基于DEM的水系提取

基于DEM 的水系提取

——Arc Hydro Tools 水系提取

（1）Arc Hydro Tools 工具在GIS 中需要另外下载安装，下载Arc Hydro Tools 的安装文件Arc Hydro Toolsfor10.msi.后，直接安装，安装后再Arc Map 主菜单综合单机【自定义】—【工具条】—【Arc Hydro Tools 】，加载Arc Hydro Tools 工具条，如下图

（2）水系提取流程图

（2）操作步骤

1、加载Arc Hydro Tools 工具条，再添加数据

2、设置目标路径：在Arc Hydro Tools 中单击【ApUtilities 】---【Set the Target Locations 】 注意：加载使用矢量和栅格数据所在文件夹

3、DEM 校正：在Arc Hydro Tools 中单击【Terrain Preprocessing 】---【DEM Manipulation 】——【DEM Recondtioning 】，然后设置参数，AgreeDEM 是DEM 数据（elev_cm ）校正后的数据。

4、检查DEM中那部分被校正：打开AgereeDEM和校正前的DEM数据（elev_cm）的属性在源中对比检查，看信息是否相同。

5、填洼：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【DEM Manipulation】—【Fill Sinks】,打开下图对话框：

注意：Deranged Polygon的值不能为空，如果其值位空[null]，则所选多边形区域就不会被填充；选中Use IsSink Field复选框，IsSink字段值位1的区域就会限制错乱的多边形。

6、计算流向：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【DEM Manipulation】—【Flow Direction】,如上图二。注意Out Wall Polygon下拉框位NULL，其含义指在建立外围多边形，NULL值表示计算整个DEM区域的流向。

7、汇流累积量：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】—【Flow Accumulation】,打开Flow Accumulation对话框：

8、定义水流：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【Stream Defintion】——【OK】,打开定义水流的对话框。其中Number of cells是定义水流的阈值，一般默认为流量栅格最大值的1%。

放大Str局部区域，深色线条即水系流经的路径（上图图二）

9、水流分割：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【Stream Segmentation】——【OK】,打开Stream Segmentation对话框；再打开StrLnk的属性表，查看是否每个流域段有独立的值。

10、流域栅格划定：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【Catchment Grid Delineation】——【OK】

11、集水多边形处理：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【Catchment Polygon Processing】——【OK】,再打开其属性表，在目标地理数据库中，HydroID字段是是

识别栅格特殊性的唯一识别符，GridID字段是相关流域栅格的栅格阈值。

12、排水路线处理：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【Drainage Line Processing】——【OK】,将输入的河流链接格网转换成排水路线矢量要素，要素中每条线都是汇流区的边界。

Processing】——【OK】，打开下图对话框

14、排水点处理：在在Arc Hydro Tools中单击【Terrain Preprocessing】---【Drainage Point Processing】——【OK】，打开下图对话框

提取出来的水系：

利用ArcGIS水文分析工具提取河网水系的方法.docx

利用ArcGIS水文分析工具提取河网水系的方法 DEM包含有多种信息，ArcToolBox提供了利用DEM提取河网的方法，但是操作比较烦琐（帮助可参看Hydrologic analysis sample applications），今天结合我自己的使用将心得写出来与大家分享。提取河网首先要有栅格DEM，可以利用等高线数据转换获得。在此基础上，要经过洼地填平、水流方向计算、水流积聚计算和河网矢量转化这几个大步骤。 1．洼地填平 DEM洼地（水流积聚地）有真是洼地和数据精度不够高所造成的洼地。洼地填平的主要作用是避免DEM的精度不够高所产生的（假的）水流积聚地。洼地填平使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Hydrology -> Fill工具。 2．水流方向计算 水流方向计算就可以使用上一步所生成的DEM为源数据了（如果使用未经洼地填平处理的数据，可能会造成精度下降）。这里主要使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Flow Direction 工具。输入的DEM 采用第一步的Fill1_exam1

3．水流积聚计算 这里主要使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Flow Accumulation 工具流向。栅格数据就是第二步所获得的数据（FlowDir_fill1）。可以看到，生成的水流积聚栅格已经可以看到所产生的河网了。现在所需要做的就是把这些河网栅格提取出来。可以把产生的河网的支流的象素值作为阀值来提取河网栅格。 4．提取河网栅格 使用spatial analyst中的栅格计算器，将所有大于河网栅格阀值的象素全部提取出来。至于这个阀值是多少因具体情况而定。通常是要大于积聚计算后得到栅格的最低河流象素值。这里采用的是500这个值。最后生成只有0、1值的栅格数据。其中1表示是河网，0是非河网。 5．生成河网矢量 这里主要使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Stream to Feature工具.Input Stream raster 为第四步只有0、1值的河网栅格。流向栅格使用第二步所生成的栅格数据。 6．矢量河网处理 由于Stream to Feature工具.将所有栅格象素均转为矢量线段。所以要进行处理，方法是利用属性查询的方法把所有GRID_CODE为1的全部选择出来。

ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究

论文题目ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究姓名 所在学院 专业班级 学号109042010006 指导老师 二○一三年一月四日

