1、實例與練習練習1.利用水文分析方法提取山脊、山谷線1背景：山脊線、山谷線是地形特征線，它們對地形、地貌具有一定的控制作用。它們與山頂點、谷底點以及鞍部點等一起構成了地形及其起伏變化的骨架結構。因此在數字地形分析中，山脊線和山谷線以及地形特征點等的提取和分析是很有必要的。2目的：理解基于DEM結合水文分析的方法提取出研究區域的山脊線和山谷線的原理；掌握水流方向、匯流累積量的提取方法以及它們的提取原理；能將水文分析的方法和其它的空間分析方法相結合以解決應用問題。3要求：（1）利用水文分析思想和工具提取研究區域的山脊線；（2）利用水文分析思想和工具提取研究區域的山谷線。數據：一幅25m分辨率的黃土地

2、貌DEM數據，數據的區域大概有140km2。數據存放于/ChP11/Ex1中，請將其拷貝到E：/ChP11/Ex1。結果數據保存在/ChP11/Ex1/Result中。算法思想：對于水文物理過程研究而言，由于山脊、山谷分別表示分水性與匯水性，山脊線和山谷線的提取實質上也是分水線與匯水線的提取。因此，對于山脊線和山谷線就可以利用水文分析的方法進行提取。基于DEM的這種地形表面流水物理模擬分析的原理是：對于山脊線而言，由于它同時也是分水線，那么對于分水線上的那些柵格，由于分水線的性質是水流的起源點，通過地表徑流模擬計算之后這些柵格的水流方向都應該只具有流出方向而不存在流入方向，也就是其柵格的匯流累

3、積量為零。通過對零值的匯流累積值的柵格的提取，就可以得到分水線，也就得到了山脊線；對于山谷線而言，由于其具有匯水的性質，那么對于山谷線的提取，可以利用反地形的特點，即是利用一個較大的數值減去原始的DEM數據，而得到了與原始地形完全相反的地形數據，也就是原始的DEM中的山脊變成負地形的山谷，而原始DEM中的山谷在負地形中就變成了山脊，那么，山谷線的提取就可以在負地形中利用提取山脊線的方法進行提取。基于DEM利用水文分析的方法提取山脊線和山谷的技術流程如圖1所示。反地形DEM水流方向數據鄰域分析W原始DEMrmeandemr匯流累計量1山谷線1求交負地形正地形求交無洼地DEM水流方向數據匯流累計量

4、山脊線圖1山脊線和山谷線的提取流程圖第十一章水文分析GIS軟件應用實習材料 第十一章水文分析GIS軟件應用實習材料 圖3正地形區域（圖中深色區域）圖4負地形區域（圖中深色區域）1）2）3）4）啟動ArcToolbox,展開AnalysisTools工具箱，打開hydrology工具集。在圖層管理器中加載研究區域的原始DEM數據，如圖2所示。占:八、meandem5；陽円orhood圖2研究區域的DE菜單工具，利用鄰域分數據st模塊，點擊SpatialAnalyst模塊的飛方法以111Jj口計算平均spatialanalyst中的.rastercalculator菜單工具，對原始DEM數據與鄰域

5、分析目R邑9,?ft-步L隔即上J:朮機口叩瞬日：咒凸.*04色；之后的數據meandem做減法運算，并將運算結果重分為兩級，分級界線為0，那6操作步驟（1）正負地形的提取么大于0的區域在原始DEM上就是正地形區域，小于0的區域在原始DEM上就是負地形區域。對上一步得到的二值化數據進行兩次重分類，一次將正地形區域屬性值賦值為1，負地形區域屬性賦值為0，命名為zhengdixing；另一次將正地形區域屬性值賦值為0,負地形區域屬性賦值為1,命名為fudixing。分別如圖3、圖4所示。山脊線的提取：在ArcMap中加載研究區域的原始DEM數據，如圖2所示。洼地填充：雙擊hydrology工具集中

6、的fill工具，進行原始DEM的洼地點填充。在Inputsurfaceraster文本框中選擇原始DEM數據dem,將輸出數據命名為filldem，因為選擇的是將所有洼地全部填充，所有在填充容限Zlimit為默認值。基于無洼地的水流方向的計算：雙擊hydrology工具集中的flowdirection工具，在Inputsurfaceraster文本框中選擇填充過的無洼地DEM數據filldem，將輸出的水流方向數據命名為flowdirfill。匯流累積量的計算：雙擊hydrology工具集中的flowaccumulation工具。選擇flowdirfill作為輸入的水流方向數據；輸出數據命名為

