基于ArcGIS环境DEM流域特点提取研究.docx
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基于ArcGIS环境DEM流域特点提取研究
本科生毕业论文(设计)
题目:
基于ArcGIS环境DEM流域特点提取研究
专业代码:
070703
作者姓名:
彭希
学号:
90
单位:
环境与计划学院
指导教师:
肖燕
2020年5月31日
原创性声明
本人郑重声明:
所提交的学位论文是本人在导师指导下,独立进行研究取得的功效。
除文中已经注明引用的内容外,论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究功效,也不包括为取得聊城大学或其他教育机构的学位证书而利用过的材料。
对本文的研究做出重要奉献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的相应责任。
学位论文作者签名:
日期
指导教师签名:
日期
前言1
1研究区概况和源数据2
研究区概况2
源数据2
2流域特点提取原理和流程2
提取流程3
提取原理4
无洼地DEM生成4
汇流积存量5
水流长度5
河网的提取5
流域分割7
3实例分析8
流域基础数据的取得8
不同级别河网的生成8
流域盆地的提取11
集水子流域提取11
DEM提取的河网与水系图比较12
结论14
参考文献15
致谢16
摘要
本文在ArcGIS9平台下基于数字高程模型(DEM)数据进行流域特点的自动提取和划分。
具体包括无洼地的DEM生成、水流方向的确信、汇流积存量分析、河网的提取、流域的分割等。
选择长江流域的洞庭湖流域为案例区。
采用SRTMDEM数据和相关水系图做为基础数据,利用ArcGIS9的水文分析工具,进行了案例区流域特点信息的提取。
取得结果经辨析,与实际河流水系特点大体吻合。
关键词:
ArcGIS;数字高程模型(DEM);流域特点
Abstract
BasingonArcGIS9lansdigitalelevationmodel(DEM),thispaperperformeddatafeaturesautomaticextractionandwatersheddivision.SpecificallyitincludetheDEMdevelopment,withoutdepressionsinthedirectionofflowdetermination,theconfluencecumulantanalysisandriverextraction,watershedsegmentationChoosetheYangtzebasindongtinglakebasinasacasesrtmdemdataandrelatedwatersystemfigureasabasicArcGIS9dataandusingthehydrologicanalysispapermadeextractionofcharacteristicinformationfromareabasin.Accordingtoanalysistheresultandtheactualriversystemfitsexperimentaldatawell.
Keywords:
ArcGIS;DigitalElevationModel;Watershedfeatures
基于ArcGIS环境DEM流域特点提取研究
前言
数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)数据中包括了丰硕的地形、地貌、水文信息,它能够反映各类分辨率的地形特点,通过DEM能够提取大量的地表形态信息,如流域网格单元的坡向、坡度和单元格之间的关系等[1]。
随着数字时期的到来,数字地形成为与空间地理信息相关研究的必然基础。
数字地形以数字高程模型(DigitalElevationModels,缩写为DEM)的形式存储,分为栅格DEM,不规那么三角网TIN和等高线DEM三种。
其中栅格DEM比较普遍,计算处置方式简单有效,而且和遥感数据在结构上容易匹配,在流域水文模拟中取得普遍应用[2]。
地理信息系统(GIS)也随着数字时期的到来而日趋普及和应用,高分辨的DEM数据的方便获取使得人们把DEM数据应用到直接提取水系上来。
DEM是地理信息系统的基础数据,也是流域地形分析的要紧数据,国内外采纳GIS的栅格数据(DEM)研究地表地形特点和水文特性,已作了大量的工作并已经研究开发了许多生成数字流域的成熟算法和软件。
