實(shí)驗(yàn)16地表水文分析

1、實(shí)驗(yàn)16 地表水文分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解單流向水文模型中的基本概念和建立地表徑流模型的基本方法；2 熟悉水文學(xué)上出水口，河網(wǎng)，集水流域，徑流強(qiáng)度指數(shù)，地形濕度指數(shù)等基本概念；3 掌握利用ArcGIS中的水文分析工具來(lái)提取流域和地表徑流特征；注意區(qū)別柵格和矢量?jī)煞N特征表達(dá)的方法；徑流強(qiáng)度指數(shù)和地形濕度指數(shù)的計(jì)算方法。二、 實(shí)驗(yàn)背景地表水文分析應(yīng)用于與地表水流有關(guān)的諸多領(lǐng)域，對(duì)地球表面形狀的理解也具有十分重要的意義。利用ArcGIS的水文分析工具，建立地表水的運(yùn)動(dòng)模型，輔助分析地表水流從哪里產(chǎn)生以及要流向何處，再現(xiàn)水流的流動(dòng)過(guò)程，有助于了解排水系統(tǒng)和地表水流過(guò)程的一些基本的概念和關(guān)鍵的過(guò)程。(

2、1) 無(wú)洼地DEM由于數(shù)據(jù)噪音、內(nèi)插方法的影響，DEM數(shù)據(jù)中常常包含一些“洼地”（被較高高程區(qū)域圍繞的低地）。有些洼地是在DEM生成過(guò)程中帶來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，有些則表示真實(shí)的地形如采石場(chǎng)或巖洞等。“洼地”將導(dǎo)致流域水流不暢，不能形成完整的流域網(wǎng)絡(luò)，因此在利用模擬法進(jìn)行流域地形分析時(shí)，要首先對(duì)DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行處理。去除洼地最常用的方法是對(duì)DEM做平滑處理，然后再填充。其方法是利用一個(gè)小窗口在整個(gè)DEM上進(jìn)行遍歷。首先判斷窗口中心點(diǎn)是否比四周點(diǎn)的高程都低，如果低，即認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)是洼地點(diǎn)。若是洼地點(diǎn)，澤將洼地點(diǎn)的高程值改為它4個(gè)方向中高程最小的值。則將洼地點(diǎn)的高程值改為它4個(gè)方向中高程最小的值。(2

3、) 單流向模型水流方向的計(jì)算是水文分析的關(guān)鍵步驟，用它來(lái)進(jìn)一步確定匯水面積，水流長(zhǎng)度，匯水流域等重要的水文參數(shù)。水流方向編碼如圖16-1所示。水流的流向是通過(guò)計(jì)算中心柵格與鄰域柵格的最大距離權(quán)落差來(lái)確定的。距離權(quán)落差是指中心柵格與鄰域柵格的高程差除以兩柵格間的距離，柵格間的距離與方向有關(guān)，如果鄰域柵格對(duì)中心柵格的方向值為2、8、32、128，則柵格間的距離約為1.414，否則距離為1。如果高程差為正值，則為流出。為負(fù)值則為流入。(3) 匯流積累量在地表徑流模擬過(guò)程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)的。對(duì)每一個(gè)柵格來(lái)說(shuō)，其匯流累積量的大小代表著其上游有多少個(gè)柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過(guò)該柵格

4、，匯流累積的數(shù)值越大，該區(qū)域越易形成地表徑流。由水流方向數(shù)據(jù)到匯流累積量計(jì)算的過(guò)程如圖16-1所示。匯水面積為匯流積累量乘以每個(gè)像元的面積。圖16-1 流水累積量的計(jì)算(4) 河網(wǎng)基于地表徑流漫流模型，當(dāng)匯流累積量達(dá)到一定值的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生地表水流，那么所有那些匯流量大于那個(gè)臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。(5) 出水口確定小級(jí)別的流域的出水口的位置（匯流點(diǎn)）是進(jìn)行流域分割的前提。結(jié)合數(shù)字高程模型和高分辨率的航空像片來(lái)目視確定小級(jí)別的流域出水口的位置；接下來(lái)，利用ArcToolbox中spatial analysis toolshydrologysnap