数字高程模型10GIS姜婷109042010006 ArcGIS环境下基于DEM的水文特征提取研究 ——以闽江流域建溪水系为例 姜婷 （福建师范大学地理科学学院，福建省福州市350108） 摘要：选择闽江流域建溪水系为研究对象,以数字高程模型DEM(Digit Elevation Models)为基础,利用ArcGIS软件的水文分析工具从DEM数据中提取研究区域的流域水文特征的详细过程。主要包括:DEM的生成和预处理、水流方向的确定、水流累积量提取、河网的提取和子流域的划分。结果表明，利用该方法提取的河网与利用手工方法提取的河网基本一致，从而证明该方法具有较高的精度。 关键词：数字高程模型；水文特征；ArcGIS；提取；建溪水系 21世纪以来水资源危机日益突出，水文模型已经成为目前国内外水文学研究的热门课题。随着“3S”技术的发展，为水文科学注入了新的血液。目前水文模拟技术趋向于将水文模型同GIS 与RS集成，以便充分利用GIS在数据管理、空间分析及可视性方面的功能。数字高程模型DEM (Digital ElevationModel)是用一组有序数值阵列形式表示地面点的平面坐标(x,y)和高程z的一种实体地面模型。它包含了大量的地理信息,是构成GIS的基础数据，其用途十分广泛,利用DEM可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡向、水沙运移方向、汇流网络、流域界线等。目前,利用DEM进行流域分析的工具很多,ArcGIS的水文分析模块(Hydro logymodel)是美国环境系统研究所公司(ESRI)为ArcGIS推出的一个水文分析模块,主要用于地形和河流网系的提取和分析,实现地形模型可视化,其强大的流域特征分析功能可以满足各种流域DEM处理的需要。 1流域概况 建溪是闽江上游三大溪中最大的溪流，是一个树枝状水系。水系源头在武夷山脉和仙霞岭余脉，南平以上流域面积16396平方公里，占闽江流域的27%。河系贯通崇安、建阳、浦城、松溪、政和、建瓯、南平七个县市。河流总长635.6公里，流域内有大小溪流120多条。流域内气候温和湿润，处于高雨区，年平均降雨量1800～2200毫米。建溪的年均流量每秒521立方米，年径流量164亿立方米，约占闽江总流量的1/3。流域内山区海拔差异明显,因而该水系具有河流比降大、源短流急、易发洪水等特点。本文基于该流域的数字高程提取流域水文信息为不同尺度的水文模型提供参数,并可满足各种水文模拟的应用需求。 2基于DEM的流域水文信息提取 流域水文信息是进行水文模拟的必要信息，提取流域信息也是构建现代化水文模型、进行水文模拟以及其他相关研究的前提。作为研究水文模型和水文状态变量空间分布的基础数据,DEM 的一个重要用途就是提取地貌指数。本文采用ArcGIS中的水文分析模块进行流域水文信息的提取。流域水文特征提取的主要过程包括：DEM 的生成和预处理、水流方向的确定、汇流累积量的计算、河网的提取和子流域的划分。 2.1DEM数据的来源和预处理 本文的栅格DEM数据采用国际科学数据服务平台（https://www.wendangku.net/doc/d56648796.html,/index.jsp）提供的SRTM90米空间分辨率基础高程的数据。根据闽江流域建溪水系的经纬度坐标,确定出该数据的列号为60行号为7。 首先利用ArcGIS软件切出建溪流域所在区域的DEM，其中包括崇安、建阳、浦城、松溪、政和、建瓯、南平七个县市，从而生成本实验所需的DEM数据，见图1。

DEM数据获取方法

一、DEM数据获取方法： 定义：地形图指的是地表起伏形态和地物位置、形状在水平面上的地物和地貌按水平投影的方法，并按照一定的比例缩绘到图纸上，这种图称为地形图。 特点： （1）具有统一的大地坐标系统的高程系统 （2）具有完整的比例尺系列和分幅编号系统：国家基本地形图含1:5千、1:1万、1：2：2.5/1:5万、1:10万、1:25万、1:50万、1:100万8种比例地形图。 缺点： （1）地形图现势性较差：纸质地形图制作工艺复杂，更新周期比较长，一般不及时反映局部地形地貌的变化情况 （2）地形图存储介质单一，容易变形：传统地形图多为纸质存储介质，存放环境（温湿度）导致地形图图幅产生不同程度的变形，这种变形表现在不同方向上的长度变形和图幅面积上的变形 （3）地图精度有限：地图精度决定这地形图对实际地形表达的可信度，与地形图比例尺、等高线密度（由等高距表示），成图方法有关。不同比例尺的地形图，其所表示的几何精度和内容详细程度有很大的差别。 在应用DEM的时候要考虑DEM分辨率、存储格式、数据精度和可信度等因素。 二、DEM数据采样策略与采样方法：

采样：确定在何处需要测量点的过程，这个过程有三个参数。 决定：点的分布、点的密度和点的精度。 1.采样数据的分布：由数据位置和结构（分布）来确定，指数据点的分布形态 位置有地理坐标系统中经纬度或者网格坐标系统中坐标决定。 结构的形式很多，因地形特征、设备、应用的不同而不同。 2.数据的密度：是指采样数据密集程度，与研究区域的地貌类型和地形复杂程度有关。用于刻画地形形态所必须的最少的数据点。 表示方式：相邻的两点之间的距离、单元面积内的点数、截止频率（采样数据所能表示的最高频率）、单位线段上的点数等。 采样距离：相邻两点之间的距离，也称采样间隔。 ·通常数字加单位来表示，如采样距离为20米，表示规格网分布的采样数据 ·另一种表示法是单位面积内的点数，如每平方米500点，描述随机分布的采样数据 ·描述数据分布是沿等高线或特征等线状分布采样点，常用单位线段