目前应用最普遍的方式仍然是1984年由Mark提出的提取流域特点的TOPAZ(TopographicPArameteriZation)方式,该方式生成河网采取的是D8算法[3]。
比如ESRI提供的ARC/INFOGRID模块和Hybrology工具集,ArcView扩展模块hydrologicFunctions,RSI提供的RiverTools,GarbrechtJ1MartzW的TOPAZ工具,另外,美国BrighamYoung大学开发的WMS软件,美国自然资源爱惜局和农业研究局联合开发的散布式参数模型An2nAGNPSE都运用TOPAZ进行子流域的划分[4]。
本文探讨的是利用ArcInfoDesktop中的SpatialAnalysis模块和ArcHydroTools模块对研究区域进行流域特点提取。
1研究区概况和源数据
研究区概况
洞庭湖是中国五大淡水湖之一,长江中游重要吞吐湖泊。
湖区位于湖南省北部,长江荆河段以南,介于北纬28°30′~30°20′,东经110°40′~113°10′。
洞庭湖是由水流沼泽、河网平原地貌形成的自然景观,东、南、西三面环山,北部是敞口的马蹄形盆地,西北高,东南低;湖面海拔平均33.5m,其中西洞庭湖35~36m,南洞庭湖34~35m,东洞庭湖33~34m,平均水深6~7m,最深处m,总面积约2691km2,其中西洞庭湖345km2,南洞庭湖917km2,东洞庭湖1478km2,湖水蓄量178亿立方m;底质多泥或淤泥型;要紧入湖河流有湘江、资江、沅江、澧江四水、长江三口、汨罗江、藕池东支、华容河。
北面江水从松滋、太平、藕池、调弦4口汇入,南和西面有湘江、资江、沅江、澧水注入。
湖水经城陵矶排入长江。
通常年分4口与4水入湖洪峰彼此错开。
由于4水和4口携带大量泥沙,每一年约有亿吨泥沙淤积湖底。
1825年时湖水面积约6,000km2,1890年为5400km2,1932年为4700km2,1960年已减为3141km2。
此刻以湖面高程m计,湖水面积为2820km2。
旧日号称「八百里洞庭」,今已分割为许多大小湖泊。
水位变幅达m[5]。
图1洞庭湖流域在湖南省的地理位置示用意
Figure1locationinHunanDongtingLakeBasinSchematic
源数据
本文采纳的数据包括:
1:
800万长江流域的水系图、110°~115°E,25°~30°N的90m分辨率的湖南省境内洞庭湖流域SRTMDEM数据,最大高程为2124m,最低高程为26m。
洞庭湖流域覆盖湖南省大部和湖北省、广西壮族自治区、贵州省和重庆市部份地域,流域面积262800余km2,湖南境内占总流域面积的78%,约204800km2。
SRTMDEM数据主若是由美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的,SRTM的全称是ShuttleRadarTopographyMission,即航天飞机雷达地形测绘使命。
SRTM数据每经纬度方格提供一个文件,精度有1arc-second和3arc-second,称作SRTM1和SRTM3,或30M或90M数据。
目前能够免费获取中国境内的SRTM3文件,是90m的数据,每一个90m的数据点是由9个30m的数据点算术平均得来的。
本文即采纳SRTM3数据。
2流域特点提取原理和流程
ArcGIS的水文分析模块要紧用来成立地表水的运动模型,辅助分析地表水流从哪里产生、流向何处,再现水流的流动进程。
水流通过地表一般是流向最陡的方向,一旦水流流向被确信下来,就可算出有多少网格的水流流入给定的网格,这以信息将决定流域边界和水流网络[6]。
具体提取流程见图2。
提取流程
以DEM数据为基础数据,生成水流方向数据。
由水流方向数据计算洼地,并做填洼处置生成无洼地的DEM,计算无洼地DEM的水流方向。
由无洼地DEM水流方向数据计算取得汇流积存量数据。
汇流积存量数据那么能够提取河网、河网分级、河网结点生成,再综合无洼地DEM数据计算取得的汇水区出水口和水流长度等数据,最终集水流域生成。
具体流程如下:
DEM
流向
汇流累积
填洼
是否填平
流向
无洼地DEM
河网提取
集水流域生成
水流长
河网分级
河网结点
汇水区出水口
图2ArcGIS中流域特点提取流程