5、pour point捕捉節(jié)點(diǎn)工具使出水口的位置符合DEM模型。snap pour point的思想是利用一個(gè)記錄著point點(diǎn)柵格數(shù)據(jù)，在這個(gè)數(shù)據(jù)層中，那些屬性值存在的點(diǎn)作為潛在的出水點(diǎn)，在該點(diǎn)位置上在指定距離內(nèi)在匯流累積量的數(shù)據(jù)層上搜索那些具有較高匯流累積量柵格點(diǎn)的位置，這些搜索到的柵格點(diǎn)就是小級(jí)別的流域的出水點(diǎn)。(6) 集水流域集水流域（集水區(qū)域；流域盆地）是地表水與地下水分水線所包圍的集水區(qū)或匯水區(qū)，習(xí)慣上以地表水的分水線來(lái)確定，可以根據(jù)地形圖勾勒出流域的分水線。(7) 徑流強(qiáng)度指數(shù)徑流強(qiáng)度指數(shù)（Stream Power Index，SPI）用來(lái)測(cè)量水流侵蝕能力，可以被定義：其中：As是

6、匯水面積；是坡度。小提示：函數(shù)tan要求坡度的單位是弧度，所以需要將提供的坡度單位（度數(shù)，degree）轉(zhuǎn)為弧度（radians），具體方法是:radians = degrees * / 180(8) 地形濕度指數(shù)地形濕度指數(shù)(topographic wetness index)可定量模擬流域內(nèi)土壤水分的干濕狀況,在流域的土壤及分布式水文模型等研究中具有重要的意義。地形濕度指數(shù)可以被定義為：其中：As是匯水面積；是坡度。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 基于單水流模型，利用DEM數(shù)據(jù)生成流域的基本結(jié)構(gòu)：河網(wǎng)，出水口，集水流域，集水盆地。2 利用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算徑流強(qiáng)度指數(shù)和地形濕度指數(shù)的方法。3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)路

7、徑：E16路徑文件名稱格式說(shuō)明mn_ws_clipgrid30米分辨率的數(shù)字高程模型，位于美國(guó)明尼蘇達(dá)河流域orthoimageimage研究區(qū)1米分辨率的正射航空像片，用于輔助目視解譯4 實(shí)驗(yàn)步驟1 空間分析環(huán)境的設(shè)置分別在ArcMap和ArcCatalog的主菜單上點(diǎn)擊ToolsExtensions,打開(kāi)Extensions對(duì)話框中，點(diǎn)擊選中Spatial Analysis，3D Analyst和Network Analysis前的復(fù)選框，添加拓展模塊。本次實(shí)驗(yàn)中用到的所有水文分析工具均在ArcToolBoxSpatial Analyst ToolsHydrology工具箱中，如圖16-2

8、所示。圖16-22 洼地填平(1) 在ArcMap中，添加DEM圖層。(2) 打開(kāi)ArcToolbox，在ArcToolbox列表框中點(diǎn)擊Spatial Analysis Tools Hydrology，雙擊Fill工具，打開(kāi)Fill操作的對(duì)話框。(3) 從列表中選擇要進(jìn)行填充的DEM圖層，確定輸出文件的名稱及路徑，如圖16-3所示，點(diǎn)擊【OK】按鈕。圖16-3(4) 填平結(jié)果會(huì)自動(dòng)加載到ArcMap中顯示，如圖16-4所示。圖16-4小提示：在ArcGIS中，只有被填充后無(wú)洼地的DEM才可進(jìn)行水流方向的計(jì)算。3 水流方向的計(jì)算(1) 打開(kāi)Arctoolbox，在Arctoolbox列表框中點(diǎn)

9、擊Spatial Analysis ToolHydrology，雙擊Flow Direction，打開(kāi)Flow Direction操作的對(duì)話框。(2) 在Input surface raster下拉列表框中選擇經(jīng)過(guò)填充的DEM圖層，在Output flow direction raster文本框中確定輸出文件的名稱及路徑，點(diǎn)擊【OK】按鈕。圖16-5(3) 計(jì)算結(jié)果會(huì)自動(dòng)加載到ArcMap中顯示，如圖16-6所示。圖 16-64 匯流累積量的計(jì)算(1) 打開(kāi)Arctoolbox，在Arctoolbox列表框中點(diǎn)擊Spatial Analysis ToolHydrology，雙擊Flow Acc