ArcGIS Hydrology水文分析-基本原理

ArcGIS Hydrology水文分析功能介绍(1)-基本原理 1.基本原理 DEM是数字高程模型的英文简称(Digital Elevation Mode)，是流域地形、地物识别的重要原始资料。自20世纪60年代以来,在利用数字高程模型DEM提取流域水文特征,模拟地表水文过程方面,国内外都开展了大量的研究。 1.1基于DEM进行流域分析的原理 从DEM提取流域特征，一个良好的流域结构模式是确定算法的前提和关键。1967年ShreveL¨描述的流域结构模式一直被后来的水文学者所引用．并设计了一些成熟的算法。 Shreve使用一个具有一个根的树状图来描述流域结构(如图 1 流域结构模式图所示)。在这个结构中，主要包括两个部分，一部分是结点集，一部分是界线集。沟谷结合点和沟谷源点共同组成一个沟谷结点集。所有的沟谷段组成沟谷段集，形成一个沟谷网络；所有的分水线段组成分水线段集，形成一个分水线网络；沟谷段集和分水线段集共同组成界线集。 沟谷网络中的每一段沟谷都有一个汇流区域，这些区域由流域分水线集来控制。外部沟谷段有一个外部汇流区．而内部沟谷段有两个内部汇水区，分布在内部沟谷段的两侧。整个流域被分割成一个个子流域．每个子流域好象是树状图上的一片“叶子”。 Shreve的树状图流域结构模型是简单明确的．虽然沟谷网络的结点模型和线模型与在栅格DEM中用于表示沟谷结点和沟谷线的栅格点和栅格链之间存在着拓扑不一致性。但它给出了沟谷网络、分水线网络和子汇流区的定义，明确表达了它们之间的相关关系，成为设计流域特征提取技术的基础。

1.2 常用算法 流向判定建立在3×3 的DEM 栅格网的基础上，其方法有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确定简单、应用方便而应用广泛。 1.2.1 单流向法 单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出栅格，然后根据栅格高程判断水流方向。目前应用的单流向法是D8法。此外，还有Rho8 方法、DEMON 法、Lea 法和D∞ 法等。最常用的是D8 法：假设单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8 个栅格中。它用最陡坡度法来确定水流的方向，即在3×3 的DEM 栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间的距离权落差（即栅格中心点落差除以栅格中心点之间的距离），取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格。 所谓最陡坡度法的原理是假设地表不透水，降雨均匀．那么流域单元上的水流总是流向最低的地方“窗口滑动指以计算单元为中心，组合其相邻的若干个单元形成一个窗口”，以“窗口”为计算基本元素，推及整个DEM，求取最终结果。目前应用最广泛的是基于流向分析和汇流分析的流域特征提取技术。Jenson and Domingue (1988)设计了应用该技术的典型算法，该算法包括3个过程：流向分析，汇流分析和流域特征提取。 1) 流向分析：以数值表示每个单元的流向。数字变化范围是1～255。其中1：东；2：东南；4南；8：西南；16：西；32：西北；64：北；128：东北。除上述数值之外的其它值代表流向不确定，这是由DEM中洼地”和“平地”现象所造成的。所谓“洼地”即某个单元的高程值小于任何其所有相邻单元的高程。这种现象是由于当河谷的宽度小于单元的宽度时，由于单元的高程值是其所覆盖地区的平均高程，较低的河谷高度拉低了该单元的高程。这种现象往往出现在流域的上游。“平地指相邻的8个单元具有相同的高程，与测量精度、DEM单元尺寸或该地区地形有关。这两种现象在DEM 中相当普遍，Jenson and Domingue 在流向分析之前，将DEM进行填充；将“洼地”变成“平地”，再通过一套复杂的迭代算法确定“平地”流向。流向分析过程如图所示。 2) 汇流分析：汇流分析的主要目的是确定流路。在流向栅格图的基础上生成汇流栅格图．汇流栅格上每个单元的值代表上游汇流区内流入该单元的栅格点的总数，既汇入该单元的流入路径数(NIP)，NIP较大者，可视为河谷，NlP等于0，则是较高的地方，可能为流域的分水岭。

ArcGIS提取斜坡单元步骤详解要点

斜坡单元 地质灾害危险性区划中常用的单元类型有网格单元、地域单元、均一条件单元、子流域单元、斜坡单元等。其中: 网格单元形状较规则，便于实现快速剖分，离散后得到的矩阵形式的数据有利于进一步运算，但是不能完全反映地势起伏，与地质环境条件联系不够紧密; 均一条件单元没有考虑不同区域的地质环境条件差异; 子流域单元适用于泥石流灾害危险性区划，对滑坡、崩塌等则不适用。斜坡单元是滑坡、崩塌等地质灾害发育的基本单元，并且在各类控制或影响因素中，河流和沟谷的发育阶段对滑坡、崩塌的形成具有明显的控制作用，因此采用基于幼年期沟谷划分的斜坡单元作为评价单元，可以与地质环境条件紧密联系，综合体现各类控制或影响因素的作用，使评价结果更贴近于实际。因此，在满足DEM 精度要求的前提下，斜坡单元划分较适用于地质灾害危险性区划【1】。 斜坡单元划分原理 斜坡单元划分的实质是基于DEM 的地表水文分析，包括正反地形无洼地DEM 的生成、水流方向的提取、汇流累积量的计算、河网的生成、集水流域的生成等关键步骤，其基本原理是利用正反地形分别提取山谷线和山脊线( 分别对应于汇水线和分水线)，把生成的集水流域与反向集水流域融合，再经后期处理人工修改不合理的单元，最终得到的由汇水线与分水线所组成的区域即为斜坡单元。斜坡单元划分流程见图【1】。