7、flowacc1。匯流累積量零值的提取：加載SpatialAnalyst模塊，點擊SpatialAnalyst模塊的下拉箭頭，然后單擊rastercalculator菜單，打開柵格計算對話框，在文本框中填寫匯流累積量零值的提取公式：facc0=(flowacc=0)，然后點擊evaluate進行計算。計算結果為所有的匯流累積量為0的柵格。在ArcMap中打開faccO,發現所提取出的柵格很亂，有很多的地方并不是山脊線的位置，因此應對這個數據進行處理。處理過程可以利用鄰域分析的方法，對提取出的匯流累積量等于零值的數據進行3X3鄰域分析進行光滑處理，處理后的數據命名為neiborfaccO。單擊s

8、patialanalyst模塊中的surferanalyst中的countline和hillshade菜單命令，分別生成原始DEM的等值線圖ctour和暈渲圖hillshade。打開neiborfaccO數據的屬性信息，進行重新分類，將分類級別設置為兩類，不斷的調整分界數據大小，并以由DEM生成的等值線圖和暈渲圖為輔助判斷數據。在neiborfaccO中，屬性值越接近于1的柵格越有可能是山脊線的位置，這里確定的分界閾值為O.5541。將進行過二值化的neiborfacc0進行重分類為reneibor，將屬性值接近1的那一類的屬性值賦值為1，其余的賦值為O。將重分類過后的neiborfacc0數

9、據與正地形數據zhengdixing利用spatialanalyst菜單下的rastercalculator進行相乘運算，這樣就消除了那些存在在負地形區域中的錯誤的山脊線。然后將計算結果進行重分類，所有屬性不為1的柵格屬性值賦為NODATA。就得到了山脊線，如圖5所示。山谷線的提取在ArcMap中加載原始DEM數據，如圖2所示。加載SpatialAnalyst模塊，點擊SpatialAnalyst模塊的下拉箭頭，點擊optionsrastercalculator菜單工具，打開柵格計算對話框；在文本框中填寫反地形的計算公式：fandem=Abs(dem-2000)，點擊evaluate進行計算。

10、計算結果與原始DEM地形完全相反的反地形數據，如圖6所示。反地形計算完畢之后，山谷線的提取就和山脊線的提取步驟一樣的，直到最終利用重分類的方法將重新分級的鄰域分析后的結果二值化為止。在這里，是不需要D注臼西i-歩卩融麗-”：史起口境：+k庁弾自by0MAndiydlook-母Andyafroot電鼻Twfc*帶C-ftwertfiiiTgdi-0LflwwiflerocfA|&afc4MwioQefTKfitTeobGAdhgTwfG圖5計算出的圖中深色區域為山脊-闿GnjstaiiUjLd屛Tuijt-UherVjefefanartiTi學妝冏An曲d1To（，-典弊KSttpMMta.Wi

11、Mfcridgw時aofqa曲両而z厘機口*?倒耳n:-kOMlNir：|lwla:l憑巴Ih0L呻整-fedfondem:北luw:477Jt耳AfCToolMXTlAnjMTTffllk1AamTmUlbQCapfidhrfMfe-QlCowwsKm16qbAC-vwwTfiKitQiewudrigTtXfc+*dt!OLomt肇eftfetKipqTods圖6計算出的研洼地填充的。對反地形DEM進行為flowdirfan，匯流累對flowaccOfan進行均值3X3鄰域芬析后的結改為兩級，分級閾值為0.65677。積數據為fiowacC2，零據為nbf5Cc0fan,:流9771.3*.

12、関斗厲咤曲楓申Diiilfcy|W舸TM丨乩Ixii時4）將重分類過后的數據與負地形數據fudixing利用spatialanalyst菜單下的rastercalculator進行相乘運算，這樣就消除了那些存在在負地形區域中的錯誤的山脊線。然后將計算結果進行重分類，所有屬性不為1的柵格屬性值賦為NODATA。就得到了山谷線，如圖7所示。練習2.目I+SJurJELVIi+Rhlihade0JOAjWrt14-毎loot4CflrtTad?$aftw如$Qlook母DdtaMaMqenwrtTLomtRfar(nigd(-ArulrtTek不知MMriMTT黃土地貌鞍部I勺提取處II詐.M牡鮎7

13、驚.&HHfti背景：相鄰兩山頭之間呈馬鞍形的低凹部分稱為鞍部，鞍部是兩個山脊和兩個山谷會合的地方。鞍部點是重要的地形控制點，它和山頂點、山谷點以及山脊線、山谷線等構成的地形特征點線，具有對地形具有很強的控制作用。因此，對這些地形特征點、線的分析研究在數字地形分析中具有很重要的意義。同時，由于鞍部點的特殊地貌形態，使得鞍部點的提取方法較山頂點和山谷的提取更難，目前沒有什么有效的方法來提取鞍部點，利用水文分析的方法可以來提取一些鞍部點，但是它還是具有一定局限性。目的：結合水文分析的思想來提取研究區域內的地形鞍部點；開拓思維，拓展水文分析工具的應用，學會利用水文地質分析的思想來解決一些地形、地貌等

