ArcGIS試驗(yàn)-Ex18-利用水文分析方法提取山脊、山谷線

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,_4 普 E 、 目樂山脊線、山谷線是地形特征線,它們對(duì)地形、地貌具有一定的限制作用.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DEMr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)

2、據(jù)一幅252辨率的黃土地貌 DE賺據(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DEMJ這種地形外表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

3、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DE瞰據(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DE廂的山脊變成負(fù)地形的山谷,而原始DE肺的山谷在負(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,翻開hydrology工具集.在圖層管 理器中加載研究區(qū)域的原始

4、DE瞰據(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 x 11的窗口計(jì)算平均值,如圖1.分析結(jié)果命名為 meanderm如圖2所示.spatial Analyst Layer: dem i Mt anc* ans i t y.工ntwrp.二mtv t. sterSurface AnalysisCell Stati sties.ghborhod Statitics.區(qū)口口紅 Statistice.Zonal噂 . .9cl 雙EE： fy.Hasler C

5、alctilator.LonvwtGpti ons.圖1用鄰域分析的方法以11X11的窗口計(jì)算平均值 L(Hq 7T351 - LOT Ldi4.3895S2 - L,1D l?na.nsss * l.is l, J3 SliKl - L.1g 1,1脂 hl7 - L/|0 : 1；E.053E6l - L3EI-營 Lag i 囹e二 1,221.<39出1-Ll25 mUUMLU】L,怎 CJlzio wznT - lq口 =口 deHlm ' m更.白IIn,山mi口中* -we#圖2 DEMK據(jù)的平均值(3) 點(diǎn)擊spatial analyst 中的raster cal

6、culator菜單工具,對(duì)原始 DE瞰據(jù)與鄰域分析之后的數(shù)據(jù)meande瞰減法運(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DEMb就是正地形區(qū)域,小于 0的區(qū)域在原始DEM:就是負(fù)地形區(qū)域.(圖 3)Ql'kL ne-i- 口11；1bT咋皿H* £4 *rl+肝 工wl3 AmItil.Fill題出Iiftd也士虱Xnwkl Ki.h. .Ri AlhKi-frFisi.tr Cal:al it t.中f口 wwi.Qj I j ：iu工dU- 12* jLJal-Jt 'lilgtz=4iM=sijr±、卜. t. d¥Z

7、BTKa-1 u-r Cd.l<uLyitfi-F二|上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.Sp< al i <1 iLn <1 jfe t1J 期Nia | L“r： |盤mDistaziceTlg> ci ty .ZftitrpC'lit# 1q Lultr&ht

8、f-a.2 « Jlx-.-aLysi sCtll Siativlici可打 gtiborhgil Sttti eIlce.?q具口 Slati sties, .Zowd. Hi stop aaKeclazEi E*E電H生f Caldil鼠汁C«v*r tniO.L-2Z4d#tstior MftMd |MdmdUauni inLCUhE!:HAWmMfiKimLlTi： 9im!Hitan:g倒m罵曲弓T叼 32LS3 H chwu qEg-ZDL?3J* ? . Lkjwn us-'cti .Snr-Hil.PpllO-lB-圖5重分類圖6正地形區(qū)域圖中深色區(qū)

9、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ArcMap中加載研究區(qū)域的原始 DE朦據(jù).2洼地填充：雙擊hydrology工具集中的fill工具,進(jìn)行原始 DEMH1洼地點(diǎn)填充.在 Input surface raster文本框中選擇原始 DEM據(jù)dem,將輸出數(shù)據(jù)命名為 filldem ,由于選擇的是將所有洼地全部填充,所有在填充容限-Spat i al Analyst. Tool +Conditional+DenEity|±Di stance+ e E施traction + 妗 Generalization * Groundwater P 電 Hydrol&gyA

10、BaiinZ limit 為默認(rèn)值.圖8、9FEDnixuL mr£ mivrU.1NM QuJJlXdJ.h匕111J舊誦#r'ARjl.I回闈FillFlow Acc-umulati 6H Flow Direction Flow Length.SinkSnap Pout PoiiitStre即 Link Stream- Order 3111rltarn to Feature圖8洼地點(diǎn)填充OK I Gance! EKurorrrents：. Mem Htip »卜也L.mUri I4rid *、!“'¥| hfcLli 'felMt+MC

