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1、-空间分析实验-第 19 页空间分析实例实验一、山顶点的提取应用栅格数据空间分析模块中的等高线提取功能，分别提取等高距为 15 米和75 米的等高线图，并按标准地形图绘制等高线方法绘制等高线，作为山顶点提取的地形背景通过邻域分析和栅格计算器提取山顶点（实验数据：“F:2012_work国家海洋监测中心国家海洋监测中心培训空间分析表面分析”）操作步骤：1、 加载Spatial Analyst 模块和DEM 数据2、单击ArcToobox，弹出ArcTooblox窗口，点击Spatical Analyst-表面分析-等值线，提取等高距为 15 米的等高线数据，输出图层为Contour_dem15：
2、3、同上，修改Contour interval 为75 米，提取等高距为75 米的等高线，输出文件名为Contour_dem75。修改图例颜色以区别等高线显示效果，单击contour15 数据层线状图例，弹出symbol selector对话框，选择显示颜色为灰度60（可任意选择），并点击ok。4、点击Spatical Analyst-表面分析-山体阴影，设置输出文件名为Hillshade，其他参数取默认值，提取该地区光照晕渲图，作为等高线三维背景。5、点击Spatical Analyst-地图代数-栅格计算器，输入计算公式：DEM=0，输出栅格为back，单击ok。提取有效数据区域，作为等高
3、线三维背景掩膜。双击 back 数据层，在弹出的属性对话框的“显示”属性页设置透明度为60，在“符号化”属性框中设置其显示颜色为Gray50，单击ok6、按contour_dem75、contour_dem15、back、Hillsha_dem 次序放置数据层，生成三维立体等高线图，如下：7、点击Spatical Analyst-邻域分析-焦点统计，设置参数如下，单击ok，提取1111 分析窗口最大值。8、点击Spatical Analyst-地图代数-栅格计算器，输入计算公式：maxpoint - dem = 0，输出栅格为“SD”，提取山顶点区域。9、点击Spatical Analyst-
4、重分类-重分类，对SD数据进行重分类，设置如下，提取值为1的数据，其他值设为NoData，输出栅格为SD1；10、选择SD1 数据层，点击转换工具由栅格转出栅格转点，参数设置如下，则可输出矢量山顶点数据PickPeaker。符号化显示如下：三角形就是提取的山体顶点实验二、水系提取从DEM 中自动提取自然水系的算法过程：依据水总是沿斜坡最陡方向流动的原理, 确定DEM 中每一个高程数据点的水流方向；然后根据高程数据点的水流方向数据来计算每一个高程数据点的上游给水区, 再根据上游给水区高程数据, 用阈值法确定属于水系的高程数据点；最后, 根据水流方向数据, 从水系源头开始, 将整个水系追索出来。（
5、实验数据：“F:2012_work国家海洋监测中心国家海洋监测中心培训空间分析水文分析”）操作步骤：1、无洼地DEM 生成DEM 是比较光滑的地形表面模型，但由于DEM 误差以及一些真实地形或特殊地形的影响，使得DEM 表面存在一些凹陷的区域。在进行水流方向计算时，由于这些区域的存在，往往得到不合理的甚至错误的水流方向。因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM 数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出 DEM 数据中的洼地区域，并计算洼地深度，然后依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。1.1 水流方向提取水流的流向是通过计算中心格网与邻
6、域格网的最大距离权落差来确定。对于每一格网。水流方向指水流离开此网格的指向。在ARCGIS 中，通过对中心栅格的1、2、4、8、16、32、64、128 等8个邻域栅格编码，中心栅格的水流方向便可有其中的某一值来确定。例如，若中心栅格的水流流向左边，则水流方向赋值16。启动 ArcToolbox，应用水文分析模块(Hydrology) 下的流向确定(Flow Direction ) 命令,生成8方向水流流向图： 水流方向图1.2 洼地计算洼地区域是水流方向不合理的地方，可以通过水流方向来判断哪些地方是洼地，并进行填充。但是，并非所有的洼地区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
7、反映。因此在进行洼地填充之前，必须计算洼地深度，判断哪些地区是由于数据误差造成的，而哪些地区又是真实的地表形态。然后，在洼地填充时，设置合理的填充阈值。基本过程先分别双击水文工具集中的汇（Sink）、分水岭（Watershed）工具计算出洼地区域图、洼地贡献区域图，打开Spatial Analyst工具箱中的“区域分析”工具集，分别利用“分区统计”、“区域填充”工具计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程，及计算每个洼地贡献区域出口的最低高程，然后在栅格计算器中输入公式zonalmax-zonalmin，输出栅格sinkdep，计算出洼地深度图。（1） 洼地提取根据“汇”工具把水流方向图洼地区域
