一、实验目的和要求
- 了解水文分析的基本原理
- 熟悉ArcGIS 软件水文分析的各种方法
二、实验内容和步骤
4.1 汇水网络提取
水系的提取是DEM应用中一个非常重要的内容。ArcGIS中，基于DEM的汇水网络提取主要是基于地表径流漫流模型，其步骤主要是洼地填充，水流方向计算， 水流汇流累积量计算，设定汇水网络起点。以汇水网络起点的汇流累积量为1000为例，汇水网络提取步骤如下
4.1.1 洼地填充
在ArcGIS中洼地填充工具位置为：【空间分析工具】-【水文分析】-【填洼】。下图为参数设置，Z限制是高差阈值，默认为填充所有洼地。如果设置Z为10，则填充高差大于10的洼地不会被填充。但是参考网络资料，认为直接选择10有些草率，因此选择事先计算一下高度。步骤如下：
1. 水流方向提取
【工具】：Spatial Analyst>水文分析>流向
【输入】：表面栅格数据DEM
【输出】：流向栅格数据
2. 洼地提取
【工具】：Spatial Analyst>水文分析>汇
【输入】：流向栅格数据
【输出】：洼地数据
3. 洼地深度计算
【工具】：
（1）Spatial Analyst>水文分析>分水岭
（2）Spatial Analyst>区域分析>分区统计
（3）Spatial Analyst>区域分析>区域填充
（4）Spatial Analyst>地图代数>栅格计算器
（1）计算洼地贡献区域
【输入】：流向栅格数据、洼地
【输出】：洼地贡献区域
（2）计算洼地贡献区域的最低高程
（3）计算洼地贡献区域出口的最低高程（洼地出水口高程）
（4）计算洼地深度
4. 洼地填充
【工具】：Spatial Analyst>水文分析>填洼（z限制：洼地深度+1）
【输入】：DEM
【输出】：无洼地DEM
4.1.2 计算水流方向
D8算法是假定雨水降落在地形中某一个格子上，改格子的水流将会流向周围8个格子地形最低的格子中。如果多个像元格子的最大下降方向都相同，则会扩大相邻像元范围，直到找到最陡下降方向为止。如图所示
其流向则用2的n次方表示，从0开始，按照逆时针分别为递增，其方位编码如下图所示
在ArcGIS中水流方向计算工具位置为：【空间分析工具】-【水文分析】-【流向】。
【输入】：无洼地DEM
【输出】：无洼地水流流向数据
4.1.3 计算汇流累积量
这里的流量指的是有多少个格子的水流汇流到某一点上，是一个空间范围概念。ArcGIS的流量统计是需要流向栅格进行参考的，其统计原理如下图。
从原理上可以看出，如果将流量上栅格上的某一点作为出水口，那么，所有流向该点的像元的集合便构成了一个最小的集水区域。所以，如果要针对分析区域进行小流域的划分，那么前提条件便是要得到流向和流量栅格，并且要根据栅格像元的大小计算最小的积水区域。
在ArcGIS中流量计算工具位置为：【空间分析工具】-【水文分析】-【流量】。
【输入】：无洼地DEM流向数据
【输出】：流量
用重分类的方法，设定汇水网络栅格。将流量数据分为两类，0-1000设为nodata值，大于1000设为1。
4.1.4 汇水网络分级
在ArcGIS中汇水网络分级工具位置为：【空间分析工具】-【水文分析】-【河网分级】。ArcGIS的这个工具基本上可以跟水文学能够完全对接。但它只支持水文学上最常用的两种分级模式–斯特拉勒（STRAHLER）和施里夫（SHREVE）分级方法。
斯特拉勒（STRAHLER）分级法，没有支流汇入的水系定义为1级别，两个相同级别的水系汇入某一河流时，河流等级增加1级；如果等级不同，则以最大等级的河流相同。依次分级完成所有定义。