11、i-i f ri fall* deULl JU4d.Et "Lim I*kihTZ*卜VobxU T4mJjclUlidiiMBLi-rik Tidi. l*Lan kTa nitkEwAi* l TA3 g* 加ThQm上13T"-4ltv Aril I ir* &U3H/盧 Fl-5» Acr»<L .1.' 第 Flw hr«iiii h*Uk4thi產(chǎn)-Xafp Fear PadM,工la* LibA# 工H AM hBVXtfl m* X j»filaj' +戶aliUa hb."M

12、HM IJM I S*«心 i"nl' I洼地點(diǎn)填充的結(jié)果Flow Direct1(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DE瞰據(jù)filldem ,將輸出的水流方向 數(shù)據(jù)命名為flowdirfill ,如圖10、11.paliil Analyst Tools b Cendi? DmiJhi ly,Mis1tmi:電§ Extract! on% i電真老r£Li rat ion 二心存皿idw工七4#Kyiroloy

13、* Bism戶 FallFl*w Aawfruliti/ Fl*w Length戶 Ssxik/ Shad EbUi1 FoiittStrLinkS Lr e-xni 01 d-el/ Streadn to 'sAiure f Witersited圖10基于無洼地的水流方向的計(jì)算DM KLbm £ CbImI.,fkr*i tfi,4 *«-1 | D<' Eum |*riLi.13U ip Ti» 上. yx. Hrmpr-dL T«d.i r * I $WEldlBC ri illJ 彳AAd.fl! Ta d I |Li I

14、0 lU-faa&cnfag Ti"l" F . M-dn IwU p .KmaMmi.0 T3q» 卜 H* h 紂4 Am! re I T-mIi &wLu- MlEibhIL+ TmU-.Sprtiil IhLe T«d.a £ -r»db hT 蜘 bHMJ Q O DlW-Her口 I口口fcijr"1 fg La.ifiL冷逅金產(chǎn)%?-1那么/ 工,+* Unk小沁*- Ur*/ks7mir>g1 Irri-sTili4in.FTLr .->d "1.,總立圖11水流方向的計(jì)

15、算結(jié)果匯流累積量的計(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flowaccl-電 Stalial Tools上 匚 gdiMg&lL D tn± ih Di sltuhCHIt 0 ti tract ionb & Qn虹*電Gro皿電r-妗 Hydroid &Basin/ Till,ricw Kceunulati oa# fit* OlTfCllOD/ FIe L電迷th, SirJc:Sn*p Pew PaintStreani Link十 55包91| O

16、l dez# Stream Feature/ Vatershtd圖12匯流累積量的計(jì)算.r工 mxj 口口口口口口 1-4:4| lah« Iibwapiv hi.Litr- Eva 八| Imfaij.ilk-Sqar«dip.a T»Jl,營AnJLra1： Te |Up*v MirwiPf Taillv I8i|>ld.« TI RIuJImmlw lullRalE Hu| SchM-ali ra T'Q|A| SlTH u 號(hào)川Tw14lUMrliDwHitrDjH.1 l£M b ib kU46-,21 a ZEB,Pl

17、-Mi PwNNE 產(chǎn) FLw Li9f'.h,方寸Tet Ft/' Su inb lijhfe*士 >)rdiF產(chǎn)富U3 £e jri'm,iM«ri>d4IziiwF?J rtmUe圖13匯流累積量的計(jì)算結(jié)果Spatial菜單,(5)匯流累積量零值的提?。杭虞d 下拉箭頭,然后單擊 raster calculator累積量零值的提取公式：facc0 = (flowacc = 0)為所有的匯流累積量為0的柵格.Analyst 模塊,點(diǎn)擊 Spatial Analyst 模塊的翻開柵格計(jì)算對(duì)話框,在文本框中填寫匯流,然后點(diǎn)擊evaluate

18、進(jìn)行計(jì)算.計(jì)算結(jié)果圖14匯流累積量零值的提取申中生諾|泌PEq*rpi i,qg圖15匯流累積量零值的提取結(jié)果6在ArcMap中翻開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 3X3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 3X 3鄰域分析進(jìn)行光滑處理單擊 spatial analyst 模塊中的 surfer analyst 中的 countline 和 hillshade 菜單命令,分別生成原始 DEMJ等值線圖ctour 圖17和暈渲