10、umulation，打開(kāi)Flow Accumulation操作的對(duì)話框。(2) 在Input flow direction raster下拉列表框中選擇水流方向圖層，確定輸出文件的名稱及路徑，并將輸出數(shù)據(jù)類型選為整型（Integer），如圖16-7所示，點(diǎn)擊【OK】按鈕。圖 16-7(3) 計(jì)算結(jié)果會(huì)自動(dòng)加載到ArcMap中顯示，如圖16-8所示。圖 16-85 河網(wǎng)的生成(1) 打開(kāi)Arctoolbox，在列表框中點(diǎn)擊Spatial Analysis ToolsConditional，雙擊Con，打開(kāi)Con操作的對(duì)話框。(2) 在Input conditional raster下拉列表框中選

11、擇匯流累積量的圖層，在Input true raster or constant value（經(jīng)條件判斷后的真值）文本框中輸入1，確定輸出文件的名稱及路徑。(3) 點(diǎn)擊Expession右側(cè)的表達(dá)式編輯按鈕，打開(kāi)Query Builder對(duì)話框，編輯空間查詢語(yǔ)句，如圖16-9所示，點(diǎn)擊【OK】按鈕。圖 16-9 (4) 參數(shù)設(shè)置完成后Con操作的對(duì)話框如圖16-10所示，點(diǎn)擊【OK】按鈕。圖 16-10(5) 生成的河網(wǎng)會(huì)自動(dòng)加載到ArcMap中顯示，如圖16-11所示。圖 16-12圖 16-11小提示：1. 仔細(xì)檢查結(jié)果，會(huì)發(fā)現(xiàn)生成的河網(wǎng)數(shù)據(jù)有些時(shí)候會(huì)存在一些不完美的地方，如圖16-12

12、所示。2. 在Con操作中，當(dāng)柵格數(shù)據(jù)是雙精度（double）型時(shí)，空間查詢語(yǔ)句（SQL ：Spatial Query Language）的編輯功能無(wú)法使用，在這種情況下用戶可手動(dòng)地在文本框中輸入空間查詢語(yǔ)句。3. 使用Spatial Analysis Tools HydrologyStream to Feature工具，可以將生成的柵格河網(wǎng)轉(zhuǎn)換為矢量河網(wǎng)。也可以在ArcMap中，利用Spatial Analysis或3D Ananlysis工具條里的CovertRaster to Feature功能選項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。4. 使用Spatial Analysis Tools HydrologyStre

13、am Link和Stream Order工具，分別生成河段數(shù)據(jù)和河段的等級(jí)體系。6 出水口的確定(1) 在ArcCatalog中，新建一個(gè)點(diǎn)狀要素圖層（shapefile格式，命名為outlets）。(2) 在ArcMap中，加載點(diǎn)狀數(shù)據(jù)圖層，并加載DEM及正射影像圖作為確定出水口的參考底圖。(3) 編輯outlets圖層，數(shù)字化“outlets”，結(jié)果如圖16-20所示。(4) 保存編輯成果，退出編輯。(5) 打開(kāi)“outlets”圖層的屬性表，在屬性表的右下方點(diǎn)擊【Options】按鈕，在彈出的快捷菜單中點(diǎn)擊Add Field選項(xiàng)，增加一個(gè)新字段（字段名ID，字段類型為整型），該字段在生成

14、集水區(qū)域時(shí)將作為必要的輸入?yún)?shù)。(6) 重新設(shè)置“outlets”圖層的編輯狀態(tài)為可編輯。圖 16-20(7) 編輯其ID字段的屬性，如圖16-21所示。(8) 退出編輯，保存編輯成果。圖 16-21(9) 在ArcToolbox中，在ArcToolbox列表框中點(diǎn)擊Spatial Analysis ToolsHydrology，雙擊Snap to the points，打開(kāi)Snap to the points（捕捉匯流點(diǎn)）對(duì)話框，設(shè)置參數(shù)，如圖16-22所示，點(diǎn)擊【OK】按鈕，完成匯水累計(jì)量對(duì)出水口的位置的校正。圖16-22小提示：出水口的位置應(yīng)該用基于DEM生成的匯水累計(jì)量進(jìn)行校正，即讓地

