水文分析和地形分析、提取山谷和鞍部点.doc

Arcgis地形分析
DEM提取坡度
(1) 新建地图文档，加载【ArcGIS地形分析--TIN及DEM的生成，TIN的显示】经验教程中得到的DEM数据：huainan
(2) 在【ArcToolbox】中，执行命令[3D Analyst工具]——[栅格表面]——[坡度]， 参照下图所示，指定各参数：

执行后，得到坡度栅格Slope_tingri1：坡度栅格中，栅格单元的值在[0 -60] 度间变化

右键点击图层[Slope_TinGrid]，执行[属性命令]，设置图层[符号系统]，重新调整坡度分级。将类别调整为5，点[分类]按钮，用手动分级法，将中断值调整为：10，2030，40，60。

DEM提取山顶点
1.添加dem数据，制作15m和75m等高线。

2.制作阴影阴影图像【空间分析】----【表面分析】----【地表阴影】，生成地表阴影图像hillsha。

3.提取栅格数据的有效区域。【空间分析】----【地图制图】----【栅格计算器】。

“要提取的文件名”=“huainan54”>=0，（注意：红色等号是1个=，而不是栅格计算器中的2个==）。“back”=“huainan54”>=0，生成back文件。

5.按照等高线75m等高线15m，back，hillsha叠放。

1. 提取dem数据中的最大值。【空间分析工具】----【邻域分析】----【块统计】，生成maxpoint文件

参数设置如下：

Maxpoint
7.提取山顶点。【空间分析】----【地图制图】----【栅格计算器】。
输入命令：sd=（[axpoint]-[淮南54]）==0,生成sd文件。

8.山顶点栅格文件二值化。【空间分析工具】----【重分类】----【重分类】。生成re-sd

9.生成山顶点栅格数据转换为shapefile。【转换工具】----【栅格转换】----【栅格数据转点】，生成山顶点矢量文件。

ArcGIS利用水文分析方法提取山脊、山谷线
提取方法大致可以分为以下五种：1) 基于图像处理技术的原理；2) 基于地形表面几何形态分析的原理；3) 基于地形表面流水物理模拟分析原理；4) 基于地形表面几何形态分析和流水物理模拟分析相结合的原理；5) 平面曲率与坡形组合法。
平面曲率与坡形组合法提取的山脊、山谷的宽度可由选取平面曲率的大小来调节，方法简便，效果好。该方法基本处理过程为：首先利用 DEM数据提取地面的平面曲率及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。实际应用中，由于平面曲率的提取比较繁琐，而坡向变率（SOA）在一定程度上可以很好地表征平面曲率。因此，下面的提取过程以 SOA代替平面曲率。
1. Spatial Analysis 下使用surface 菜单下的Aspect，提取 DEM 坡向aspect-huainan

aspect-huainan
2. 在 Spatial Analysis 下使用 surface 菜单下的 Slope 命令，提取A 层面的坡向变率，记为 SOA1。

SOA1

3. Spatial Analysis 下的map algebra，栅格计算器Calculator，得到与原来地形相反的 DEM 数据层，即反地形 DEM 数据，记为 IN。公式为：IN= IN="最大值"-"huinan_54"

IN
4. 基于反地形 DEM 数据求算坡向值

Aspect-IN
5. 利用 SOA 方法求算反地形的坡向变率，记为 SOA2。

soa2

6. 在Spatial Analysis 下map algebra使用栅格计算器 Calculator，求出没有误差的 DEM 的坡向变率SOA。公式为SOA ＝ （（[SOA1]+[SOA2]）-Abs（[SOA1]-[SOA2]））/ 2。

Soa
7. 在 Spatial Analysis 下使用栅格邻域计算工具 Neighborhood，focal Statistics，输入原始dem数据huainan54，设置 Statistic type 为平均值，生成栅格图像为mean。

Mean
8. 在 Spatial Analysis 下map algebra使用栅格计算器 Calculator，求出正负地形分布区域dvalue。公式为 davlue＝[huainan54]-[mean]。

Dvalue
9. Spatial Analysis下map algebra使用栅格计算器 Calculator，求出山脊线shanjixian。公式为 shanjixian＝（[dvalue]>0） &（SOA > 0）。