施里夫（SHREVE）分级法有点类似累计分级，将没有支流的水系定义为1级，多个支流汇入，将其级别相加作为汇入河流的级别。如此类推直到分级完成。
4.1.5 建立汇水网络连接
在ArcGIS中建立汇水网络连接工具位置为：【空间分析工具】-【水文分析】-【河流链接】。分别输入流量累积量重分类结果和流向数据。
根据河网栅格数据提取连接点
【输入】：重分类后的河流栅格数据、河流流向数据
【输出】：河流连接栅格数据（弧段和结点）
矢量化汇流网络
【输入】：streamlink栅格数据、河流流向数据
【输出】：streamlink矢量数据
4.2 流域分割
流域是雨水分散汇合与集中排出的区域，是由确定的分水岭所围成的有机自然地理单元。在ArcGIS 中，基于DEM的流域分割主要有两种方法，一种是Basin工具， 另一种是Watershed工具。
4.2.1 基于Basin工具流域分割
在ArcGIS10.7中Basin工具位置为：【空间分析工具】-【水文分析】-【盆域分析】
将栅格数据转为矢量数据
4.2.2 基于Watershed工具流域分析
在ArcGIS10.7中Watershed工具位置为：【空间分析工具】-【水文分析】-【集水区】
将栅格数据转为矢量面数据
4.3 坡长提取
坡长是指在地面上一点沿水流方向逆流而上，到其水流起点间的最大地面距离在水平面上的投影长度。【坡长重要性】影响水流的速度，影响地面土壤侵蚀的速度
【水流的速度】一方面取决于坡陡不陡，另一方面看坡长与不长：坡很长–>一个物体就不断加速，动量很足
【坡长分析】分为上坡长、下坡长
某一点的【上坡长】：该点沿流向的反方向至流域边界的最大距离
这一点一直上溯到水流的起始点，这段长度称之为上坡长
某一点的【下坡长】：沿水流方向到达流域出口点的距离
【步骤】DEM->洼地填充->流向提取->提取坡长
计算下坡长(测量方向选择DOWNSREAM)
计算上坡长(测量方向选择UPSREAM)
三、实验结论
在上述几个水文分析的内容和步骤中发现，不同的计算方法会得到差别较大的不同结果。经过查找资料可以了解不同工具中不同计算方法的差异。
1. 在河网分级中，两种分级方法的区别在于：
- STRAHLER 分级是指河源出发的河流为一级河流，同级的两条河流交汇形成的河流的级别比原来增加一级，不同级的两条河流交汇形成的河流的级别等于两者中较高者。如下左图。
- Shreve 分级考虑网络中的所有连接线。所有外连接线都被分为 1 级，但对于内连接线，级别是由上一级增加的。如下右图 。
2. 在流域分割中，两种分割工具的区别在于：
-
流域盆地是汇水区域，可用利用水流方向确定所有相互连接并处于同一流域盆地的栅格区域。如下图中的流域边界。
-
集水区工具实际上是计算分水岭，如下图中的自然子流域。
3. 在坡长提取中，两种水流长度的测量方法的区别在于：
- DOWNSREAM计算水流路径从每个像元到栅格边上的汇点或出水口的下坡距离
- UPSREAM计算水流路径从每个像元到分水岭顶部的最长上坡距离。
4. 在坡长提取中，上坡长和下坡长的区别在于：
上坡长
【上坡长的DN值的意义】
DN=0：即山脊，分水的地方
DN=14：到源头有14个距离（单位可能是栅格个数，可能是m等）
DN的意义：一个水滴在源头开始流动，到我这里要多少个距离
【应用】
可以根据上坡长提取山脊线，而山谷线怎么提取呢？
提取山谷线：上坡长可以提取山脊线->将DEM进行一个取反：取一个最大值MAX，将sub=MAX-DEM->在sub中提取山谷线，即是山谷线
下坡长
【下坡长的DN值的意义】DN值越大，表示与出口越远
【应用】
