基于DEM的Arcgis水文分析

1、团队介绍团队介绍成员构成：成员构成： 组长组长： 张明华张明华 2012045060 2012045060 组员组员： 王泗凯王泗凯 2012045043 2012045043陈诗伟陈诗伟 2012045028 2012045028 李庭靖李庭靖 2012045035 2012045035 蔡蔡 狄狄 2012045051 2012045051 任务分工：任务分工： 张明华：张明华： 资料整理、制作资料整理、制作PPTPPT 王泗凯：王泗凯： 整理资料、数据处理整理资料、数据处理 陈诗伟：陈诗伟： 数据处理及分析数据处理及分析 李庭靖：李庭靖： 数据资料搜集，撰写报告数据资料搜集，撰写报告 蔡

2、蔡 狄：狄： 文档资料搜集，制作文档资料搜集，制作PPTPPT 内容主旨内容主旨一、研究目的与意义一、研究目的与意义二、主要技术路线二、主要技术路线三、主要数据及来源三、主要数据及来源四、实现过程四、实现过程五、数据分析五、数据分析六、总结六、总结一、研究目的与意义一、研究目的与意义 根据根据DEMDEM数据提取河流网络，进行双流数据提取河流网络，进行双流河河网分级网分级，并且计算，并且计算流水累积量、流向、水流长流水累积量、流向、水流长度度、以及、以及根据指定的流域面积大小自动划分双根据指定的流域面积大小自动划分双流区域的流域流区域的流域。水文分析是水文分析是DEMDEM数据应用的一个重要方

3、面。数据应用的一个重要方面。而利用而利用DEMDEM生成的集水流域和水流网络，成为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，源影响的地区，预测当某一地区的地貌改变时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对整个地区将造成的影响等。二、主要技术路线二、主要技术路线水文分析基本步骤：水文分析基本步骤：水文分析基本步骤水文分析基本步骤无洼地的无洼地的D

4、EMDEM 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。关键步骤：关键步骤：流向分析流向分析流向分析原理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水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。在指向。在ArcGISArcGIS中通过将中心栅格的中通过将中心栅格的8 8个邻域栅个邻域栅格编码（格编

5、码（D8D8算法），来确定水流方向。算法），来确定水流方向。方向约定如图：方向约定如图：共有八个方向，分别是共有八个方向，分别是2 2的的n n次方次方 水流的流向是通过计算中心栅格与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。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对中心栅格的方向值为2 2、8 8、3232、128128，则栅格间的距离为则栅格间的距离为SQRT(2)

6、1.414SQRT(2)1.414，否，否则距离为则距离为1 1。如果。如果高程差为正值，则为高程差为正值，则为流出；负值则为流入。流出；负值则为流入。水文分析基本步骤水文分析基本步骤汇流累积量汇流累积量 在地表径流模拟过程中，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汇流累积量是基于水流方向数据计算而来的而来的。对每一个栅格来说，其汇流累积量的大小代表着其上游有。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，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，汇流累积的数值越大，该区域越易形成地表径流。该区域越易形成地表径流。水

7、文分析基本步骤水文分析基本步骤水流长度（流程）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。目前水流长度的提取方式主要有两种，方式主要有两种，一种是顺流计算（一种是顺流计算（DownstreamDownstream），一种是朔流计算），一种是朔流计算（UpstreamUpstream）。）。顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在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；

8、朔流计算者是计算地面上每一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。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。流域分析流域分析 流域又称集水区域流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其它物质从一个公共的，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（地（basinbasin）、集水盆地（）、集水盆地（catchmentcatchment）或水流区域（）或水流区域（contributing

9、 areacontributing area）。）。 WatershedWatershed数据显示了区域内每个流域汇水面积的大小。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。包围的区域面积就是流域面积。水文分析基本步骤水文分析基本步骤提取河流网络提取河流网络 目前常用的河网提取方法是采用

10、目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算地表径流漫流模型计算：首首先先是在无洼地是在无洼地DEMDEM上利用最大坡降的方法得到每一个栅格的水流方上利用最大坡降的方法得到每一个栅格的水流方向；向；然后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。

11、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，当汇流量达基于上述思想，当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表到一定值的时候，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水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。的网络，就是河网。三、主要数据及来源三、主要数据及来源1 1、实验数据、实验数据四川省区域四川省区域9090米高程数据、米高程数据、中国县界数据（面图层）中国县界数据（面图层） 2 2、软件、软件ArcMap 10ArcMap 10四、实现过程四、实