15、理模型和水文模型的邏輯上進(jìn)行統(tǒng)一，這樣才能利用出水口數(shù)據(jù)來(lái)正確地生成集水流域。7 流域的分割(1) 打開(kāi)Arctoolbox，點(diǎn)擊列表框中Spatial Analysis ToolHydrology，雙擊Watershed，打開(kāi)Watershed操作的對(duì)話框。(2) 從Input Flow Direction的列表中選擇水流方向圖層，在Input raster or Feature pour Point data列表框中選擇匯水區(qū)域出口圖層，確定輸出文件的名稱及路徑，如圖16-30所示，點(diǎn)擊【OK】按鈕。圖 16-30(3) 利用河段的拓?fù)湫畔ⅲɑ蛘呤謩?dòng)確定的出水口位置信息）生成流域的結(jié)果會(huì)自

16、動(dòng)加載到ArcMap中顯示，如圖16-31所示。圖 16-168 流域盆地的生成(1) 打開(kāi)Arctoolbox，在Arctoolbox列表框中點(diǎn)擊Spatial Analysis ToolHydrology，雙擊Basin，打開(kāi)Basin操作的對(duì)話框。(2) 在Input Flow Direction下拉列表框中選擇水流方向圖層，在Output raster下拉列表框中確定輸出文件的名稱及路徑，如圖16-17所示，點(diǎn)擊【OK】按鈕。圖16-17(3) 生成的流域結(jié)果會(huì)自動(dòng)加載到ArcMap中顯示，如圖16-18所示。圖 16-189 計(jì)算徑流強(qiáng)度指數(shù)(1) 在ArcMap中，新建地圖文檔，加

17、載坡度，匯水累積量圖層。(2) 在Spatial Analyst工具條上點(diǎn)擊Spatial Analyst Raster Calculator，確定計(jì)算公式，如圖16-32所示。圖16-32(3) 點(diǎn)擊【Evaluate】按鈕，計(jì)算結(jié)果（徑流強(qiáng)度指數(shù)SPI）如圖16-33所示。圖16-3310 計(jì)算地形濕度指數(shù)（1） 在ArcMap中，加載坡度，匯水累計(jì)量圖層。（2） 在Spatial Analyst工具條上點(diǎn)擊Spatial Analyst Raster Calculator，輸入計(jì)算公式，如圖16-34所示。圖 16-34（3） 點(diǎn)擊【Evaluate】按鈕，計(jì)算結(jié)果（地形濕度指數(shù)TWI）

18、如圖16-35所示。圖16-35四、 拓展練習(xí)11 請(qǐng)將研究區(qū)流域面積最大的流域提取出來(lái)，并疊加河網(wǎng)矢量圖進(jìn)行“*流域河網(wǎng)分布圖”制圖，并以圖片格式（jpg或者bmp）提交實(shí)驗(yàn)成果。2 利用實(shí)驗(yàn)1中的北京90米分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，切割出石景山區(qū)的地形數(shù)據(jù)，通過(guò)水文分析，提取河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并制圖，以圖片格式（jpg或者bmp）提交實(shí)驗(yàn)成果。五、 拓展練習(xí)2出水口的位置可以人工確定，也可以從生成的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)中提取河網(wǎng)中河段與河段的交點(diǎn)，也就是利用河網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系來(lái)確定。河網(wǎng)可視為樹（如圖16-17所示），樹的端點(diǎn)是匯流點(diǎn)。樹的枝干就是溪流的通道。兩個(gè)溪流通道的交點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）就視為出水口。溪流通道的部分連接了兩個(gè)連續(xù)的交點(diǎn)，或交點(diǎn)和匯流點(diǎn)有著內(nèi)在的連接。圖16-17具體步驟如下：(1) 在ArcMap中，添加拓?fù)涔ぞ邨l（Topology），添加編輯工具條（Editor），并設(shè)置河網(wǎng)文件（shapefile格式）為可編輯狀態(tài)（注意拓?fù)涔ぞ邨l的變化）。(2) 選中全部線狀要素（注意拓?fù)涔ぞ邨l的變化）；(3) 在拓?fù)涔ぞ邨l上點(diǎn)擊按鈕，打開(kāi)Planarize Lines對(duì)話框（在交點(diǎn)處打斷線工具），如圖16-23所示，點(diǎn)擊【OK】按鈕，并保存結(jié)果。圖16