Figure2ArcGISfeatureextractionprocessinthebasin
提取原理
ArcGIS将水文分析模块集成到ArcGIStoolbox里,即Hydrologytools。
要紧包括地表径流模拟进程中的水流方向的确信、洼地填平、水流积存矩阵生成、网络生成和流域分割等。
.1无洼地DEM生成
DEM是比较滑腻的地形表面模型,可是由于DEM误差和一些真实地形(如卡斯特意貌)的存在,使得DEM表面存在着一些凹陷的区域。
在进行水流方向计算时,由于这些区域的存在,往往得不到合理的乃至错误的水流方向。
因此,在进行水流方向的计算之前,应该第一对原始DEM数据进行洼地填充,取得无洼地DEM。
洼地的填充的大体进程是先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地域域,并计算其洼地的深度,然后,依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充[6]。
1)水流方向提取。
ArcGIS中水流方向的提取用的是D8算法。
关于每一格网,水流方向指水流离开此格网时的指向。
在ArcGIS中,通过对中心栅格的8个邻域栅格编码,中心栅格的水流方向即可由其中的一值来确信。
水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离落差来确信。
距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离,栅格间的距离与方向有关,若是邻域栅格对中心栅格的方向值为二、八、3二、128,那么栅格间的距离为
倍的栅格大小,不然距离为1。
2)洼地计算与填充。
洼地域域是流水方向不合理的地址,能够通过水流方向来判定哪些地址时洼地,而且进行填充。
可是,并非所有的洼地域域都是由于数据的误差造成的,有很多洼地是地表形态的真实反映。
因此在进行洼地填充之前,必需计算洼地深度,判定是不是是洼地。
然后,在洼地填充是,设置合理的填充阈值。
当一个洼地域域被填平以后,那个区域与周围区域再进行洼地计算,可能还会形成新的洼地。
因此,洼地填充是一个不断反复的进程,明白所有的洼地被填平、新的洼地再也不产生为止。
汇流积存量
汇流积存量数值矩阵表示区域地形每点的流水量积存。
在地表径流模拟进程中,汇流积存量是基于水流方向数据计算取得的。
对每一个网格来讲,汇流积存量的大小代表着其上游有多少格网的水流方向最终汇流通过该网格,汇流积存的数值越大,该区域越易形成地表径流。
一个流域的汇流积存量计算是提取该流域河流网络的基础,流域内一个网格的汇流量反映了其汇聚水流能力的强弱。
一个网格的汇流积存量越大,其汇流能力也就越强,该网格所代表的地形特点可能确实是河谷;反之汇流积存量为零的地址那么可能代表流域的分水岭[7]。
汇流积存量的大体思想是:
以规那么格网表示数字地面高程模型每点处有一个单位的水量。
依照自然水流从高处流向低处的自然规律,依照区域地形的水流方向数据计算每点处所流过的水量数值,便取得了该区域的汇流积存量。
由水流方向数据取得汇流积存量计算的进程。
水流长度
水流长度指地面上一点沿水流方向到其流向起点(或终点)间的最大地面距离在水平面上的投影长度。
水流长度直接阻碍地面径流的速度,进而阻碍地面土壤的侵蚀力。
因此,水流长度的提取和分析在水土维持工作中有很重要的意义。
目前,在ArcGIS中水流长度的计算方式有两种:
顺流计算和溯流计算。
顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口的水平投影距离。
溯流计算是计算地面上每一点逆水流方向到其流向起点的水平投影距离。
应用水流方向数据进行逆流计算和溯流计算就能够够得出水流长度数据。
河网的提取
提取地表水流网络是DEM水文分析的要紧内容之一。
目前河网提取方式要紧采纳地表径流漫流模型:
第一,在无洼地DEM上利用最大坡降法计算出每一个栅格的水流方向;然后,依据自然水流由高处流往低处的自然规律,计算出每一个栅格在水流方向上积存的栅格数,即汇流积存量。
假设每一个栅格携带一份流水,那么栅格的汇流积存量就代表着该栅格的水流量。
基于上述思想,当汇流量达到必然值的时候,就会产生地表水流,所有汇流量大于临界值的栅格确实是潜在的水流途径,由这些水流途径组成的网格,确实是河网。
1)河网生成。
