ArcGis軟件生成的河網(wǎng)徑流節(jié)點(diǎn)標(biāo)識提取

1、ArcGis 軟件生成的河網(wǎng)徑流節(jié)點(diǎn)標(biāo)識提取摘要：河網(wǎng)的交匯點(diǎn)在水文學(xué)、地貌學(xué)等學(xué)科上均具有重要的特殊意義。分析了由 ArcGis 軟件生成的 河網(wǎng)徑流節(jié)點(diǎn)標(biāo)識的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上將其提取出來，提取的徑流節(jié)點(diǎn)標(biāo)識與生成的河段信息具有一致 性。同時生成了基于河段流向的下一節(jié)點(diǎn)標(biāo)識。實(shí)踐表明該方法原理簡單，易于操作實(shí)現(xiàn)，可以廣泛應(yīng)用 于水文學(xué)和地貌學(xué)的基礎(chǔ)研究當(dāng)中。關(guān)鍵詞：河網(wǎng)徑流節(jié)點(diǎn)；河段標(biāo)識；河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識；幾何網(wǎng)絡(luò)河網(wǎng)是指由大小不等、 深淺不一的河槽相互貫通組成的網(wǎng)絡(luò)狀泄水系統(tǒng)。 它 在水文學(xué)和地貌學(xué)的研究上均具有重要的意義 1 。在水文學(xué)上，現(xiàn)代研究認(rèn)為流 域水文響應(yīng)是地貌擴(kuò)散和水動力擴(kuò)散對

2、降落在流域上的凈雨共同作用的結(jié)果， 為了模擬這種響應(yīng)，水文學(xué)上提出了地貌瞬時單位線的概念234 。在該領(lǐng)域的研究當(dāng)中，需要建立流域水系的拓?fù)潢P(guān)系。 其中河網(wǎng)徑流節(jié)點(diǎn)就是其中的一個重要 元素。ArcGIS 產(chǎn)品線為用戶提供了一個可升縮的， 全面的 GIS 平臺。在 ArcToolbox工具箱中的 Spatial Analyst Tools 類別下的 Hydrology 工具箱，提供了豐富的水文 分析工具。 通過它可以方便的生成的矢量河網(wǎng)。 在生成的矢量河網(wǎng)當(dāng)中存在各子 河段的上下節(jié)點(diǎn)標(biāo)識， 但在水文分析工具當(dāng)中并沒有找到相應(yīng)的提取河段節(jié)點(diǎn)的 工具567 。劉曉8 等人嘗試通過幾何網(wǎng)絡(luò)分析工具提取

3、出了這些節(jié)點(diǎn)， 但生成的 節(jié)點(diǎn)標(biāo)識為默認(rèn)值 0，這是不合理的，它應(yīng)當(dāng)和矢量河網(wǎng)的上下節(jié)點(diǎn)標(biāo)識信息保持一致性， 即滿足對應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系。 因此本文在他們工作的基礎(chǔ)上分析了生成的 河網(wǎng)徑流節(jié)點(diǎn)標(biāo)識的特點(diǎn)， 在此基礎(chǔ)上將其提取出來并進(jìn)行標(biāo)識， 以便于流域水 文地貌分析。1 基于 ArcGis 的河網(wǎng)生成利用 ArcGis 水文分析模塊生成河網(wǎng)主要有以下幾個步驟： DEM 洼地填平、 水流方向矩陣生成、 水流累計矩陣生成、 設(shè)定集水面積閾值形成河網(wǎng)矩陣、 河網(wǎng) 節(jié)點(diǎn)鏈接信息矩陣、河網(wǎng)分級矩陣、矢量河網(wǎng)。流程圖如圖 1 所示，詳細(xì)過程可參考文獻(xiàn) 9 。國晶斷 河牆接河敲級河胡葛t匯盍壇積量填洼后的洛矩陣信