14、方面的問題。要求：結合水文地質分析的方法和空間分析的方法提取研究區域的地形鞍部點數據：一幅25m分辨率的黃土地貌DEM數據，數據的區域大概有59km2。數據存放于/ChP11/Ex2中，請將其拷貝到E：/ChP11/Ex2。結果保存在/ChP11/Ex2/Result中。5算法思想：由于鞍部是兩個山脊和兩個山谷會合的地方，那么對于鞍部點的提取，就可以采用分別提取山脊線和山谷線，然后再計算出山脊線與山谷線的交點，所求出的交點便是鞍部點的位置。鞍部點的提取流程如圖8所示。圖8鞍部點的提取流程圖山脊1DEMIC求交鞍部點16操作步驟：（1）正地形、等高線和暈渲圖的提取同山脊線與山谷線的提取中一樣，由

15、于鞍部點的整體位置是處于山脊上的，需要提取出正地形以舍棄那些在負地形上的錯誤的提取結果。正地形的提取過程與11.6.1完全相同。提取過程分別是：利用11XII窗口進行提取平均值的鄰域分析，結果為meandem；原始DEM與meandem相減并以0為界進行重分類，大于0的屬性重新賦值為1,小于0的賦值為0,結果命名為zhengdixing。利用spatialanalyst菜單下的surfaceanalysis菜單中的contour和hillshade工具分別提取研究區域的等高距為40m的等高線數據ctour和研究區域的暈渲圖hillshade。（2）山脊的提取山脊的提取與練習1中山脊的提取過程是

16、完全相同的，分別是進行洼地填充、然后在無洼地的DEM上提取水流方向、基于水流方向計算匯流累積量數據、提取匯流累積量數據等于零的柵格。提取過程產生的各個數據分別為：filldem、flowdir、flowacc以及flowacc0。（3）山谷的提取山谷的提取也與練習1中山谷的提取過程是完全相同的，分別是基于原始DEM計算出反地形DEM數據（計算中是利用原始DEM減去常數3000）、基于反地形DEM數據提取水流方向數據、基于水流方向數據進行匯流累積量數據、提取匯流累積量數據等于零的柵格。提取過程中產生的數據分別為：fandem、flowfdirfan、flowaccfan以及fanfacc0。（4

17、）鞍部點的提取1）將提取出的山脊線數據flowaccO和山谷線數據fanfaccO利用spatialanalyst菜單下的rastercalculator的工具進行相乘運算，運算結果命名為anbuqu。2）將上一步中提取出的數據anbuqu和正地形數據zhengdixing利用spatialanalyst菜單下的rastercalculator的工具進行相乘運算，就得到了鞍部點的柵格形式數據，命名為rasteranbu。3）將柵格數據rasteranbu進行重分類，所有0值和NODATA數據賦為NODATA數據，屬性為1的值保持不變，重分類之后數據為rasteranbu2。4）將柵格數據ras

18、teranbu2轉成矢量結構數據anbudian,并配合等高線數據和暈渲圖對矢量形式的鞍部點數據進行編輯，剔除那些處于研究區域邊緣以及內部的偽鞍部點,并重新設計鞍部點的圖例。將偽鞍部點數據剔除完畢之后,停止編輯并保存結果。最后得到的鞍部點數據如圖9所示。皿赴攀Ms耳icTixfci-30血対TuftTbQi峠!rrCWWiiiX*-*IM*軸昨TK-O|叱-疊ji也卻皿蚌喚-ALiwtfP.e?erBnarflTwb-耐?pAdAwhnrtT如EarfulaiftStSKTi5Ii1.it練習3溝谷網絡的提取及溝壑密度的計算!1背景：溝壑密度是描述地面被水道切割破碎程度的一個術語。溝壑密度越大

19、,地面越破碎。破碎的地面必然起伏不平,多斜坡。這樣一方面使地表物質穩定性降低,另一方面易形成地表徑流。溝壑密度越大,地面徑流和土壤沖刷越快,溝蝕發展越快。溝壑密度是地形發育階段、降水量或地勢高差、土壤滲透能力和地表抗蝕能力的重要特征值。所以,溝壑密度是氣候、地形、巖性、植被等因素綜合影響的反映,對于水土流失監測、水土保持規劃有著重要的意義。因此,溝壑密度的提取具有在地形分析中,特別是在進行水土保持和水土流失研究中具有重要的意義。溝壑密度也稱溝谷密度或溝道密度，指單位面積內溝壑的總長度。單位一般以km/km2表示，數學表達為：工LD=SA式中：DS指溝壑密度；工L指研究區域內的溝壑總長度（單位：