ArcGIS划分斜坡单元操作步骤 1、生成无洼地DEM ——原理：DEM 是一种比较光滑的地形表面模型，由于DEM 误差以及一些真实地形的存在，使DEM表面存在一些凹陷的区域，在进行水流方向计算时往往会导致不合理的甚至错误的水流方向，因此计算前应先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。基本过程是: 首先，利用水流方向数据计算出DEM 数据中的洼地区域和洼地深度;其次，依据洼地深度并参考真实地形，确定填充阈值对洼地进行填充; 再次，一次洼地填充完毕后又会产生新的洼地，因此需要重复上述过程，反复填充【1】。 ——操作：填洼

利用ArcGIS水文分析工具提取河网的具体操作

利用ArcGIS水文分析工具提取河网的操作ArcGIS 水文分析工具提取河网 DEM包含有多种信息，ArcToolBox提供了利用DEM提取河网的方法，但是操作比较烦琐（帮助可参看Hydrologic analysis sample applications），今天结合我自己的使用将心得写出来与大家分享。提取河网首先要有栅格DEM，可以利用等高线数据转换获得。在此基础上，要经过洼地填平、水流方向计算、水流积聚计算和河网矢量转化这几个不步骤。 1．洼地填平 DEM洼地（水流积聚地）有真是洼地和数据精度不够高所造成的洼地。洼地填平的主要作用是避免DEM 的精度不够高所产生的（假的）水流积聚地。洼地填平使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Hydrol ogy->Fill工具。 2．水流方向计算 水流方向计算就可以使用上一步所生成的DEM为源数据了（如果使用未经洼地填平处理的数据，可能会造成精度下降）。这里主要使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Flow Direction 工具。输入的DE M采用第一步的Fill1_exam1 3．水流积聚计算 这里主要使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Flow Accumulation工具流向。栅格数据就是第二步所获得的数据（FlowDir_fill1）。可以看到，生成的水流积聚栅格已经可以看到所产生的河网了。现在所需要做的就是把这些河网栅格提取出来。可以把产生的河网的支流的象素值作为阀值来提取河网栅格。

4．提取河网栅格 使用spatial analyst中的栅格计算器，将所有大于河网栅格阀值的象素全部提取出来。至于这个阀值是多少因具体情况而定。通常是要大于积聚计算后得到栅格的最低河流象素值。这里采用的是500这个值。最 后生成只有0、1值的栅格数据。其中1表示是河网，0是非河网。 5．生成河网矢量 这里主要使用ArctoolBox->Spatial Analysis Tools->Stream to Feature工具.Input Stream raster 为第 四步只有0、1值的河网栅格。流向栅格使用第二步所生成的栅格数据。

dem数据使用教程

DEM高程数据 (2013-11-12 15:06:40) 转载▼ 标签： 杂谈 DEM高程数据包括两个部分：ASTER GDEM30米分辨率高程数据和SRTM90米分辨率高程数据。ASTER GDEM数据来源于NASA，数据覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域，时间范围为2000年前后；SRTM数据来源于CIAT，数据覆盖范围为北纬60°至南纬60°之间的所有陆地区域，时间范围为2000年前后。 ASTER GDEM 30米分辨率高程数据 本数据集利用ASTER GDEM第一版本（V1）的数据进行加工得来，是全球空间分辨率为30米的数字高程数据产品。由于云覆盖，边界堆叠产生的直线，坑，隆起，大坝或其他异常等的影响，ASTER GDEM第一版本原始数据局部地区存在异常，所以由ASTER GDEMV1加工的数字高程数据产品存在个别区域的数据异常现象，可以和全球90米分辨率数字高程数据产品互相补充使用。ASTER GDEM数据采用UTM/WGS84投影，数据格式为IMG栅格影像，数据的值域范围为-152-8806米之间，比例尺为1:25万，其垂直精度20米，水平精度30米。 数据命名规则：ASTER GDEM基本的单元按1度X1度分片。每个GDEM数据包有两个文件，一个数据高程文件和一个质量评估（QA）文件。每个文件的命名是根据影像几何中心左下角的经纬度产生。例如，ASTGTM_N29E091代表左下角坐标是北纬29度，东经91度。ASTGTM_N29E091_dem和ASTGTM_N29E091_num对应的分别是高程数据和质量控制数据。 SRTM 90米分辨率高程数据 SRTM（ShuttleRadarTopographyMission）90米分辨率高程数据由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。2000年2月11日，美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统，共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取北纬60度至南纬60度之间总面积超过1.19亿平方公里的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面。SRTM系统获取的雷达影像的数据量约为9.8万亿字节，经过两年多的数据处理，制成了数字地形高程模型（DEM），即现在的SRTM地形产品数据。SRTM因插值算法不同，存在不同版本，本平台发布数据为V4.1版本。 SRTM数据采用WGS84椭球投影，使用16位的数值表示高程数值的（-32767米），空数据用-32726表示。数据格式为IMG栅格影像，数据的值域范围为-12000-9000米之间，水平精度20米，高程精度16米。 SRTM的数据组织方式为：每5度经纬度方格划分一个文件，共分为24行（-60至60度）和72列（-180至180度）。文件命名规则为srtm_XX_YY.zip，XX表示列数（01-72），YY表示行数（01-24）。示意图如下： 高程数据处理方法 第一次使用DEM高程数据的朋友常常遇到这个问题，IMG是压缩包么？怎么不能解压呢？为什么我打开之后数据是灰色的呢？明明是平原地区，为什么显示的高程范围却在-32767-32767之间呢？为什么展示图里是五颜六色的，而我打开的却是灰色影像呢？ 首先IMG不是压缩包，“.img”作为一种栅格影像格式，可以直接在ArcMap、ENVI、ERDAS等遥感软件中打开使用，无需解压。 其次，怎么去除高程影像中的空值（如-32767），让它在一个正常的范围内显示呢？小编这里以TIF格式的DEM高程影像为例（IMG的处理方式同样），一步步带大家来操作。 1. 在ARCMAP里打开一幅DEM高程数据（ADD DATA），可以从左边看到其显示的数据范围是-32767-32726，右侧为灰色影像。 2. 在ArcMap里打开Spatial analyze工具，选择Raster Calculator，设置DEM高程数据值为0并进行计算（点击Evaluate按钮），页面如下：