10. Spatial Analysis下map algebra使用栅格计算器 Calculator，求出山谷线shanguxian。公式为shanguxian=（[dvalue] ＜0 & SOA > 0）

ArcGIS水文分析
一、背景 相邻两山头之间呈马鞍形的低凹部分称为鞍部，鞍部是两个山脊和两个山谷会合的地方。鞍部点是重要的地形控制点，它和山顶点、山谷点以及山脊线、山谷线等构成的地形特征点线，具有对地形具有很强的控制作用。因此，对这些地形特征点、线的分析研究在数字地形分析中具有很重要的意义。同时，由于鞍部点的特殊地貌形态，使得鞍部点的提取方法较山顶点和山谷的提取更难，目前没有什么有效的方法来提取鞍部点，利用水文分析的方法可以来提取一些鞍部点，但是它还是具有一定局限性。 二、目的 结合水文分析的思想来提取研究区域内的地形鞍部点；开拓思维，拓展水文分析工具的应用，学会利用水文地质分析的思想来解决一些地形、地貌等方面的问题。
三、要求 结合水文地质分析的方法和空间分析的方法提取研究区域的地形鞍部点。
四、操作步骤
（1）DEM数据填洼处理：Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）--Fill（填洼），生成没有洼地的dem，fill-dem

（2）在无洼地的DEM上提取水流方向，Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）--Flow Direction（流向），生成flowdir。

（3）基于水流方向计算汇流累积量数据，Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）--Flow Accumulation（流量），生成flow-acc

（4）提取河流网。Spatial Analysis下map algebra使用栅格计算器 Calculator，输入公式：Con（flow-acc（文件名）＞800,1），输出栅格StreamNet。即河流量大于800为1，其余为0.

（5）Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）--stream to feature(栅格河网转矢量)，提取河流网。

（6）平滑处理河流网。Editor（编辑器）--More editing tools（更多编辑工具）--Advanced editing—smooth。注意：要同时选中矢量要素。

（7）河网分级（Stream Order）河网分级是一种将级别数分配给河流网络中的连接线的方法。此级别是一种根据支流数对河流类型进行识别和分类的方法。仅需知道河流的级别，即可推断出河流的某些特征。河网分级工具有两种可用于分配级别的方法。这两种方法由 Strahler (1957) 和 Shreve (1966) 提出。在这两种方法中，始终将 1 级分配给上游河段。
Strahler 河流分级方法：
在 Strahler 法中，所有没有支流的连接线都被分为 1 级，它们称为第一级别。当级别相同的河流交汇时，河网分级将升高。
因此，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，两条二级连接线相交会创建一条三级连接线，依此类推。但是，级别不同的两条连接线相交不会使级别升高。例如，一条一级连接线和一条二级连接线相交不会创建一条三级连接线，但会保留最高级连接线的级别。
Shreve 河流分级方法：
Shreve 法考虑网络中的所有连接线。与 Strahler 法相同，所有外连接线都被分为 1 级。但对于 Shreve 法中的内连接线，级别是增加的。例如，两条一级连接线相交会创建一条二级连接线，一条一级连接线和一条二级连接线相交会创建一条三级连接线，而一条二级连接线和一条三级连接线相交则会创建一条五级连接线。
因为级别可增加，所以 Shreve 法中的数字有时指的是量级，而不是级别。在 Shreve 法中，连接线的量级是指上游连接线的数量。Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）--stream order

Shreve
Strahler
（8）水流长度（Flow Length）水流长度工具的主要用途是计算给定盆地内最长水流的长度。该度量值常用于计算盆地的聚集时间。这可使用 UPSTREAM 选项来完成。该工具也可通过将权重栅格用作下坡运动的阻抗，来创建假设降雨和径流事件的距离-面积图。Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）-- Flow Length（水流长度）。