DEM中某一栅格点假设能形成水系,那么必需存在必然规模的级别的上游给水区,因此能够给定一个适当的最小水道集水面积阈值[7~9],上游汇水面积等于最小水道集水面积阈值的栅格点概念为水道的起始点,上游汇水面积大于最小水道集水面积阈值的栅格点概念为水道,将汇流栅格图所有大于或等于最小水道集水面积阈值的栅格提掏出来,即取得了河网。
不同级别河谷对应不同的阈值,不同区域级别的河谷对应的阈值也是不同的。
因此,在设定阈值时,应通过不断的实验和利用现有的实验和利用现有的地图等其他资料辅助查验的方式来确信。
2)StreamLink的生成。
StreamLink记录河网中结点之间的链接信息,它要紧记录河网的结构信息。
StreamLink每条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点,或连接着出水点和河网起始点。
因此通过提取StreamLink能够取得每一个河网弧段的起始点和终止点。
一样,也能够取得汇水区域的出水点。
用水流方向数据和栅格河网数据即能够取得StreamLink。
3)河网分级。
河网分级是对一个线性的河流网络以数字标识的形式划分级别。
在地貌学中,河流的分级依据河流的流量、形态等因素进行。
不同级别的河网代表的汇流积存量不同,级别越高,汇流积存量越大,一样是主流,而级别较低的河网一样那么是支流。
在ArcGIS的水文分析中,提取两种经常使用的河网分级方式:
Strahler分级和Shreve分级。
Strahler分级是将所有河网弧度中没有支流河网弧段定为第1级,两个1级河网弧段汇流成的河网弧段为第2级,以此类推,直到河网的出水口。
在这种分级中,当且仅当同级别的两条河网弧段汇流成一条河网弧段时,该弧段级别才会增加,关于那些低级弧段汇入高级弧段的情形,高级弧段的级别可不能改变;Shreve分级第1,2级河网概念与Strahler分级相同,不同的是高级别的河网弧段,其级别的概念是汇入其河网弧段级别之和,这种河网分级到最后出水口位置时,其河网的级别数恰好是该河网所有的1级河网弧段的个数。
流域分割
流域又称集水区域(watershed),是指流经其中的水流和其他物质从一个公共的出水口排出从而形成的一个集中的排水区域,也能够用流域盆地、集水盆地或水流区域等来描述。
集水流域显示了每一个流域汇水区域的大小。
流域的分界限即为分水岭。
分水线包围的区域称为一条河流或水系的流域,流域分水线所包围的区域面积确实是流域面积。
1)流域盆地的确信,流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域,可利
水流方向确信所有彼此连接并处于同一流域盆地的栅格区域。
第一,确信分析窗口边缘出水口的位置,所有流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。
第二找出所有流入出水口的上游栅格的位置,即为流域盆地集水区。
利用流域分析,能够从专门大一个研究区当选择感爱好的流域而且将该流域从整个研究区域分割出来单独进行分析。
用水流方向数据即能够取得流域盆地数据。
2)汇水区出水口的确信。
出水口即流域内水流的出口,是整个流域的最低处。
在水文分析中,常常基于更小的流域单元进行分析,因此需要对流域进行分割。
流域的分割第一要确信小级别流域的出水口的位置。
它的思想是:
以记录着潜在但并非准确的小级别流域出水口位置的点数据为基础,搜索该点必然范围内汇流积存量较高的栅格点,这些栅格点确实是小级别流域的出水点。
若是没有出水点的栅格和矢量数据,可利用已生成的StreamLink数据作为汇水区的出水点。
3)集水流域的生成。
集水流域生成的思想是:
先确信出水点,即该集水区的最低点,然后结合水流方向,分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格,一直搜索到流域的边界,即分水岭为止。
应用水流方向数据和流域出水口点数据StreamLink就能够够取得每一条河网弧段的集水区,也确实是最小沟谷的集水区域。
3实例分析
流域基础数据的取得
基于以上理论,本次实验对洞庭湖流域的流域特点提取的基础是取得无洼地DEM和水流方向,水流积存量数据。
第一用SpatialAnalystTools中Hydrolody工具集的FlowDirection工具和Fill工具生成无洼地的DEM数据,填洼后的DEM数据,最大高程为2115,最小高程为15。