获取室内模型流域DEM数据的实用方法

获取室内模型流域DEM 数据的实用方法 杨超1　赵军2　高佩玲2 (11中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083;21中国科学院、水利部水土保持研究所,陕西杨凌712100) 收稿日期:2004210216 基金项目:教育部重大项目中国科学院知识创新重要方向项目(KZCX32SW 2422)作者简介:杨超,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀机理及计算机模拟研究。 摘　要　为获得模型流域的高精度DEM 数据,自制了高程测量仪,对6519m 2流域模型进行011m ×011m 网格的逐点测量,获得高程数据,并利用GIS 软件生成模型流域的DEM 。降雨强度100mm/h 和降雨历时40min 条件下,降雨前后DEM 处理后得到的模型流域土壤侵蚀量为4465kg ,相对人工采样误差715%。处理所得DEM 与原模型流域地形特征点数据比较误差为±01005m 。模型流域降雨侵蚀后高程的对比计算结果表明,该测量方法在室内小模型流域的降雨侵蚀定量研究中是可行的。关键词　模型流域;GIS ;地形测量;土壤侵蚀 中图分类号　S 29 文章编号　100724333(2005)0120013203 文献标识码　A Practical method for DEM of a laboratory watershed model Y ang Chao 1,Zhao J un 2,Gao Peiling 2 (11College of Water Conservancy and Civil Engineering ,China Agricultural University ,Beiing 100083,China ; 21I nstitue of Soil and Water Conservation ,Chinese Academy of Sciences ,and M inistry of Water Resources ,Y angling 712100,China ;) Abstract It is well known that it is difficult to get the morphological data for a laboratory watershed model in s oil ero 2sion study by the traditional methods and the RS ,GPS and GI technologies.A practically us eful app aratus was devel 2op ed to quantify the digital elevation of a laboratory watershed model for a 66m 2 watershed with 10by 10cm grids.A GIS s oftware was us ed to generate the DE M of the watershed and the meas ured elevation values were verified with the actual ones at control p oints ,which indicated that the error was less than 5mm.This method can be us ed for geomor 2phologic determination of a watershed and for quantifying the s oil erosion in a rainfall event by comp aring the elevation changes. K ey words watershed model ;GIS ;elevation meas urement ;s oil erosion 目前,流域次降雨侵蚀研究多在野外条件下进 行。由于野外条件复杂,影响因子较多,不利于流域侵蚀与各影响因子之间关系和侵蚀在流域内分布情况的分析;而室内次降雨侵蚀研究多在坡面上进行,反映的是坡面相关因子与侵蚀之间的关系。在室内可控条件下进行模型流域的次降雨侵蚀研究,有利于确定流域侵蚀与各影响因子间的定量关系和侵蚀在流域中的分布情况。 室内模型流域次降雨总侵蚀量通常由流域出口处流量和水流含沙量的测量值换算得到,侵蚀量在流域内的空间分布一般采用REE (稀土元素)法进行分块研究[1],或采用侵蚀针观测法布点研究,但 REE 法受REE 种类的限制分块不可能很小,侵蚀 针在全流域的高密度布设也不现实。野外传统数字化地形测绘法因操作原因[2],不能对模型流域进行非破坏性测量,而目前流行的3S (遥感RS 、全球定位系统GPS 和地理信息系统GIS )技术因运行空间不足而无法对室内小型流域进行测量[3]。进行室内坡面土壤侵蚀研究通常使用的激光微地貌扫描仪,测量宽度限制在1m 内[4],无法满足较大面积模型流域的测量要求。 为获得大面积(6519m 2)模型流域次降雨的侵蚀量和侵蚀分布,本试验用自制高程测量仪(图1)测量模型流域高程数据,结合GIS 技术获取模型流 中国农业大学学报　2005,10(1):13-15Journal of China Agricultural University

