ArcGIS實(shí)驗(yàn)-Ex18-利用水文分析方法提取山脊、山谷線.doc

第十一章 水文分析練習(xí)1：利用水文分析方法提取山脊、山谷線一、背景山脊線、山谷線是地形特征線，它們對(duì)地形、地貌具有一定的控制作用。它們與山頂點(diǎn)、谷底點(diǎn)以及鞍部點(diǎn)等一起構(gòu)成了地形及其起伏變化的骨架結(jié)構(gòu)。因此在數(shù)字地形分析中，山脊線和山谷線以及地形特征點(diǎn)等的提取和分析是很有必要的。二、目的理解基于DEM結(jié)合水文分析的方法提取出研究區(qū)域的山脊線和山谷線的原理；掌握水流方向、匯流累積量的提取方法以及它們的提取原理；能將水文分析的方法和其它的空間分析方法相結(jié)合以解決應(yīng)用問題。三、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。四、數(shù)據(jù)一幅25m分辨率的黃土地貌DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的區(qū)域大概有140 km2。數(shù)據(jù)存于/ChP11/Ex1中，請(qǐng)將其拷貝到E：/ChP11/Ex1。結(jié)果數(shù)據(jù)保存在/ChP11/Ex1/Result中。五、算法思想對(duì)于水文物理過程研究而言，由于山脊、山谷分別表示分水性與匯水性，山脊線和山谷線的提取實(shí)質(zhì)上也是分水線與匯水線的提取。因此，對(duì)于山脊線和山谷線就可以利用水文分析的方法進(jìn)行提取。 基于DEM的這種地形表面流水物理模擬分析的原理是：對(duì)于山脊線而言，由于它同時(shí)也是分水線，那么對(duì)于分水線上的那些柵格，由于分水線的性質(zhì)是水流的起源點(diǎn)，通過地表徑流模擬計(jì)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(duì)零值的匯流累積值的柵格的提取，就可以得到分水線，也就得到了山脊線；對(duì)于山谷線而言，由于其具有匯水的性質(zhì)，那么對(duì)于山谷線的提取，可以利用反地形的特點(diǎn)，即是利用一個(gè)較大的數(shù)值減去原始的DEM數(shù)據(jù)，而得到了與原始地形完全相反的地形數(shù)據(jù)，也就是原始的DEM中的山脊變成負(fù)地形的山谷，而原始DEM中的山谷在負(fù)地形中就變成了山脊，那么，山谷線的提取就可以在負(fù)地形中利用提取山脊線的方法進(jìn)行提取。六、操作步驟1、正負(fù)地形的提取(1) 啟動(dòng)ArcToolbox，展開Analysis Tools工具箱，打開hydrology工具集。在圖層管理器中加載研究區(qū)域的原始DEM數(shù)據(jù)。(2) 加載Spatial Analyst模塊，點(diǎn)擊Spatial Analyst模塊的下拉箭頭，點(diǎn)擊neighborhood statistics菜單工具，利用鄰域分析的方法以1111的窗口計(jì)算平均值，如圖1。分析結(jié)果命名為meandem，如圖2所示。 圖1 用鄰域分析的方法以1111的窗口計(jì)算平均值圖2 DEM數(shù)據(jù)的平均值(3) 點(diǎn)擊spatial analyst中的raster calculator菜單工具，對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)與鄰域分析之后的數(shù)據(jù)meandem做減法運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果重分為兩級(jí)，分級(jí)界線為0，那么大于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3） 圖3 Raster Calculator菜單工具圖4 正負(fù)地形區(qū)域(4) 對(duì)上一步得到的二值化數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次重分類，如圖5。一次將正地形區(qū)域?qū)傩灾蒂x值為1，負(fù)地形區(qū)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。分別如圖6、圖7所示。 圖5 重分類 圖6 正地形區(qū)域（圖中深色區(qū)域） 圖7 正地形區(qū)域（圖中深色區(qū)域）2、山脊線的提?。?(1) 在ArcMap中加載研究區(qū)域的原始DEM數(shù)據(jù)。(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(diǎn)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?yàn)檫x擇的是將所有洼地全部填充，所有在填充容限Z limit為默認(rèn)值。(圖8、9) 圖8 洼地點(diǎn)填充圖9 洼地點(diǎn)填充的結(jié)果 (3) 基于無洼地的水流方向的計(jì)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flowdirfill，如圖10、11。 圖10 基于無洼地的水流方向的計(jì)算圖11 水流方向的計(jì)算結(jié)果(4) 匯流累積量的計(jì)算：雙擊hydrology工具集中的flow accumulation工具。選擇flowdirfill作為輸入的水流方向數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)命名為flowacc1。 圖12 匯流累積量的計(jì)算圖13 匯流累積量的計(jì)算結(jié)果(5) 匯流累積量零值的提?。杭虞dSpatial Analyst模塊，點(diǎn)擊Spatial Analyst模塊的下拉箭頭，然后單擊raster calculator菜單，打開柵格計(jì)算對(duì)話框，在文本框中填寫匯流累積量零值的提取公式：facc0 = (flowacc = 0)，然后點(diǎn)擊evaluate進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為所有的匯流累積量為0的柵格。 