（9）分水岭（Watershed）确定栅格中一组像元之上的汇流区域
Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）--Watershed（分水岭）
（10）捉倾泻点（Snap pour point）捕捉倾泻点工具用于确保在使用分水岭工具描绘流域盆地时选择累积流量大的点。捕捉倾泻点将在指定倾泻点周围的捕捉距离范围内搜索累积流量最大的像元，然后将倾泻点移动到该位置。Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）--Snap pour point（捉倾泻点）
（11）盆域
创建描绘所有流域盆地的栅格。
通过识别盆地间的山脊线，在分析窗口中描绘流域盆地。通过分析输入流向栅格数据找出属于同一流域盆地的所有已连接像元组。通过定位窗口边缘的倾泻点（水将从栅格倾泻出的地方）及凹陷点，然后再识别每个倾泻点上的汇流区域，来创建流域盆地。这样就得到流域盆地的栅格。
以下是盆域分析示例：Spatial Analyst（空间分析工具）—Hydrology（水文）--Basin（流域分析）。

ArcGIS利用水文分析方法提取山脊、山谷线、鞍部点
1.背景：作为地形特征线的山脊线、山谷线对地形、地貌具有一定的控制作用。它们与山顶点、谷底点以及鞍部点等一起构成了地形起伏变化的骨架结构。同时由于山脊线具有分水性，山谷线具有合水特征，使得它们在地形分析中具有特殊的意义。
2.目的：了解基于DEM水文分析方法提取山脊线和山谷线的原理，掌握水流方向、汇流累积提取原理及方法。
3.要求：利用ArcGIS水文分析模块提取出样区的山脊线和山谷线。
4.数据：25米分辨率的DEM数据，区域面积约140平方公里。
5.算法思想： 山脊线和山谷线的提取实质上是分水线和汇水线的提取。因此，可以利用水文分析的方法进行提取。对于山脊线而言，由于它同时也是分水线，而分水线的性质即为水流的起源点。所以，通过地表径流模拟计算之后，这些栅格的水流方向都应该只具有流出方向而不存在流入方向，及栅格的汇流累计为0.因此通过对0值的提取，就可得到分水线，即山脊线。
对山谷线而言，可以利用反地形计算。即利用一个较大的数值减去原始DEM数据，得到与原始DEM地形相反的地形数据，使得原始的DEM中的山脊变成反地形的山谷而原始DEM中的山谷在反地形中就变成了山脊。再利用山脊线的提取方法就可以实现山谷线的提取。但是此方法提取出的山脊和山谷位置有些偏差，可以利用正、负地形加以纠正。
6.提取山脊线
Ø 正负地形提取
（1）加载研究区域的原始DEM数据dem
dem
（2）点击Spatial Analyst模块，点击neighborhood statistics菜单工具，利用邻域分析的方法以11×11的窗口计算平均值。分析结果命名为meandem。

meandem
（3）点击spatial analyst中的raster calculator，公式为：mns=dem-邻域meandem，得到mns数据。
mns
（4）对mns数据二值化，将运算结果重分为两级，分级界线为0，那么大于0的区域在原始DEM上就是正地形区域，小于0的区域在原始DEM上就是负地形区域。

mns2
（5）对二值化数据mns2进行两次赋值，一次将正地形区域属性值赋值为1， 负地形区域属性赋值为0，命名为zhengdixing；另一次将正地形区域属性值赋值为0，负地形区域属性赋值为1，命名为fudixing。
zhengdixing
fudixing
Ø 山脊线提取
（1）加载流量数据flowacc1，
flowacc1
（2）Spatial Analysis下map algebra使用栅格计算器 Calculator，输入公式：flowacc0=（flowacc1（流量）==0）

flowacc0
（3）利用邻域分析的方法，对提取出的汇流累积量等于零值的数据进行3×3邻域分析进行光滑处理，处理后的数据命名为neiborfacc0。

neiborfacc0
（4）打开neiborfacc0数据的属性信息，进行重新分类，将分类级别设置为两类，不断 的调整分界数据大小，并以由DEM生成的等值线图和晕渲图为辅助判断数据。在neiborfacc0中，属性值越接近于1的栅格越有可能是山脊线的位置，这里确定的分界阈值为0.5541。