12、现过程4.1 4.1 镶嵌镶嵌 使用使用ArcToolboxArcToolbox中中Data Management Tools(Data Management Tools(数据管理数据管理具具)/Raster()/Raster(栅格栅格)/Raster Dataset()/Raster Dataset(栅格数据集栅格数据集)/Mosaic()/Mosaic(镶嵌镶嵌) )或或Mosaic To NewRaster(Mosaic To NewRaster(镶嵌至新栅格镶嵌至新栅格) )进行拼接。进行拼接。镶嵌镶嵌4.2 栅格数据裁剪栅格数据裁剪（2 2）使用）使用ArctoolsBox/Spat

13、ial ArctoolsBox/Spatial Analyst ToolsAnalyst Tools（空间分析工具）（空间分析工具）/Extraction/Extraction分析分析)/Extract By Mask)/Extract By Mask（按掩膜提取）提取工具。（按掩膜提取）提取工具。双流县双流县DEMDEM提取提取4.3 无洼地的无洼地的DEM生成生成（1 1）原始原始DEMDEM数据数据提取水流方向提取水流方向执行执行ArctoolboxSpatial ArctoolboxSpatial Analyst Analyst ToolsHydrology ToolsHydrolog

14、y Flow Direction Flow Direction 4.3 无洼地的无洼地的DEM生成生成2 2）洼地的计算洼地的计算执行执行 Arctoolbox Arctoolbox Spatial Analyst Spatial Analyst ToolsHydrology ToolsHydrology Sink Sink 。可以看出。可以看出由于由于DEMDEM插值或其插值或其他原因造成的高程他原因造成的高程“洼地洼地”。（3 3）洼地填充）洼地填充执行执行ArctoolboxSpatial ArctoolboxSpatial Analyst ToolsHydrology Analyst

15、ToolsHydrology FillFill。在在FillFill对话框中，对话框中，Input Input RasterRaster选择选择demdem图层，图层，“Z Z limit”limit”为填充阈值，当设置为填充阈值，当设置一个数值之后，在洼地填充一个数值之后，在洼地填充过程中，那些洼地深度大于过程中，那些洼地深度大于阈值的地方将作为真实地形阈值的地方将作为真实地形保留，不予填充；系统默认保留，不予填充；系统默认情况是不设阈值，也就是所情况是不设阈值，也就是所有的洼地区域都将被填平。有的洼地区域都将被填平。4.3 无洼地的无洼地的DEM生成生成4.4 无洼地无洼地DEM流向分析流

16、向分析4.5 计算汇流累积量计算汇流累积量执行执行ArctoolboxSpatial ArctoolboxSpatial Analyst ToolsHydrology Analyst ToolsHydrology Flow Accumulation Flow Accumulation 。在在FillFill对话框中，对话框中，“Input weight Input weight raster”raster”文本框中输入权重数据，文本框中输入权重数据，权重数据一般是表示降水、土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，更能素分布不平衡而形

17、成的，更能详细模拟该区域的地表特征详细模拟该区域的地表特征。如果无数据，系统默认为所有如果无数据，系统默认为所有的栅格配以相同的权值的栅格配以相同的权值1 1，那么，那么计算出来的汇流累积量的数值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就代表着该栅格位置流入的栅格数的多少。格数的多少。4.6 计算水流长度（流程）计算水流长度（流程）执行执行ArctoolboxSpatial ArctoolboxSpatial AnalystToolsHydrology AnalystToolsHydrology Flow Length Flow Length 。计算方。计算方向分别向分别Downs

18、treamDownstream（顺流（顺流计算）和计算）和UpstreamUpstream（朔流（朔流计算）。在计算）。在“Input weight Input weight raster”raster”文本框中输入权重文本框中输入权重数据，数据，DownstreamDownstream记录着记录着其沿着水流方向到下游流其沿着水流方向到下游流域出水口中最长距离所流域出水口中最长距离所流经的栅格数；经的栅格数；UpstreamUpstream则则记录着其沿着水流方向到记录着其沿着水流方向到上游栅格的最长的距离的上游栅格的最长的距离的栅格数。栅格数。4.7 提取河流网络提取河流网络4.7.14.7