圖14 匯流累積量零值的提取圖15 匯流累積量零值的提取結(jié)果(6) 在ArcMap中打開facc0，發(fā)現(xiàn)所提取出的柵格很亂，有很多的地方并不是山脊線的位置，因此應(yīng)對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理過程可以利用鄰域分析的方法，對(duì)提取出的匯流累積量等于零值的數(shù)據(jù)進(jìn)行33鄰域分析進(jìn)行光滑處理，處理后的數(shù)據(jù)如圖16所示。 圖16 對(duì)提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行33鄰域分析進(jìn)行光滑處理(7) 單擊spatial analyst模塊中的surfer analyst中的countline和hillshade菜單命令，分別生成原始DEM的等值線圖ctour（圖17）和暈渲圖hillshade（圖18）。 圖17 生成原始DEM的等值線圖ctour 圖18 生成原始DEM的暈渲圖hillshade (8) 打開neiborfacc0數(shù)據(jù)屬性信息，進(jìn)行重新分類，將分類級(jí)別設(shè)置為兩類，不斷調(diào)整分界數(shù)據(jù)大小，并以由DEM生成的等值線圖和暈渲圖為輔助判斷數(shù)據(jù)。在neiborfacc0中，屬性值越接近于1的柵格越有可能是山脊線，這里確定的分界閾值為0.5541，如圖19、20。(9) 將進(jìn)行過二值化的neiborfacc0進(jìn)行重分類為reneibor，將屬性值接近1的那一類的屬性值賦值為1，其余的賦值為0。 圖19 neiborfacc0數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分類圖20 重分類的結(jié)果(10)將重分類過后的neiborfacc0數(shù)據(jù)與正地形數(shù)據(jù)zhengdixing利用spatial analyst菜單下的raster calculator進(jìn)行相乘運(yùn)算，這樣就消除了那些存在在負(fù)地形區(qū)域中的錯(cuò)誤的山脊線，結(jié)果如圖22所示。圖21 Raster Calculator中進(jìn)行相乘運(yùn)算圖22 相乘運(yùn)算的結(jié)果(11)然后將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重分類，所有屬性不為1的柵格屬性值賦為NO DATA。就得到了山脊線，如圖23所示。 圖23 將計(jì)算結(jié)果重分類，得到山脊線3、山谷線的提取(1) 在ArcMap中加載原始DEM數(shù)據(jù)。(2) 加載Spatial Analyst模塊，點(diǎn)擊Spatial Analyst模塊的下拉箭頭，點(diǎn)擊options raster calculator菜單工具，打開柵格計(jì)算對(duì)話框；在文本框中填寫反地形的計(jì)算公式：fandem =Abs (dem-2000)，點(diǎn)擊evaluate進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果與原始DEM地形完全相反的反地形數(shù)據(jù)，如圖24所示。 圖24 反地形數(shù)據(jù)(3) 反地形計(jì)算完畢之后，山谷線的提取就和山脊線的提取步驟一樣的，直到最終利用重分類的方法將重新分級(jí)的鄰域分析后的結(jié)果二值化為止。在這里，是不需要對(duì)反地形DEM進(jìn)行洼地填充的。計(jì)算過程中的數(shù)據(jù)名稱分別為：水流方向數(shù)據(jù)為flowdirfan(圖25)，匯流累積數(shù)據(jù)為flowacc2(圖26)，零值匯流累積量提取數(shù)據(jù)為flowacc0fan(圖27)，對(duì)flowacc0fan進(jìn)行均值33鄰域分析后的結(jié)果數(shù)據(jù)為nbfacc0fan(圖28)，并將其分級(jí)改為兩級(jí)，分級(jí)閾值為0.65677，結(jié)果如圖29所示，初次得到山谷線如圖30。 圖25 水流方向數(shù)據(jù) 圖26 匯流累積數(shù)據(jù) 圖27 零值匯流累積量提取數(shù)據(jù) 圖28 行均值33鄰域分析后的結(jié)果數(shù)據(jù) 圖29 重分類將結(jié)果分為兩級(jí)圖30 初次得到的山谷線(4) 將重分類過后的數(shù)據(jù)與負(fù)地形數(shù)據(jù)fudixing利用spatial analyst菜單下的raster calculator進(jìn)行相乘運(yùn)算，這樣就消除了那些存在在負(fù)地形區(qū)域中的錯(cuò)誤的山脊線，如圖31。然后將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重分類，所有屬性不為1的柵格屬性值賦為NO DATA，如圖32。就得到了新的山谷線，比初次的山谷線更為細(xì)化，如圖33、34所示。圖31 存在在負(fù)地形區(qū)域中錯(cuò)誤的山脊線（綠色部分）圖32 重分類將錯(cuò)誤的山脊線消除 圖33 初次得到的山谷線(左)與消除錯(cuò)誤后的山谷線(右)對(duì)比圖34 計(jì)算出的研究區(qū)域的山谷線（圖中深色區(qū)域，背景為該區(qū)域的暈渲圖）七、遇到問題及解決方法 1、遇到問題：在ArcMap中打開facc0，發(fā)現(xiàn)所提取出的柵格很亂，有很多的地方并不是山脊線的位置，因此應(yīng)對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如何處理？解決方法：將重分類過后的數(shù)據(jù)與負(fù)地形數(shù)據(jù)fudixing利用spatial analyst菜單下的raster calculator進(jìn)行相乘運(yùn)算，這樣就消除了那些存在在負(fù)地形區(qū)域中的錯(cuò)誤的山脊線。然后將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行重分類，所有屬性不為1的柵格屬性值賦為NO DATA，如圖32。就得到了新的山谷線，比初次的山谷線更為細(xì)化