DEM高程数据处理教程

DEM高程数据 DEM高程数据包括两个部分：ASTER GDEM30米分辨率高程数据和SRTM90米分辨率高程数据。ASTER GDEM数据来源于NASA，数据覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域，时间范围为2000年前后；SRTM数据来源于CIAT，数据覆盖范围为北纬60°至南纬60°之间的所有陆地区域，时间范围为2000年前后。 ASTER GDEM 30米分辨率高程数据 本数据集利用ASTER GDEM第一版本（V1）的数据进行加工得来，是全球空间分辨率为30 米的数字高程数据产品。由于云覆盖，边界堆叠产生的直线，坑，隆起，大坝或其他异常等的影响，ASTER GDEM第一版本原始数据局部地区存在异常，所以由ASTER GDEMV1加工的数字高程数据产品存在个别区域的数据异常现象，可以和全球90米分辨率数字高程数据产品互相补充使用。ASTER GDEM数据采用UTM/WGS84投影，数据格式为IMG栅格影像，数据的值域范围为-152-8806米之间，比例尺为1:25万，其垂直精度20米，水平精度30米。 数据命名规则：ASTER GDEM基本的单元按1度X1度分片。每个GDEM数据包有两个文件，一个数据高程文件和一个质量评估（QA）文件。每个文件的命名是根据影像几何中心左下角的经纬度产生。例如，ASTGTM_N29E091代表左下角坐标是北纬29度，东经91度。ASTGTM_N29E091_dem和ASTGTM_N29E091_num对应的分别是高程数据和质量控制数据。 SRTM 90米分辨率高程数据 SRTM（ShuttleRadarTopographyMission）90米分辨率高程数据由美国太空总署（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量。2000年2月11日，美国发射的“奋进”号航天飞机上搭载SRTM系统，共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取北纬60度至南纬60度之间总面积超过1.19亿平方公里的雷达影像数据，覆盖地球80%以上的陆地表面。SRTM 系统获取的雷达影像的数据量约为9.8万亿字节，经过两年多的数据处理，制成了数字地形高程模型（DEM），即现在的SRTM地形产品数据。SRTM因插值算法不同，存在不同版本，本平台发布数据为V4.1版本。 SRTM数据采用WGS84椭球投影，使用16位的数值表示高程数值的（+-32767米），空数据用-32726表示。数据格式为IMG栅格影像，数据的值域范围为-12000-9000米之间，水平精度20米，高程精度16米。 SRTM的数据组织方式为：每5度经纬度方格划分一个文件，共分为24行（-60至60度）和72列（-180至180度）。文件命名规则为srtm_XX_YY.zip，XX表示列数（01-72），YY表示行数（01-24）。示意图如下：

Arcgis流域水系提取步骤

网址: 2、拼接DEM图形 喇ArcTocIbox 完成图：（保存为XXfill） 4、流向计算 依次选中 □唏Spatial Analyst Tools 完成图：（保存为XXdir） 5、汇流累积量计算 依次选中3 Q Spatial Analy&tTools 依次选中 I-）尊Ddta Management Tools 完成图：（保存为XXdem） 3、填洼 吕野Spatial Analyst 1 ools 依次选中

完成图：（保存为XXacc） 6、插入控制点 Exce I准备（经纬度以小数形式表示）点击Add Data 右击

选中 Display XY Data J 三 Lasers B H R\KUhlMlNG\KM,xk H 0 选中 Data — Export Data 完成图：（保存为Export_Output ） 7、 设置提取精度 完成图： （保存为XXras ） 8、 提取流域 依次选中 □唏 Spatial Analyst Tools 完成图： （保存为XXwat ） 9、 制作流域掩膜 依次选中 3 Spatial Analy&tTools 完成图： （保存为XXmask ） 10、 河网矢量化 依次选中 E 7 勒匚onversiori Tocls 完成图： （保存为XXline ） 11、 添加流域边界线 0 ■ 3D Analyst Took 右击 SI Sheetl^ 依次选中 E ? Spatial Analyst Took 依次选中

完成图：（保存为XXok） 12、出图 图中只保留Export_Output、XXok和XXIine 点击Layout View 点击Insert 根据需要依次插入Lege nd （图例）、North Arrow （指北针）、Scale Bar （比例尺）等 点击File 点击Export map ，输出为自己需要的文件格式

基于DEM的ArcGIS水文分析—河网和流域的提取

基于DEM的ArcGIS水文分析 —河网和流域的提取 一、实验背景 水文分析是DEM 数据应用的一个重要方面。而利用DEM生成的集水流域和水流网络，成为大多数地表水文分析模型的主要输入数据。表面水文分析模型研究与地表水流有关的各种自然现象例如洪水水位及泛滥情况，划定受污染源影响的地区，预测当某一地区的地貌改变时对整个地区将造成的影响等。 二、实验目的 通过本实验，使读者理解基于DEM数据进行水文分析的基本原理，掌握利用ArcGIS 提供的水文分析工具进行水文分析的基本方法和步骤，并利用DEM数据提取出河网及流域。 三、实验数据 某地区栅格数据DEM，数据来源于随书光盘（…\Chp9\Ex2）。 四、实验要求 根据DEM利用水文分析工具提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络（包括河流网络的分级等）以及对研究区的流域进行分割等。

五、实验流程图 六、实验内容及步骤 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 水流方向的提取 水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定。对于每一格网的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。 流向的生成是个自动的过程，可能要等一段自时间，运算的时间跟电脑性能和DEM图的精度与大小有关.。 方法是利用ArcToolbox\Spatial Analysis Tools\ Hydrology \Flow Direction，生成方向水流流向图：若从DEM中作出来的流向分析的最大数值为128则不需要填洼，否则需要填挖。

