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1、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(wèn)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)
2、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(guò)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(guò)地表徑 流模擬計(jì)算之后這些柵
3、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(guò)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(kāi) Analysis Tools
4、 工具箱,打開(kāi) 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 11 11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)
5、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、山脊線的提取:(1) 在ArcMa
6、p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(wú)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(guò)的無(wú)洼地 DEM數(shù)據(jù) filldem
7、 ,將輸出的水流方向數(shù)據(jù)命名為 flowdirfill,如圖 10、 11?;跓o(wú)洼地的水流方向的計(jì)算圖 10圖 15 匯流累積量零值的提取結(jié)果圖 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 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d Spatial 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(kāi)柵格計(jì)算對(duì)話框,在文本
8、框中填寫(xiě)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(6)在 ArcMap中打開(kāi) 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(guò)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 18 生成原始 DEM的暈渲圖 hillshade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 analys
9、t 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(8) 打開(kāi) 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(guò)二值化的 neiborfacc0
10、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 24 反地形數(shù)據(jù)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(guò)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 山脊線,如圖 2
11、3所示。1的柵格屬性值賦為 NOD ATA。就得到了圖 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(kāi)柵格計(jì)算對(duì)話框;在文本框中填寫(xiě)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。(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
12、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(guò)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 3 3鄰域分析后的結(jié)果數(shù)據(jù)為 nbfacc0fan( 圖28) ,并將其分級(jí)改為兩圖 27 零值匯流累積量提取數(shù)據(jù)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 28 行均值
13、 3 3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(guò)后的數(shù)據(jù)與負(fù)地形數(shù)據(jù) fudixing 利用 spatial analyst 菜單下的 rastercalculator 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 NOD ATA,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(wèn)題及解決方法1 、遇到問(wèn)題:在ArcMap中打開(kāi) 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(guò)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 NOD ATA,如圖 32。就得到了新 的山谷線,比初次的山谷線更為細(xì)化。2
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