（5）将进行过二值化的neiborfacc0进行重分类为reneibor，将属性值大于0.5541的那一类的属性值赋值为1，其余的赋值为0。

reneibor
（6）利用spatial analyst菜 单下的raster calculator，reneibor数据与正地形数据zhengdixing进行相乘运算，公式：shanji="zhengdixing" * "reneibor"

shanji
（7）conversion（转换）--From raster—raster to polyline（栅格转线），生成shanjixian矢量数据，根据矢量编辑，删除错误的山脊线。

2. 提取山谷线。
（1）加载研究区域的原始DEM数据dem
dem
（2）提取与原始DEM地形完全相反的反地形数据fandem，点击Spatial Analyst模块，点击options raster calculator菜单工具，打开栅格计算对话框公式为：fandem =Abs (dem-2500).

fandem
（3）点击Spatial Analyst模块，点击neighborhood statistics菜单工具，利用邻域分析的方法以11×11的窗口计算平均值。分析结果命名为fanmeandem。

fanmeandem
（4）点击spatial analyst中的raster calculator，公式为：fanmns=fandem-邻域fanmeandem，得到fanmns数据。

fanmns
（5）对fanmns数据二值化，得到fanmns-re数据，将运算结果重分为两级，分级界线为0，那么大于0的区域在原始DEM上就是正地形区域，小于0的区域在原始DEM上就是负地形区域。

fanmns-re
（6）对二值化数据mns2进行两次赋值，一次将正地形区域属性值赋值为1， 负地形区域属性赋值为0，命名为fanzhdixing；另一次将正地形区域属性值赋值为0，负地形区域属性赋值为1，命名为fanfudixing。
fanzhdixing
fanfudixing
提取谷底线
（1）加载反地形数据fandem，Hydrology（水文）--flow direction（流向），提取反地形数据的流向fanflowdir

（2）Hydrology（水文）--flow accumulation，提取反地形数据的汇聚流量数据fanflowacc

fanflowacc1
（3）Spatial Analysis下map algebra使用栅格计算器 Calculator，输入公式：fanflowacc0=（flowacc1==0）

fanflowacc0
（4）利用邻域分析的方法，对提取出的反地形汇流累积量等于零值的数据fanflowacc0进行3×3邻域分析进行光滑处理，处理后的数据命名为fanneiborfacc0。

fanneiborfacc0
（5）打开neiborfacc0数据的属性信息，进行重新分类，将分类级别设置为两类，不断 的调整分界数据大小，并以由DEM生成的等值线图和晕渲图为辅助判断数据。在neiborfacc0中，属性值越接近于1的栅格越有可能是山脊线的位置，这里确定的分界阈值为0.5541。

（5）将进行过二值化的fanneiborfacc0进行重分类为fanreneibor，将属性值大于0.5541的那一类的属性值赋值为1，其余的赋值为0。

fanreneibor
（6）利用spatial analyst菜 单下的raster calculator，fanreneibor数据与正地形数据fanzhengdixing进行相乘运算，公式：gudi="fanzhengdixing" * "fanreneibor"。

gudi
7）conversion（转换）--From raster—raster to polyline（栅格转线），生成gudixian矢量数据，根据矢量编辑，删除错误的山脊线。
gudixian
鞍部点提取
（1）利用spatial analyst菜单下 的raster calculator的工具，将提取出的山脊线数据flowacc0和山谷线数据fanfacc0进行相乘运算，运算结果命名为anbu。公式：anbu= flowacc0* fanfacc0

anbu
（2）利用spatial analyst菜单下的raster calculator的工具，将上一步中提取出的数据anbu和正地形数据zhengdixing进行相乘运算，就得到了鞍部点的栅格形式数据anbudian，公式：anbudian=anbu*zhengdixing

anbudian
（3）将栅格数据anbudian进行重分类，所有0值和NO DATA数据赋为NO DATA数据，属性为1的值保持不变，重分类之后数据为reanbudian。

reanbudian
（4）将栅格数据reanbudian2转成矢量结构数据anbudian，并配合等高线数据和晕渲图对矢量形式的鞍部点数据进行编辑，剔除那些处于研究区域边缘以及内部的伪鞍部点，并重新设计鞍部点的图例。将伪鞍部点数据剔除完毕后，停止编辑并保存结果。

anbudian