19、圖hillshade圖18.圖17生成原始DEMJ等值線圖ctour圖18生成原始 DEM1暈?t圖hillshade(8)翻開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 DE也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* 口 M-ilD-E

20、taKA fg1 Ci 4* «M±lU* 0 1*dui M CU皿mo- Calnl .> d drib-t 口修圖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-學(xué) 1EH-g Oal&.li.Bi Uwuil,FfAlaildl. I tra" *唯ii： liiLiie I

21、Tini rwji d b .時(shí).llkltaM Mrilfiji !l i" I單 lariiv 1s6Erifiic:,E4 T-rJn 4 下*人!1k ll | | JCLUiMUOI. "d*LE 4匕id4產(chǎn)IW"I b HfEc 1 I ,*- l1»*I y ML. ( Su ha rii牽 如3 Iftd晌E hfil-ii事 r-AlinLSiia. BlV-itlitlL i Qaui ul-：al i dii -FaHiiavlBii HrtnolF > Puw 產(chǎn)FlU 1Fl -> 詈 ri-iv XirKrii

22、m # FLj« /g“悔If ihlfrf 而3r Mm IrAw !勵(lì)1戶工圖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23所示.1的柵格屬性值賦為NODATA就得到了1x1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DE朦據(jù).(2)加載Spatial Analyst 模塊,點(diǎn)擊Spatial Analyst模塊的下拉箭頭,點(diǎn)擊optionsraster calculator菜單工具,翻開柵格計(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

23、.計(jì)算結(jié)果與原始DEMfe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27零值匯流累積量提取數(shù)據(jù)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)行士值3 x 3鄰域分析后的結(jié)果數(shù)據(jù)為nbfacc0fa

24、n圖28,并將其分級(jí)改為兩1 k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3X3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)» ODDO 曰IT V +=T1I中+F-田+田用明王王川用ELLirfAE! SJlft. 用的叱 C-klflZhlL 3 C JLnlblLiri 也IL鼻rL K F fud ElkXtJ Ej -rrl J±* Jhll 辦悵H 1«biJi U* If*D tiliTx alsrMNdli ny Tani kSMEgiiax融 M3yEE Th Ll 31 M &iXATU-ZLCLf TC->±

25、3 Ml1« TmJi 才r|J 片/31dl R&Itf-iilY-uJc 壇口7工± I< !& Ejl*,5dm<1 in Tsls 4/TWU TwJE"|>s> i-ij j近2, J *Bl.i«-«戶 Yi.-L«r-Elh*d Ihu «tpa-14U Awi *-' i u . |【：MJ "! .: I' ihlJjSCxJl Ex nal, 口 3LQ 才 Dailw b ErT TW-'I 43. OoicfallliilLOb

26、 Gr+«ndw i.i ar Hr trcJ.x ex AmQh產(chǎn)FIDTim Lrzvnl L:j h, P1W> llF4«i kM/ Tl,L*Fafllz 2人盧 Siflf lw 1*1 */ Stt7* UTik,式k. d -? I l q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NODATA如圖32.就得到了新的山谷線,比

27、初次的山谷線更為細(xì)化,如圖 33、34所示.D !W Llfwi-D ElRtftlMi般DfaXT的蜘之mltl« “Mdzrliwl'.ll.J u BnUnha TaU rrrf-n-dtili I74Xi wu|vv>> tGwcidiKI IhIp + Jwljrwa TaI I卜耳4同"T3 I |ikuii inLi.i I I 111taHirk A*d.yci T«J.cd I中t IE riIx1 ( kmf 1!»- wEUil tod-ni IhwLiT u husia-lv,$ >i- Ejrur*cr

28、i,i-a& $ -J I IVll II, - & El iXljb hEH專*4dy 看 I ui ! ZhiiF n +rBWklfl 1 第 Fin IHkcVRn SuLk# &M2 r*lhB ,上L&/ fVlIH-,七JEUaal 37itOB*, 貽 hri-vpln.i in 口 “%圖31存在在負(fù)地形區(qū)域中錯(cuò)誤的山脊線綠色局部IrsMrEir：心 r 必V Recteffi 加H口吐在_*Gangs fhhe,3j« tci Hod!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)誤后的山谷線右比照L Li nl id i mA RkIw £ dbETar包 eueDEh ArtiiriFd EkLTucmhs 巾制祎 匚.ctLvi f d U MI sh HalliJwji T* Jn-Un