再用FlowDirection工具对无洼地的DEM数据计算出无洼地DEM数据的水流方向,利用FlowAccumlation工具由水流方向数据取得汇流积存量数据(如图3)。
图3汇流积存量
Figure3confluencecumulant
不同级别河网的生成
以汇流积存量数据为基础,用SpatialAnalyst分析模块下的RasterCalculator设定阈值提取河网,取得栅格河网。
不同的汇水面积阈值取得不同的河网,具有专门大的随意性,如图,,确实是不同阈值设定下取得的河网。
图汇流积存量大于等于为10万的河网
Figureconfluencecumulantfor10millionmorethanequaltotheriver
图汇流积存量大于等于3万的河网
Figureconfluencecumulantfor3millionmorethanequaltotheriver
图汇流积存量大于等于1万的河网
Figureconfluencecumulantfor1millionmorethanequaltotheriver
河网的详细程度是由给定的最小集流阈值的大小决定的,由上图能够看出,最小集流阈值越小河网越详细,最小集流阈值越大提取的河网越稀疏。
最小阈值的设定能够依照提取数据的用途来确信。
本实验通过多次实验,最终确信阈值为3万个积存栅格来提取河网。
流域盆地的提取
流域盆地用Hydrolody下Basin工具由水流方向数据生成。
再用Hydrolody工具集的StreamLink工具对水流方向数据和栅格河网数据生成StreamLink数据,作为汇水区的出水口。
集水子流域提取
以StreamLink数据作为流域的出水口数据结合水流方向数据通过Hydrology工具集中的Watershed工具计算取得集水区域。
以流域盆地和矢量河网的数据作为背景,如图4。
图4集水区域的计算结果
Figure4catchmentareacalculationresults
DEM提取的河网与水系图比较
DEM提取的河网和1:
8000000的水系图对照吻合的比较好,由于对照水系图的比例尺过小,因此对照水系图弯曲细节被拉伸,可是能够看出DEM提取的河网骨干的河道弯曲模拟专门好,各大支流都比较符合实际流向。
图6是在DEM生成的TIN图和矢量河网图的叠加图。
用来充分说明洞庭湖流域的水系散布景观。
图5DEM提取的河网和对照水系图
Figure5DEMextractionandcontraststreamfigure
图6提取河网的3D成效图
Figure6extractionof3Drenderingvaries
表1实际流域面积和DEM提取面积比较
Table1actualbasinareaandDEMextractionareacomparison
洞庭湖流域实际总面积/km2[10]
湖南省境内洞庭湖实际面积/km2[10]
DEM提取的湖南省内洞庭湖面积/km2
相对精度/%
万
万
万
96
实际湖南省境内洞庭湖流域面积约占洞庭湖流域总面积的78%,DEM提取的河网流域面积占洞庭湖流域面积约为75%,误差很小。
各项数据比较如表1。
结论
本文以湖南省洞庭湖流域为例,利用ArcGIS进行了基于SRTMDEM的流域特点提取研究,提取的河网流域面积精度为96%,达到了专门好的成效,能够应用于实践。
不同的最小集流阈值取得不同详细程度的河网,如何确信形成与自然水系吻合的河网最小集流阈值除多次重复实验和与实际提取河网等各类数据相较较外,精准的确信方式还有待研究。
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[10][DB/OL]致谢
值此论文完稿之际,在此记下论文完成进程中取得许多人的帮忙而且致谢。
专门感激我的论文指导老师肖燕教师,在我大学的最后学习时期——毕业论文时期给自己的指导,从最初的定题,到资料的搜集,到写作、修改,到论文定稿,她对我耐心的指导和无私帮忙。
为了指导咱们的毕业论文,她舍弃了自己的休息时刻,这种无私奉献的敬业精神令人钦佩,在此我向教师表示我真挚的谢意。
同时,感激所有任课教师和所有同窗在这四年来给自己的指导和帮忙,是他们教会了我专业知识,教会了我如何学习,教会了我如何做人。
正是由于他们,我才能在各方面取得显著的进步,在此向他们表示我由衷的谢意,并祝所有的教师培育出愈来愈多的优秀人材,桃李满天下!
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