[GIS原理] 9.4 流域分析(水文分析)

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流域分析 | 水文分析 | Hydrological Analysis

1 沟谷网络提取

【沟谷地貌】是较为典型的流水侵蚀地貌,其中,沟谷网络在空间分布和发展演化上对沟谷地貌都有重要的控制作用

【步骤】

  1. 洼地填平
    水从高度往低处流,如果有个坑,那流入就会中断–>把坑填平
  2. 流向提取
    每个栅格流动的方向
  3. 汇流量提取
    每个栅格向下一个栅格传递着水,把这些汇流的水量统计出来
  4. 河谷网络提取
    根据汇流量可以提取出相应的沟谷

1.1 洼地填平

【洼地的产生情况】

  1. 现实就是如此
  2. 生产DEM的过程中产生的洼地

【问题】水从高度往低处流,如果有个坑,那流入就会中断
【解决】把坑填平,填的与周围最低的一个坎相平
【基本原理】增加洼地点高程值,使其高程值提高至邻域内其他8个栅格的最小值

在这里插入图片描述

  1. 左图:1的几块栅格比周边的高度都小–>为洼地–>水流进后就出不来了
  2. 右图:填充后,与周围最低的值2相同–>形成了一个平台的东西,问题就解决了

【阈值设置】填充洼地时要求设置一个阈值,大于这个阈值的洼地才会被填充掉

  1. 默认情况都为全部填充
  2. 若有特殊要求,你考察过每个地方的洼地在现实中就是如此–>研究要求要将此地保留–>根据此地来设置阈值

1.2 水流方向

【流向】每个点都有一个最大坡度方向–>最大坡度方向就是这个栅格的流向

【连通】

  1. 四连通:把一个栅格的上下左右当成是邻域
  2. 八连通:把一个栅格的上下左右、左上、右上、左下、右下八个栅格当成邻域

【算法】

  1. 单流向算法(Single flow direction,SFD):每个栅格只有一个流向
    ArcView、ArcGIS中的算法是单流向
  2. 多流向算法(multiple flow direction,MFD):一个栅格有多个方向

【方向编码】即流向数据中DN的取值范围,与代表的含义
在这里插入图片描述

1.3 汇流量提取(flow accumulation)

【沟壑】流水汇流的地方
【汇流量】从栅格点的源头流到该点的总汇流量
【原理】沿流向方向对各栅格处的汇流量逐步进行累加

1.4 河谷网络提取

【步骤】

  1. 对汇流累计矩阵采用一定的阈值来提取沟谷网络,大于阈值的位置赋值为1,即为沟谷网络
  2. 可进一步将栅格沟谷网络转换为矢量沟谷线文件

【阈值的设置】以实验目的为导向
【思考】通过不同的阈值,可以提取出不同级别的汇流网络

  1. 阈值设置的越小–>河谷网就提取的越多–>很小支的很窄的河流都会被提取出来
  2. 阈值设置的越大–>提取的河谷网就会越小–>只能提取到规模较大的河谷

【方法】

  1. 确定你的实验目的–>根据你的实验目的来确定你要提取的精度,将要提取到什么程度,至少什么规模的河流你要提取出来
  2. 设定一个值,进行提取–>查看结果,和你的预期相比较,若你想提取的部分没有提取出来–>阈值设置的小一点,再提取–>反复试验,确定阈值

1.5 确定河流等级

河流的分级方法有两种

具体:https://blog.csdn.net/summer_dew/article/details/78406255

1.6 示例

具体步骤

在这里插入图片描述

2 流域提取

【原理】可由流域出口点开始,逐步对邻域内其他8个栅格流向的反方向进行追踪
直到追踪至流域边界栅格(不被邻域内任何栅格所指向)

【例子】从出水口一直往上找,直到找到边界

  1. 粉红色的格子A是出水口
  2. 流进A的格子有黄色的格子B
  3. 流进B的格子有绿色的格子C
  4. 流进C的格子有紫色的格子D
  5. 流进D的格子有蓝色的格子E

以此往复,找出了该出水口所在的流域(格子ABCDE)

在这里插入图片描述

具体步骤

3 坡长分析

【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

  1. 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
  2. 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

3.1 上坡长

【上坡长数据的DN值】

  1. DN=0:即山脊,分水的地方
  2. DN=14:到源头有14个距离(单位可能是栅格个数,可能是m等)
  3. 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

【经验】

  1. 可以根据上坡长提取山脊线,而山谷线怎么提取呢?
  2. 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

3.2 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
在这里插入图片描述
模拟结果:
在这里插入图片描述

【缺点】没有考虑很多边界条件

  1. 均匀的降雨
  2. 雨水有没有下渗
  3. 有没有阻强

【思考1】降水只是在北边下了,降雨带从北向南推移。洪峰曲线的峰是向后移了,还是向前提了?
【结果】洪峰推后了,但是洪峰的值大了
【原因】降雨带远离出水口,统计洪峰曲线是在出水口统计的,下了很久的雨,但是有没有流到出水口呢?没有
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【思考2】降雨带从南向北移动
【结果】
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4 小结

  1. DEM水文分析是一种不同于一般窗口分析的,基于全局分析的DEM数据分析方法
  2. 流域分析(水文分析)所提取的水系、坡长、流域等信息再地学分析中具有重要意义

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