ArcGIS水文分析實戰(zhàn)教程(7)細說流域提取

本章導(dǎo)讀：流域是水文領(lǐng)域上是頻繁出現(xiàn)的詞匯，貫穿整個水文專業(yè)。由于流域涉及到的空間范圍非常的廣，一般不能通過測量的方式去精確劃定。而且流域這一詞在水利行業(yè)上屬于管理上的詞匯，用作劃分水利單位的職能范圍。而水文學(xué)上的流域就相對來說更傾向于學(xué)術(shù)，其指向在地理學(xué)上稱分水嶺，在空間物理上叫集水區(qū)。在GIS中對于流域的劃分，都是基于DEM數(shù)據(jù)計算，這樣能夠比較精準(相對于人為的劃定區(qū)域)的確定流域范圍，為水文結(jié)果提供合理的論證。本章會從一些實際的問題出發(fā)去說明流域提取要注意的一些問題。BY 李遠祥

流域提取

流域提取，或者叫集水區(qū)提取，是根據(jù)河流、流向和出水口共同確定其空間范圍。從水文學(xué)和地理學(xué)上，其區(qū)域必須是與河流有對應(yīng)關(guān)系。所以，在流域提取之前，必須指定河流。河流數(shù)據(jù)可以從DEM數(shù)據(jù)提取，也可以從已有的矢量河流中轉(zhuǎn)化過來。

如果河流數(shù)據(jù)是從DEM中提取的，那么對河流的劃定就一定要仔細，必須要對流量柵格進行正確的估算，以確保河流的尺度，這樣通過符合研究口徑的河流才能正確的提取出所對應(yīng)的流域。流量計算和河流提取，可以分別參考《ArcGIS水文分析實戰(zhàn)教程(5)細說流向與流量》和《ArcGIS水文分析實戰(zhàn)教程(6)河流提取與河網(wǎng)分級》的內(nèi)容。

上述的這種情況一般都是比較理想的。所謂的理想，就是河流和流域數(shù)據(jù)都是出自于同一份DEM，原則上重合得比較好。但如果研究的對象是已經(jīng)劃定的矢量河流，從矢量河流轉(zhuǎn)換成柵格河流去參與計算，兩份數(shù)據(jù)之間會存在差距，往往會導(dǎo)致結(jié)果偏差很大。

如果是研究小流域，這些小流域一般都是一些不顯眼的小河流，甚至很少能在地圖上查找出來，那么通過DEM方式直接提取流域，能很好的解決問題。

提取的辦法很簡單，ArcGIS提供了【分水嶺】工具用作劃定流域。其幫助說明對于GIS人員和水文人員都非常難理解，甚至很多人都沒法搞懂其中的參數(shù)。下圖是該工具的界面：

【流向柵格數(shù)據(jù)】比較好理解，但下面的【輸入柵格數(shù)據(jù)或要素傾瀉點數(shù)據(jù)】就有點讓人摸不著頭腦。

要素傾瀉點數(shù)據(jù)一般就是出水口，在上一章中筆者已經(jīng)討論過可以通過河流分級之后提取了和流線，并利用【要素折點轉(zhuǎn)點】工具來提取其終點作為出水口。但如果這種方式提取的出水口必須要使用【捕捉傾瀉點】工具來重新校正。

而現(xiàn)實中大多數(shù)水文研究者對于這個參數(shù)，使用的就是其水文站點數(shù)據(jù)，因為他們研究的對象一般都是針對水文站的數(shù)據(jù)確定其上游流域，以尋找上游流域與水文站數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。這種模式同樣是需要通過【捕捉傾瀉點】工具來校正。因為數(shù)據(jù)不是來自于DEM本身，需要現(xiàn)在DEM中找到最近的流量值最大的點才作為計算用的傾瀉點。

捕捉傾瀉點

正是其他參與計算的數(shù)據(jù)，不管是河流還是傾瀉點(出水口、水文站) ，也不管是柵格還是矢量的，只要他們不是從同一份DEM中分析出來的，都需要跟DEM進行校正，這個校正的過程就是【捕捉傾瀉點】。其目的是要找到這個點附近的區(qū)域流量柵格中的最大值，確保這個流量值是由上游區(qū)域貢獻的流量。否則，實際輸出的傾瀉點數(shù)據(jù)有可能與之疊加的流量柵格不是該區(qū)域的最大值，導(dǎo)致出現(xiàn)非常細小的流域面。

來看【捕捉傾瀉點】工具的一些參數(shù)設(shè)置，如下圖

第一個參數(shù)【輸入柵格數(shù)據(jù)或者傾瀉點數(shù)據(jù)】，這里可以是傾瀉點的柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。如果是矢量數(shù)據(jù)，工具會自動轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)之后進行計算。站位水文分析角度來說，這個數(shù)據(jù)一般就是水文站位置、研究的斷面位置。

