米dem提取的河网 矢量河网图七矢量和栅格河网对比图3.4.3.3 stream link 的生成stream link 记录河网中结点之间的连接信息，它主要是记录河网的结构信息，其中每一条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点。stream link 的生成可以通过双击hydrology 工具集中的stream link 工具实现，其属性表中记录着每个片段所包含的栅格个数信息。如图（选取阈值为的作为输入栅格，放大之后的部分图）：90米dem30米dem图八 两种分辨率的stream link3.4.3.4 河网的分级不同级别的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流累积量越大，一般是主流，而级别较低的河网一般则是支流。在arcgis的水文分析中，双击hydrology 工具集的stream order 工具，可提供两种常用的河网分级方法：strahler 分级和shreve 分级。这两种方法由 strahler (1957) 和 shreve (1966) 提出。在这两种方法中，始终将 1 级分配给上游河段。strahler 河流分级方法：在 strahler 法中，所有没有支流的连接线都被分为 1 级，它们称为第一级别。当级别相同的河流交汇时，河网分级将升高。因此，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，两条二级连接线相交会创建一条三级连接线，依此类推。但是，级别不同的两条连接线相交不会使级别升高。例如，一条一级连接线和一条二级连接线相交不会创建一条三级连接线，但会保留最高级连接线的级别。shreve 河流分级方法：shreve 法考虑网络中的所有连接线。与 strahler 法相同，所有外连接线都被分为 1 级。但对于 shreve 法中的内连接线，级别是增加的。例如，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，一条一级连接线和一条二级连接线相交会创建一条三级连接线，而一条二级连接线和一条三级连接线相交则会创建一条五级连接线。因为级别可增加，所以 shreve 法中的数字有时指的是量级，而不是级别。在 shreve 法中，连接线的量级是指上游连接线的数量。 strahler 河流分级方法 shreve 河流分级方法 图九两种分级方法示意图如图（为了清晰显示，此处只截取了部分图，比例尺为1:200,000）： 30米dem strahler分级 90米dem strahler分级 30米dem shreve分级 90米dem shreve分级 图十不同分级方法的河网分级图3.4.4 流域提取流域（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。流域可以通过流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）来描述。3.4.4.1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，可利用水流方向确定出所相互连接并处于同一流域盆地的栅格区域。双击hydrology 工具集中的basin 工具可以计算出流域盆地图： 30米分辨率（部分图） 30米分辨率（部分图） 30米分辨率（全流域图） 90米分辨率（全流域图）图十一两种分辨率的流域盆地图3.4.4.2集水流域的确定集水区域生成的思想如下：先确定出水点，即该集水区的最低点，然后结合水流方向，分析搜索出该出水点上游所有通过该出水口的栅格，一直搜索到流域的边界，即分水岭的位置为止。使用hydrology工具中的watershed工具进行集水流域的确定，如下图所示（部分图，比例尺为1:400,000）： 30米分辨率dem 90米分辨率dem图十二两种分辨率的集水区域图4.对比分析30米分辨率的dem和90米分辨率的不同分辨率的dem提取的河网大体一致，在细节方面有差异，30米分辨率的dem提取的河网更加密集，更加详细,许多细小的支流在图中都能表现出来；放大图形后可以发现, 随着栅格的增大, 提取河网间的偏离在增大, 河道变得越平直, 这种“偏离”和“平直”在地形复杂度低的平坦地区变的明显.造成这些变化的原因,有以下几种原因：首先是由于dem分辨率的不同使得地形的详细程度不同，生成的河网精度也就不同;其次是随着栅格的增大,dem 只能反映流域的全局特征, 不能反映局部的细节特征, 尤其是在平坦地区, 网格的增大使得流向的不确定性增大4;最后是由于d8 法的应用, d8 法将栅格格网的水流方向限定为8 种, 显然这与实际的水流方向不相符, 最大可能有45的流向偏差。根据这些标定流向的栅格连成的河道会与实际的情况有一定的差别