8、，输出汇栅格为Sink。 洼地区域图（2）洼地深度计算A.计算洼地的贡献区域（通过分水岭生成洼地贡献区域图）洼地共享区域图B.计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程（Zonalmin）每个洼地所形成的贡献区域的最低高程图C.计算每个洼地贡献区域出水口的最低高程即洼地水口高程（Zonalmax）每个洼地贡献区域出口的最低高程图D.计算洼地深度，进行地图栅格计算，公式为Zonalmax-Zonalmin，输出栅格为sinkdep。洼地深度图1.3 洼地填充经过洼地提取后，可以确定原始 DEM 上是否存在洼地，若有洼地，须进行填充。而洼地深度的计算为填充阈值的设置提供了依据，系统默认条件下是不设阈值
9、，即所有的洼地区域都将被填平。参考洼地深度图，结合小流域的实际地形，不断调试将阈值设为2500。方法是双击水文分析工具集中的填洼（FILL）工具，选择需要进行洼地填充的原始DEM数据，经过洼地填充生成的无洼地DEM。经洼地填充生成的无洼地DEM2、汇流累积量计算在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的。首先基于无洼地DEM 生成水流方向图，利用该数据，双击水文分析工具集中的流量（Fill Accumulation）工具计算出汇流累积量数据。（1） 基于无洼地DEM生成水流方向图无洼地DEM 水流方向图（2） 基于无洼地DEM计算汇流累积量数据汇流累积量图3、水流长度计算水流
10、长度指地面上一点沿水流方向到流向起点（或终点）间的最大地面距离在水平面上的投影长度。它分为顺流计算及溯流计算两种，可通过双击水文分析工具集中的水流长度（Flow Length）工具实现，其中计算方向分别选择顺流计算Downstream 或溯流计算Upstream。水流长度的提取和分析在水文学或水土保持工作中均具有很重要意义，因为水流长度直接影响地面径流的速度，进而影响地面土壤的侵蚀力。(1) 顺流计算的水流长度，点击空间分析-水文分析-水流长度，选择顺流方向（DOWNSTREAM）顺流计算出的水流长度图(2) 溯流计算的水流长度，同上方法选择逆流方向（UPSTREAM）溯流计算出的水流长度图4
11、、河网的提取目前河网提取方法主要采用地表径流漫流模型。假设每一个栅格携带一份水流，那么栅格的汇流累积量就代表该栅格的水流量。因而，当汇流量达到一定值时，就会产生地表水流，所有汇流量大于临界值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。4.1、河网的生成河网的生成基于汇流累积量数据，利用空间分析-地图代数-栅格计算器中的Con 命令进行有条件地查询可以得到，分别将阈值设为100 及1000。(1) 生成阈值为100 的河网生成的streamnet100如下图栅格河网（阈值为100）以上操作也可以利用栅格计算器的运算，以阈值设为1000 为例：栅格河网（阈值为1000）（2）栅格
12、河网矢量化通过栅格河网矢量化矢量河网4.2、Stream Link 的生成Stream Link 记录河网中结点之间的连接信息，它主要是记录河网的结构信息，其中每一条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点。Stream Link 的生成可以通过双击水文分析工具集中的河流链接（Stream Link）工具实现，其属性表中记录着每个片段所包含的栅格个数信息。Stream Link 示意图及属性表4.3 河网分级不同级别的河网所代表的汇流累积量不同，级别越高，汇流累积量越大，一般是主流，而级别较低的河网一般则是支流。点击水文分析工具集的Stream Order 工具，可提供两种常用的河网分级方法：S
13、trahler 分级和Shreve 分级。（1） 河网Strahler 分级河网Strahler 分级结果图（2） 河网Shreve 分级河网Shreve 分级结果图5、 流域的分割流域（watershed）又称集水区域，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。流域可以通过流域盆地（basin）、集水盆地（catchment）来描述。5.1、流域盆地的确定流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域，可利用水流方向确定出所相互连接并处于同一流域盆地的栅格区域。点击水文分析工具集中的盆域分析工具可以计算出流域盆地图。流域盆地图5.2、集水流域的生成除用流域盆地来描
14、述外，在水文分析中，经常基于更小的流域单元进行分析，首先通过水文分析工具集中的捕捉倾泻点（Snap Pour Point）工具寻找小级别流域的出水口位置，然后结合水流方向，点击水文分析工具集中的分水岭（Watershed）工具，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，直至生成集水流域为止，对计算结果重新分级后可以更方便寻找感兴趣的流域研究区。集水区域的计算结果6、结果分析目前, 利用DEM 数据, 在GIS 平台支持下可以快速准确地获取流域的河网结构, 并可以根据汇流累积单元数的阈值来生成不同密度的河网。但对于阈值的选取尚须进一步探究。例如：阈值为100的矢量河网图与阈值为1000的矢量河网图对比流量为100的矢量河网图 流量为1000的矢量河网图