【蓄積柵格數(shù)據(jù)】指的就是流量統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。

【捕捉距離】是個可選參數(shù)，但這個參數(shù)一定要注意，默認值為0，意思是找到附近最大的流量的柵格作為該點對應(yīng)的出水口位置。但如果輸入的點剛好在多條河流的附近，就有可能捕捉到其他河流對應(yīng)的流量柵格。 所以，必須對自身參與計算的數(shù)據(jù)進行摸底，特別是多個傾瀉點距離較近的時候，必須設(shè)置合理的搜索距離。

只要數(shù)據(jù)沒有原則上的錯誤，捕捉到的結(jié)果必定在原來傾瀉點的附近，如下圖，捕捉到的像元點都在傾瀉點的邊上，是一個柵格數(shù)據(jù)。

分水嶺

【分水嶺】工具的使用前面介紹過，有了上一步的捕捉到的傾瀉點數(shù)據(jù)，【分水嶺】工具就非常容易使用了。

先來看第一種情況，傾瀉點是外部數(shù)據(jù)，與原始DEM數(shù)據(jù)沒有關(guān)系的情況。利用捕捉傾瀉點工具先生成新的傾瀉點數(shù)據(jù)，然后才利用分水嶺工具進行分析。

結(jié)果如下圖，流域范圍被提取出來。

只要再使用【數(shù)據(jù)管理】工具箱里面的【柵格轉(zhuǎn)面】就可以將該流域的矢量面提取出來。

這種應(yīng)用場景一般是水文分析人員為了研究該斷面數(shù)據(jù)與上游流域的關(guān)系，也就是說通過檢測該斷面的水文數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)上游流域的一些變化，反之亦然。而實際上流域提取大多數(shù)都是因為這個原因而做的。

如果這種情況沒有做【捕捉傾瀉點】，則會出現(xiàn)什么情況？由于提供的出水口位置與DEM數(shù)據(jù)的誤差，這個點有可能偏在一些非常小的河流的流量最大值上。假如斯特拉勒分級方法的話，那這個點就有可能落在1級河流的出水口位置。如下圖，之所以出現(xiàn)很多非常小的面，原因就在于此。

如果不懂原理，那么永遠都不可能知道這里出錯的原因。這也就是筆者為什么要花大量的篇幅來說明D8算法和流量統(tǒng)計等原理。

另一種情況是比較理想的情況，沒有采集回來的傾瀉點數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)都從DEM數(shù)據(jù)中提取。

這種情況的研究對象就不是上游流域了，而是整個河流的流域。一般來說大江大河不會用這種方式去做研究，畢竟國家大江大河的監(jiān)控是非常專注的，按照目前的情況，大江大河很難出現(xiàn)特大洪澇災(zāi)害。洪澇災(zāi)害一般多發(fā)在中小河流。而對中小河流的流域進行提取，有助于分析其集水區(qū)對河流的影響。所以，利用DEM來提取流域(非指定外部傾瀉點)，一般用作小流域的提取。

其做法還是要回到【分水嶺】工具中。【分水嶺】工具的第一個參數(shù)，在第一種情況中我們已經(jīng)使用了捕捉傾瀉點后的柵格數(shù)據(jù)。使用柵格數(shù)據(jù)作為輸入，除了可以是傾瀉點，還可以是執(zhí)行過河流鏈接的柵格數(shù)據(jù)。詳細做法可以參考《ArcGIS水文分析實戰(zhàn)教程(6)河流提取與河網(wǎng)分級》

只要明白原理，就可以非常清楚了。在水文學(xué)上，河流鏈接之后會生成河流鏈，其中也包括了河源、節(jié)點和出口。雖然ArcGIS工具的河流鏈接數(shù)據(jù)是只是包含了節(jié)點，但由于在鏈接之前已經(jīng)做了河網(wǎng)分級，所以會帶有其出口信息(也就是說這個工具自動識別了傾斜點數(shù)據(jù))。其設(shè)置如下

最終生成的結(jié)果與河流的數(shù)量是一致，如下圖所示

同樣，如果需要轉(zhuǎn)為矢量面數(shù)據(jù)，還需要使用【柵格轉(zhuǎn)面】工具進行轉(zhuǎn)換。如下圖

總結(jié)

流域提取是一門學(xué)問，并不是GIS課堂上所說的只是通過DEM提取出對應(yīng)的流域面就完事。流域作為水文學(xué)上基礎(chǔ)的研究對象，其意義在于水文的相關(guān)性，流域面作為空間范圍，可以圈定該空間位置的一切地理要素，時空要素與水系之間的關(guān)系。所以，必須要了解其使用的場景和實際的作用，才可以提取出這些基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。

如果讀者對水文分析感興趣的話，可以持續(xù)關(guān)注CSDN的GIS制圖樂園，以及微信公眾號【GIS制圖樂園】。BY 李遠祥

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的gis怎么提取水系_ArcGIS水文分析实战教程（7）细说流域提取的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。