DEM数据采集

DEM数据采集 为了建立DEM，必需量测一些点的三维坐标，这就是DEM数据采集或DEM数据获取，被量测三维坐标的这些点称为数据点或参考点。 一、DEM数据点的采集方法 l．地面测量 利用自动记录的测距经纬仪(常称为电子速测经纬仪或全站经纬仪)在野外实测。这种速测经纬仪一般都有微处理器，它可以自动记录与显示有关数据，还能进行多种测站上的计算工作。其记录的数据可以通过串行通讯，输入其它计算机(如PC机)进行处理。 2．现有地图数字化 这是利用数字化仪对已有地图上的信息(如等高线、地性线等)进行数字化的方法。目前常用的数字化仪有手扶跟踪数字化仪与扫描数字化仪。 (1)手扶跟踪数字化仪 将地图平放在数字化仪的台面上，用一个带有十字丝的鼠标，手扶跟踪等高线或其它地形地物符号，按等时间间隔或等距离间隔的数据流模式记录平面坐标，或由人工按键控制平面坐标的记录，高程则需由人工按键输入。其优点是所获取的向量形式的数据在计算机中比较容易处理；缺点是速度慢、人工劳动强度大。 (2)扫描数字化仪 利用平台式扫描仪或滚筒式扫描仪或CCD阵列对地图扫描，获取的是栅格数据，即一组阵列式排列的灰度数据(也就是数字影像)。其优点是速度快又便于自动化，但获取的数据量很大且处理复杂，将栅格数据转换成矢量数据还有许多问题需要研究，要实现完全自动化还需要做很多工作。目前可采用半自动化跟踪的方法，即采用交互式处理，能够由计算机自动跟踪的部分由其自动完成，当出现错误或计算机无法处理的部分由人工进行干预，这样既可以减轻人工劳动强度，又能使处理软件简单易实现。 3．空间传感器 利用GPS(Global Positioning System)、雷达和激光测高仪等进行数据采集。 4，数字摄影测量方法 这是DEM数据点采集最常用的一种方法。利用附有自动记录装置(接口)的立体测图仪或立体坐标仪、解析测图仪及数字摄影测量系统，进行人工、半自动或全自动的量测来获取数据。 二、数字摄影测量的DEM数据采集方式 数字摄影测量是空间数据采集最有效的手段，它具有效率高、劳动强度低等优点。利用计算机辅助系统可进行人工控制的采样，即X，Y，Z三个坐标的控制全部由人工操作；利用解析测图仪或机控方式的机助测图系统可进行人工或半自动控制的采样，其半自动的控制一般是由人工控制高程Z，而由计算机控制平面坐标X，Y的驱动；利用自动化测图系统则是利用计算机立体视觉代替人眼的立体观测。 在人工或半自动方式的数据采集中，数据的记录可分为“点模式”与“流模式”，前者是根据控制信号记录静态量测数据，后者是按一定规律连续性地记录动态的量测数据。 1.沿等高线采样 在地形复杂及陡峭地区，可采用沿等高线跟踪的方式进行数据采集，而在平坦地区，则不易采用沿等高线的采样。沿等高线采样可按等距离间隔记录数据或按等时间间隔记录数据方式进行。当采用后者时，由于在等高线曲率大的地方跟踪速度较慢，因而采集的点较密集，而在等高线较平直的地方跟踪速度较快，采集的点较稀疏，故只要选择恰当的时间间隔，所记录的数据就能很好地描述地形，又不会有太多的数据。

Arcgis水系流域提取步骤

用等高线生成 DEM

水文分析 Hydroloy ③ ①④ ⑤② ⑦ ⑥

1导入原始的 DEM 2 flowdirection 计算流向 3 sink 提取洼地 4分析填充洼地的域值 ①计算洼地贡献区 双击watershed ，将2的结果填入input flow direction raster 中，将3的结果装入input raster or feature pour point 中，output raster 中写watersink(写个好记的名字)。OK 。 ②计算各洼地的贡献区最低高程 选acrtool box\spatial analyst tools \zonal\zonal statistic ，填写如右图

③计算各洼地出水口的高程 选acrtool box\spatial analyst tools \zonal\zonal fill ，填写如右图 ④计算洼地的深度 洼地深度就是填流的域值，计算的方法就是用③减④这种高难的工作还是让软件自已做吧。使用spatial analyst 工具栏忘了在那找吗？在file 、window 附近的空白的地方右键。在出现的对话框里填上图上的东东，点Evaluate 。

5 fill填洼啦！ DEM 6 计算新生成dem图的flowdirection, sink。如果此时没有sink了，做步骤7吧。 如果还有sink，太不幸了，重复步骤2～5吧。 7 Basin 流域盆地

8 Watershed集水流域 ①flow accumulation 看看，很像是河流吧，嘿嘿。要是得到 了漆黑的图，别害怕，去文件管理窗口看看。 ②河网

基于ArcGIS的水文分析功能汇总

1基本原理 DEM是数字高程模型的英文简称(Digital Elevation Mode)，是流域地形、地物识别的重要原始资料。自20世纪60年代以来,在利用数字高程模型DEM提取流域水文特征,模拟地表水文过程方面,国内外都开展了大量的研究。 1.1基于DEM进行流域分析的原理 从DEM提取流域特征，一个良好的流域结构模式是确定算法的前提和关键。1967年ShreveL¨描述的流域结构模式一直被后来的水文学者所引用．并设计了一些成熟的算法。 Shreve使用一个具有一个根的树状图来描述流域结构(如图1所示)。在这个结构中，主要包括两个部分，一部分是结点集，一部分是界线集。沟谷结合点和沟谷源点共同组成一个沟谷结点集。所有的沟谷段组成沟谷段集，形成一个沟谷网络；所有的分水线段组成分水线段集，形成一个分水线网络；沟谷段集和分水线段集共同组成界线集。 图1 流域结构模式图 (a) (b) (c) (f) (d) (e) (g) (h) 沟谷网络中的每一段沟谷都有一个汇流区域，这些区域由流域分水线集来控制。外部沟谷段有一个外部汇流区．而内部沟谷段有两个内部汇水区，分布在内部沟谷段的两侧。整个流域被分割成一个个子流域．每个子流域好象是树状图上的一片“叶子”。 Shreve的树状图流域结构模型是简单明确的．虽然沟谷网络的结点模型和线模型与在栅格DEM中用于表示沟谷结点和沟谷线的栅格点和栅格链之间存在着拓扑不一致性。但它给出了沟谷网络、分水线网络和子汇流区的定义，明确表达了它们之间的相关关系，成为设计流域特征提取技术的基础。