帮助预测洪峰的到来时间
相对于上坡长，下坡长的变化较为平缓，通过某一点的下坡长可以判断其水流到达河流交汇点的时间，以帮助预测洪峰的到来时间
模拟在上游的水流下，流到出水口，计算每单位时间流下的水量->可以得到降水量表
实验五 地形特征要素提取
一、实验目的和要求
- 了解地形特征要素的分类体系及基于DEM 的提取原理
- 熟悉ArcGIS 软件各个地形要素的提取方法及相关空间分析
二、实验内容和步骤
5.1 地形特征点的提取
5.1.1 山顶点
山顶点
在局部区域内海拔高程的极大值点，表现为在各方向上都为凸起
MAX-DEM==0
【工具】：
1、Spatial Analyst>邻域分析>焦点统计
2、Spatial Analyst>地图代数>栅格计算器
3、Spatial Analyst>重分类>重分类
4、转换工具>由栅格转出>栅格转点
【方法】：
1、焦点统计求DEM的最大值
2、利用公式提取山顶点区域
其次，运用栅格计算，将邻域分析结果减去原始DEM，若结果为0，则说明该栅格是分析窗口内的极大值，即山顶点。
然后，对上面的计算结果进行重分类，将栅格值为0的重分类新值为1，即山顶点。其余重分类为Nodata。
由于有平顶山的存在，因此需要先将山顶点提取的栅格结果转为矢量面，再由矢量面转为矢量点，即可获得初始山顶点的矢量数据。
由于邻域分析范围为17*17，对于边界部分，在计算时需要先进行填充，填充值小于被提取出的山顶点，因此在边界处提取出了许多的虚假的山顶点，需要通过手工编辑剔除，得到最终结果。
5.1.2 鞍部点
鞍部点是指在一个方向上为局部最高点，而在另一个方向为局部最低点的地形特征点，好似马鞍，故称为鞍部点。它是在两个相互正交的方向上，一个方向凸起，而另一个方向凹陷的点。其提取思路是：首先提取局部最高的点，将山脊线提取出来；然后提取局部最低的点，将“沟谷线”提取出来；最后求两者的交集即鞍部点。
【工具】：
1、Spatial Analyst>地图代数>栅格计算器
2、Spatial Analyst>水文分析>流向
3、Spatial Analyst>水文分析>流量
4、转换工具>栅格转矢量
5、Spatial Analyst>重分类>重分类
【方法】：
1、提取流域边界，作为局部高程点候选。将实验四中提取的Watershed栅格数据转为矢量线数据后，再将线要素转为栅格
2、将流域边界的栅格数据设为值1，再与原始高程数据相乘，获得流域边界的高程值
3、对流域边界高程进行邻域最小值分析，而后通过栅格计算器求取流域边界的局部最低高程
4、通过栅格计算器，选择0值栅格，作为鞍部点候选点。
5、借助邻域分析和栅格计算器求取正负地形，并且将正地形重分类为1，负地形重分类为0
6、栅格计算，求出既是正地形，又是流域边界局部最低点的栅格数据
7、将上述栅格数据转为矢量面后，再转为矢量点，即可得到初始的鞍部点。
与山顶点一样，需要删除边界上的点，得到最终的鞍部点提取结果。
三、实验结论
在查看网络上的资料时发现，网络上使用的方法是，将山脊线乘以山谷线得到鞍部点区域，似乎和实验指导书上的存在差异。有一点疑惑，于是查了一下如何计算山脊线与山谷线，疑惑遂解。
这是使用表面分析方法求山脊线和山谷线的步骤：
这是使用水文分析方法求山脊线和山谷线的步骤：
看到使用水文分析方法求山脊线和山谷线的步骤时，发现这不就是上面指导书中求鞍部点里面的步骤嘛。果然方法是死的，人是活的，要根据已有数据和目标灵活选择适合的方法。
原文地址：http://www.cnblogs.com/tangjielin/p/16871609.html