19、.1提取河流网络栅格提取河流网络栅格 设定阈值设定阈值阈值的设定在河网的提取阈值的设定在河网的提取过程是很重要的，并且直接影过程是很重要的，并且直接影响到河网的提取结果。阈值的响到河网的提取结果。阈值的设定应遵循科学、合理的原则。设定应遵循科学、合理的原则。首先应该考虑到研究的对象，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，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阈值；其次考虑到研究区域的状况，不同的研究区域相同的状况，不同的研究区域相同级别的沟谷需要的阈值也是不级别的沟谷需要的阈值也是不同的。同的。4.7 提取河

20、流网络提取河流网络4.7.1 4.7.1 提取河流网络栅格提取河流网络栅格 提取栅格河流网络提取栅格河流网络在在Arc MapArc Map中，点击空间分析模块中，点击空间分析模块计算器计算器, ,在计算器中输入表达式：在计算器中输入表达式：con con (“(“双流汇流累积量双流汇流累积量”210,1)”210,1)。关闭除关闭除StreamnetStreamnet之外的其它图层。之外的其它图层。河流提取结果河流提取结果4.7 提取河流网络提取河流网络4.7.2 4.7.2 栅格河流网络矢量化栅格河流网络矢量化执行执行 Arctoolbox Spatial Arctoolbox Spati

21、al Analyst ToolsHydrology Analyst ToolsHydrology stream to feature stream to feature 流域分析矢量化流域分析矢量化4.7.3 平滑处理河流网络平滑处理河流网络平滑处理河流网络平滑处理河流网络利用利用EditorEditor工具栏进行编辑，工具栏进行编辑，选择图层中所有要素，执行选择图层中所有要素，执行 编辑器编辑器 工具栏中的命令工具栏中的命令 编辑编辑器器更多的编辑工具更多的编辑工具高高级编辑级编辑 打开工具条：打开工具条： 高级编高级编辑辑 ，点击其上的，点击其上的 平滑平滑 按钮按钮河流平滑处理河流平滑处

22、理4.7.4 stream link的生成的生成 执行执行Arctoolbox Spatial Arctoolbox Spatial Analyst ToolsHydrology Analyst ToolsHydrology Stream linkStream link。经过计算，它。经过计算，它将栅格河网在汇合点栅格处分将栅格河网在汇合点栅格处分割成河网片段，并将片断进行割成河网片段，并将片断进行记录，在属性表中除了记录该记录，在属性表中除了记录该片段的片段的IDID号之外，还记录着每号之外，还记录着每个片段所包含的栅格数。个片段所包含的栅格数。Stream linkStream link结

23、果可利用结果可利用stream to featurestream to feature转换为矢量数转换为矢量数据。据。连接后矢量化结果连接后矢量化结果4.7.5 河网分级河网分级 执行执行ArctoolboxSpatial ArctoolboxSpatial AnalystAnalystToolsHydrology ToolsHydrology Stream OrderStream Stream OrderStream OrderOrder结果可利用结果可利用stream to stream to featurefeature转换为矢量数据。转换为矢量数据。StrahlerStrahler分级

24、结果（分为四级）分级结果（分为四级）4.7.5 河网分级河网分级ShreveShreve分级结果（分为分级结果（分为135135级）级）4.8 流域分析流域分析（1 1）流域盆地的确定）流域盆地的确定执行执行ArctoolboxArctoolboxSpatial Analyst Spatial Analyst ToolsHydrlogyToolsHydrlogyBasinBasin。o o 栅格数据栅格数据4.8 流域分析流域分析打开打开 空间分析空间分析 工具栏，工具栏，执行命令执行命令: :空间分析空间分析转转换换栅格到要素栅格到要素 。 将流域栅格转换成为矢将流域栅格转换成为矢量图层，并进行符号设置。量图层，并进行符号设置。集水流域矢量化集水流域矢量化4.8 流域分析流域分析（2 2）集水流域一步得到的）集水流域一步得到的流域盆地是一个比较大的流域流域盆地是一个比较大的流域盆地，在很多的水文分析中，盆地，在很多的水文分析中，还需要基于更小的生成经过上还需要基于更小的生成经过上的流域单元进行分析，那么就的流域单元进行分析，那么就需要进行流域的分割。而需要进行流域的分割。而流域流域的分割首先是要确定小级别的的分割首先是要确定小级别的流域的出水口的位置。流域的出水口的位置。汇水区出水口的确定汇水区出水口的确定 思想思想: :利