1.2常用算法 流向判定建立在3×3 的DEM 栅格网的基础上，其方法有单流向法和多流向法之分，但单流向法因其确定简单、应用方便而应用广泛。 1.2.1单流向法 单流向法假定一个栅格中的水流只从一个方向流出栅格，然后根据栅格高程判断水流方向。目前应用的单流向法是D8法。此外，还有Rho8 方法、DEMON 法、Lea 法和D∞法等。最常用的是D8 法：假设单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8 个栅格中。它用最陡坡度法来确定水流的方向，即在3×3 的DEM 栅格上，计算中心栅格与各相邻栅格间的距离权落差（即栅格中心点落差除以栅格中心点之间的距离），取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格。 所谓最陡坡度法的原理是假设地表不透水，降雨均匀．那么流域单元上的水流总是流向最低的地方“窗口滑动指以计算单元为中心，组合其相邻的若干个单元形成一个窗口”，以“窗口”为计算基本元素，推及整个DEM，求取最终结果。 目前应用最广泛的是基于流向分析和汇流分析的流域特征提取技术。Jenson and Domingue (1988)设计了应用该技术的典型算法，该算法包括3个过程：流向分析，汇流分析和流域特征提取。 1)流向分析：以数值表示每个单元的流向。数字变化范围是1～255。其中1：东；2：东南；4南；8：西南；16：西；32：西北；64：北；128：东北。除上述数值之外的其它值代表流向不确定，这是由DEM中洼地”和“平地”现象所造成的。所谓“洼地”即某个单元的高程值小于任何其所有相邻单元的高程。这种现象是由于当河谷的宽度小于单元的宽度时，由于单元的高程值是其所覆盖地区的平均高程，较低的河谷高度拉低了该单元的高程。这种现象往往出现在流域的上游。“平地指相邻的8个单元具有相同的高程，与测量精度、DEM单元尺寸或该地区地形有关。这两种现象在DEM 中相当普遍，Jenson and Domingue 在流向分析之前，将DEM进行填充；将“洼地”变成“平地”，再通过一套复杂的迭代算法确定“平地”流向。流向分析过程如图所示。

DEM数据的介绍,获取,处理

DEM网格单元大小的确定 简单方法1 由地形图上的等高线生成DEM时，DEM网格大小的粗略估计: CELL Size = Scale分母/ 纸张分辨率纸张分辨率为300bpi(一般为200bpi)，即一英寸纸张上面可以印刷300条线，以1:5万地形图为例：cell size = 50000/300 (inch) = 4.24 (meter) 方法2 地图比例尺，航空摄影测量、影像分辨率的关系带来的启示航摄规范（GB/T 15661-1995）中规定航摄仪有效使用面积内镜头分辨率“每毫米内不少于25 线对”。根据物镜分辨率和摄影比例尺可以估算出航摄影像上相应的地面分辨率D，即D=M/R。(其中M 为摄影比例尺分母，R 为镜头分辨率。)根据航摄规范中“航摄比例尺的选择”的规定和以上公式，可得下表。 成图比例尺航摄比例尺影像地面分辨率（m） 1：5000 1：10,000～1：20,000 0.4～0.8 1：10,000 1：20,000～1：40,000 0.8～1.6 1：2,5000 1：25,000～1：60,000 1.0～2.4 1：50,000 1：35,000～1：80,000 1.4～3.2 补充：卫星影像分辨率的选择考虑不同比例尺成图对影像分辨率要求和对应规格商用卫星影像产品的稳定货源。 卫星QuickBird-2 IKONOS-2 SPOT-5 SPOT-4 Landsat-7 最高分辩率(m) 0.61 1 2.5 10 15 成图比例尺卫星影像（分辨率） 1：5000～1：10,000 QuickBird(0.61m) IKONOS-2 (1m) 1：25,000 QuickBird-2(0.61m) IKONOS-2 (1m) SPOT-5(2.5m) 1：50,000 SPOT-5(2.5m) DEM生成方法- ANUDEM 模型 水是地貌形成的主要侵蚀因素。ANUDEM (Australian National University Digital Elevation Model) 采用了这一思想，使用地貌与水文数据作为插值约束条件，插值等高线高程。大大减少了DEM中的凹陷数据错误，显著提高了DEM在水文特征方面的质量。插值方法为递归有限元差分插值技术，拟合样条曲面。 ANUDEM插值处理方法： 等高线是最常见的高程信息表达方法，也最难适用各种通用插值方法进行处理，处理要点：(1) 地表曲面形态：等高线->等高线局部最大曲率->坡度最陡区域->山脊线／河流径网->确认输出DEM的水文地貌特征/验证DEM的精确度。 (2) 地表曲面插值：每个网格单元的插值计算，使用临近等值线上的点。 (3) 多分辨率逐级插值：低分辨率DEM->高分辨率DEM->用户定义分辨率DEM。每级分辨率插值操作，水系限制条件都用于DEM凹陷生成的控制，保留下的凹陷会纪录在log文件中 等高线插值的举例(arcinfo: topogrid) Arc: topogrid laodem20 20 TopoGrid: datatype contour TopoGrid: contour laocontour elev TopoGrid: stream laostream TopoGrid: enforce on TopoGrid: end Arc: 其中：laodem20 –输出DEM的文件名