4、陣原始DEIan圖1基于ArcGis水文分析模塊的矢量河網(wǎng)提取Fig.1 Extraction of vector river system based on hydrological analysis module in ARCGIS2基于河網(wǎng)數(shù)據(jù)的幾何網(wǎng)絡(luò)生成在ArcCatalog中，找到生成的河網(wǎng)矢量圖，通過網(wǎng)絡(luò)分析工具和空間連接工 具可以生成河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。流程圖如土 2所示，具體過程可參考文獻(xiàn)8。圖2基于ArcGis網(wǎng)絡(luò)分析模塊河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)生成示意圖Fig.2 Generate the river network node based on network analysis module

5、in ARCGIS3河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識提取在生成的矢量河網(wǎng)數(shù)據(jù)當(dāng)中有兩個字段分別是 FROM_NODE和TO_NODE，即該河段連接的上下河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)關(guān)系型數(shù)據(jù)原理 101112,我們認(rèn)為在生成河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)屬性表當(dāng)中應(yīng)當(dāng)存在一個字段是存儲和它對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識的。通過檢查發(fā) 現(xiàn)在生成的河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，確實(shí)存在一個這樣的字段，字段名為ID，但它的 數(shù)值全為0,這是不合理的。即通過軟件自身并沒有生成對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識。本文 通過分析生成的河網(wǎng)及其上下節(jié)點(diǎn)標(biāo)識特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，進(jìn)而通過計算機(jī)程序 的形式來幫組我們生成該標(biāo)識。這也是本文研究的重點(diǎn)，通過分析我們發(fā)現(xiàn)其特 點(diǎn)如下:1) 對于河源處的節(jié)點(diǎn)，由于它只能和一

6、條河段發(fā)生空間關(guān)系，因此河源節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識就是它所關(guān)聯(lián)的河段的上節(jié)點(diǎn)值 (FROM_NODE)，2) 對于河段相交形成的匯流節(jié)點(diǎn)，由于它可以和多個河段進(jìn)行關(guān)聯(lián)，情況 相對比較復(fù)雜。 為了避免這種復(fù)雜性， 我們在選擇空間關(guān)聯(lián)的時候是選擇了一對 一的。這樣生成的結(jié)果就保證了一個點(diǎn)只于一個河段關(guān)聯(lián)， 但會有一些節(jié)點(diǎn)的關(guān) 聯(lián)河段是相同的。據(jù)此我們認(rèn)為和同一河段關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)必然有一個對應(yīng)的是河段 的上節(jié)點(diǎn)、 一個對應(yīng)的是河段的下節(jié)點(diǎn)。 那么究竟是怎樣對應(yīng)的呢？通過觀察我 們發(fā)現(xiàn)，這個可以通過河段分級字段來判斷，級數(shù)低的必然對應(yīng)上節(jié)點(diǎn)( FROM_NODE) 、高的必然對應(yīng)下節(jié)點(diǎn) ( TO_NODE ) 。 根

7、據(jù)上述兩個規(guī)則我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)還有問題，即存在標(biāo)識相同的點(diǎn)，即不具有唯一性。 這是明顯不對的， 應(yīng)當(dāng)還有規(guī)則沒有發(fā)現(xiàn)， 據(jù)此我們進(jìn)一步分 析發(fā)現(xiàn)：3) 這些重復(fù)的節(jié)點(diǎn)主要發(fā)生在上一個河段和下一個河段共享同一個節(jié)點(diǎn)，并且上一個河段已經(jīng)和兩個節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)了。即該河段的上下節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)標(biāo)識過了， 此時我們認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)對應(yīng)下一個河段的下節(jié)點(diǎn) ( TO_NODE) ，應(yīng)用上述同樣 的方法，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)對應(yīng)河段級數(shù)高的點(diǎn)應(yīng)對應(yīng) TO_NODE。通過上述三個規(guī)則我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)結(jié)果很好。 同時也正確標(biāo)識出了流 域的出口節(jié)點(diǎn)。需要說明的是這些工作都是建立在按照文獻(xiàn) 8的方法生成的河網(wǎng)基礎(chǔ)上來進(jìn)行的。4 實(shí)例