20、km）,A指特定研究區域的面積（單位：km2）。2目的：能熟悉掌握水文分析中的溝谷網絡的提取原理及過程。3要求：（1）利用水文地質分析工具提取出研究區域的溝谷網絡；（2）計算出該研究區域的溝壑密度。數據：一幅25m分辨率的黃土地貌DEM數據，數據的區域大概有59km2。數據存放于/ChPll/Ex3中，請將其拷貝到E：/ChPll/Ex3。結果保存在/ChPll/Ex3/Result文件夾中。操作步驟（l）溝谷網絡的提取：1）啟動ArcToolbox,展開AnalysisTools工具箱，打開hydrology工具集。在圖層管理器中加載研究區域的原始DEM數據。2）原始DEM數據提取水流方向數

21、據：雙擊hydrology工具集中的flowdirection工具，選擇原始DEM數據作為輸入表面數據，將輸出的水流方向數據命名為flowdir。點擊OK進行水流方向數據的計算。3）洼地的計算：雙擊hydrology工具集中的sink工具，選擇上一步計算的水流方向數據flowdire作為輸入數據，將輸出數據命名為sink。4）計算得到原始DEM上有洼地，需要進行洼地填充。雙擊hydrology工具集中的fill工具，進行原始DEM的洼地點填充。在Inputsurfaceraster文本框中選擇原始DEM數據dem，將輸出數據命名為filldem，因為選擇的是將所有洼地全部填充,所有在填充容限Z

22、limit為默認值。5）基于無洼地的水流方向的計算：同步驟2）中一樣，打開水流方向計算，選擇的輸入表面數據是無洼地DEM數據filldem，將輸出的水流方向數據命名為flowdirfill。6）匯流累積數據的計算。雙擊hydrology工具集中的flowaccumulation工具。選擇flowdirfill數據作為輸入的水流方向數據；輸出數據命名為flowacc；輸入的權值數據不選擇，利用系統默認的等權且權值為1的模式。點擊OK進行運算。運算出的匯流累積數據flowacc。7）柵格河網的生成。在柵格河網的生成中，需要設置一個匯流累積閾值。雙擊spatialanalysistools工具箱中的

23、mapalgebra工具集中的multioutputmap工具。在對話框的文本框中輸入：E:chpllex3resultstreamnet=con（E:chpllex3resultflowacc100,1），計算出柵格河網數據streamnet。8）柵格河網矢量化。雙擊hydrology工具集中的streamtofeature工具。選擇streamnet作為柵格河網數據輸入，將水流方向數據flowdirrfill作為輸入的水流方向數據。將輸出的數據命名為streaml，也就是矢量形式的溝谷網絡。9）偽溝谷的刪除。由于基于DEM的河網的提取是采用最大坡降的方法，那么在平地區域例如谷底等，在這些區

24、域上的水流方向是隨機的，那么就很容易生成平行狀的河流等錯誤的形狀，這種平行狀的溝谷被稱為偽溝谷，需要進行手工編輯剔除的。偽溝谷的剔除步驟為：A加載模塊，點擊editor模塊的下拉箭頭，點擊startediting菜單工具，在操作目標層（target）中選擇（9）中計算出來的矢量形式的河網數據streaml。B點擊編輯工具中的選擇符號，將其激活。在ArcMap地圖顯示窗口中選擇那些溝谷網絡上的平行狀溝谷，點擊右鍵，從彈出菜單中選擇刪除。研究區域邊緣的那些很短的溝谷也需進行刪除。C.所有的偽溝谷刪除完畢之后，點擊editor下拉菜單中的saveedits,對該層數2止據的修改進行保存，并點擊sto

25、pedits停止編輯。到此，完成了偽溝谷的刪除。最后的到溝谷數據如圖l0所示。perimeter、length、acresandmLumpur-qj-JUAiwrystloot-QCarverwrocfc睜IAM/mngrflmi1TankQiQAridrC.f-iiutLiiNrHeferenarqlooti申2wihnliAivdd：TodfIHTwijL(ax1:30$,114二|:瓷栽4口（2）溝壑密度的計算；1）加載Xtools擴展模塊。點擊選擇calculatearea、hectares菜單工具，彈出如圖11的對話框，在文本框中選擇需要進行計算的矢量數據，點擊OK進行計算。計算結果將在屬性表中新建一個屬性項記錄。2）打開計算長度之后的矢量溝壑數據的屬性表，選擇標記length的屬性字段，點擊右鍵就彈出了如圖12的對話框，選擇statistics，進行該屬性字段下屬性值的統計分析。第十一章水文分析GIS軟件應用實習材料 第十一章水文分析GIS軟件應用實習材料 #圖3正地形區域（圖