8、介紹在這里以江西撫河流域內(nèi)的婁家村和南城兩子流域?yàn)槭纠?婁家村子流域可 以看成扇形流域， 南城流域可以看成羽狀流域， 具有一定的代表行。 實(shí)際處理過 程當(dāng)中，為了簡便，我們將生成河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)屬性表和矢量河網(wǎng)屬性表均進(jìn)行導(dǎo)出， 放在同一個 Excel 表格里，通過 Excel 自動排序工具可以簡化程序的判斷流程， 從而提高執(zhí)行效率。 在表格的前四列存放河網(wǎng)信息表， 分別對應(yīng)河段標(biāo)識、 河段 級數(shù)、河段上節(jié)點(diǎn)和河段下節(jié)點(diǎn)， 后三列存放河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息表， 分別對應(yīng)節(jié)點(diǎn)對 應(yīng)的河段、節(jié)點(diǎn)對應(yīng)河段的級數(shù)和要計算的節(jié)點(diǎn)標(biāo)識。通過 Excel 提供的 VBA編程工具和上述提出的三個規(guī)則可以很容易計算出節(jié)點(diǎn)標(biāo)識。

9、結(jié)果如下所示：A： 曠吾i.At沁撐料；A£邑Ifv/為，曲、H0yI4 ?TVa5T64636£7215(E3441445+9T4£G5聊嗣別3?圖3婁家村流域河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)圖圖4南城流域河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)圖Fig.3 Stream network node of Lou Jiacun watershedFig.4 Stream network node of Nan Cheng watershed圖5婁家村流域河段節(jié)點(diǎn)信息表（部分）圖6婁家村流域河段信息表（部分）Fig.5 Stream node info-sheet of Lou Jiacun watershedFig.6

10、 Stream reach info-sheet of Lou Jiacun watershed< II直 ACIDCA1D LUDE 1oMTr” 1AovnlD 1r iitiia |ClfD CADE 1VWK VnDE 1TO xnvE 111114111441 L5樂F£?552j235 1?JsMA4'aTiJ:Hi斗斗336s'£4曲'J1TEJ5L' 1'' 6&1Jq&L1gT1J&2F1a'9?'id6 '_3T1*2lL<&3?fii呂1

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14、16117IE17罷le12IS119It191?oIS20血21ISfl沖2122122ft01抖15J442225£聒233&123271?S36252JO51曲1的Si101號SO31i335S63233153399|1351£5圖8南城流域河段信息表（部分）Fig.6 Stream reach info-sheet of Nan Cheng watershed圖7南城流域河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)信息表（部分）Fig.5 Stream node info-sheet of Nan Cheng watershed另外當(dāng)計算出河網(wǎng)交點(diǎn)的標(biāo)識后，其順河段流向的下一節(jié)點(diǎn)也是很容易計算

15、 出來的，只需查找FROM_NODE列，當(dāng)該列對應(yīng)的值和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)標(biāo)識相同的時 候，它所對應(yīng)的TO_NODE值就是該節(jié)點(diǎn)的順河段流向的下一節(jié)點(diǎn)。圖3和圖4是兩流域分析出的結(jié)果示意圖，其中紅色數(shù)字代表的是河段標(biāo)識,黑色數(shù)字是河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識。圖5、6、7、8是截取的部分信息表，其中節(jié)點(diǎn)信息 表的ID字段就是計算出來的河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識，ARCID字段為節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的河段標(biāo) 識，GRID_CODE為河段的分級數(shù)（采用了 SHREVE法，和文獻(xiàn)8相同），Type為節(jié)點(diǎn)的類型（1代表河源節(jié)點(diǎn)、2代表匯流節(jié)點(diǎn)、3代表流域出口節(jié)點(diǎn)），DownID 為該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的下節(jié)點(diǎn)。河段信息表中的 ARCID、GRID CODE字段

16、的含義與節(jié)點(diǎn)信息表中的部分相同，F(xiàn)ROM_NODE、TO_NODE分別為河段對應(yīng)的上下節(jié) 點(diǎn)標(biāo)識。5結(jié)論通過分析ArcGis軟件中的水文分析模塊Stream to Featured具生成的矢量河網(wǎng)上下節(jié)點(diǎn)標(biāo)識的特點(diǎn)，在由幾何網(wǎng)絡(luò)工具中生成的節(jié)點(diǎn)圖層中將其計算出來。 這不僅完善了地理數(shù)據(jù)一致性，也為后續(xù)的流域水文地貌過程分析提供了保障。參考文獻(xiàn)1 易紅偉 ,湯國安 ,劉詠梅等 .河網(wǎng)徑流節(jié)點(diǎn)及其基于 DEM 的自動提取 J. 水土保持學(xué)報 , 2003,17(3):108-112.(Yi Hong-wei,Tang Guo-an,Liu Yong-mei.Stream runoff and th

17、eir derivation based on DEMJ.Journal of Soil and Water Conservation,2003,17(3):108-112(in chinese)2 Rinaldo A,Marani A,Rigon R.Geomorphological dispersionJ.Water Resources,1991,27(4): 513-5253 芮孝芳地貌瞬時單位線研究進(jìn)展J.水科學(xué)進(jìn)展，1999,10(3):345-350.(Rui Xiao-fang.Some advance in geomorphologic instantaneous unit h

18、ydrograph theoryJ.Advances In Water Science,1991,27(4).(in chinese)4 芮孝芳，石朋.基于地貌擴(kuò)散和水動力擴(kuò)散的流域瞬時單位線研究J.水科學(xué)進(jìn)展，2002,13(4):339-444.(Rui Xiao-fang,Shi Peng.Study on WGIUH means of geomorphologic and hydrodynamic dispersionJ.Advances In Water Science，2002，13(4):339-444.(in chinese) 楊忠平，盧文喜,趙軍海.ARC/INFO在流域水文

19、分析中的應(yīng)用J.世界地質(zhì),2006,25(2): 187-190.(Yang Zhong-ping，Lu Wei-xi，Zhao Jun-hai.Application of ARC/INFO in watershed hydrologic analysesJ.GLOBAL GEOLOGY ,2006,25(2):187-190(in chinese)6 王少平，程聲通,賈海峰等.Gis和情景分析輔助的流域水污染控制規(guī)劃J.環(huán)境科學(xué),2004,25(4):32-37.(Wang Shao-ping,Cheng Sheng-tong,Jia Hai-feng,et al.GIS and scen

20、ario analysis aid to water pollution control planning of riverbasinJ.Environmental Science,2004,25(4):32-37(in chinese)7 孫鵬翔湖昱玲.ArcGIS 9.0在水文分析中的應(yīng)用J.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010,10(1):41-42.(Sun Peng-xiang,Hu Y u-lin.The application of ArcGis 9.0 to hydrological analysisJ.Journal of Anhui Technical College o

21、f Water Resources and Hydroelectric Power, 2010,10(1):41-42(in chinese)8 劉曉,王雷,高佩玲.利用幾何網(wǎng)絡(luò)提取河網(wǎng)徑流節(jié)點(diǎn)的方法研究J.測繪科學(xué)，網(wǎng)絡(luò)出版時間,2010-12-30 15:32:24.(Liu Xiao,Wang Lei,Gao Pei-ling.Extraction of stream runoff nodes based on geometric networkJ.Science of surveying and mapping,Time of publication in net: 2010-12-3

22、0 15:32:24(in chinese)9 湯國安 ,楊昕 .ArcGIS 地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程 M. 北京:科學(xué)出版設(shè) ,2006:10 韓耀軍,王樂鵬,秦天保等 .數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理與應(yīng)用M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社 ,2007:11 聶卉.基于關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的圖形參數(shù)化方法J.中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,12(39):181-184.(Nie Hui.A graphic parameterized method based on relational data structureJ. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2000,12(39):181-184(in chinese) )12 朱思蓉，吳華意.ArcHydro水文數(shù)據(jù)模型J.測繪與空間地理信息，2006,29(5):87-90.(Zhu Si-rong,Wu Hua-yi.Introduction of ESRI ArcHydro data model.Geomatics & S