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基于数字高程模型的地表水文分析摘要:地表水文分析应用于与地表水流有关的诸多领域,对地球表面形状的理解也具有十分重要的意义。利用 ArcGIS 的水文分析工具,建立地表水的运动模型, 辅助分析地表水流从哪里来产生及要流向何处,再现水流的流动过程,有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本概念和关键的过程。关键词: DEM ;无洼地 DEM; 单流向模型;汇流积累量;河网;径流强度指数; 地形湿度指数从数字高程模型生成的集水流域和水流网格数据,是大部分地表水文分析模型的主要输入数据。地表水文分析模型用于研究与地表有关的各种自然现象如洪水水位及泛滥情况,或者划定受污染源影响的地区以及预测当改变某一地区的地貌对整个地区将造成的后果等。 1 水文分析计算的步骤 洼地填平由于数据噪声、内插方法的影响, DEM 数据中通常包含了一些“洼地”。有些洼地是在 DEM 生成过程中带来的数据错误,有些则表示真实的地形,如采石场或岩洞等。“洼地”将导致流域水流不畅不能形成完整的流域网络,因此在利用模型法进行流域地形分析时,要首先对 DEM 数据中的洼地进行处理。去除洼地最常用的方法是对 DEM 做平滑处理,然后在填充。其方法是利用一个小窗口在整个 DEM 上进行遍历。首先判断窗口中心点是否比四周口的高程都低,如果低,即认为这个点是洼地点。若是洼地点,则将洼地点的高程值改为它4个方向中高程的最小值。洼地填平,即无洼地的 DEM 生成。双击打开 ArcToolbox\Spatial Analysis Tools\ Hydrology \Fill 操作对话框。选择要进行填充的 DEM 图层,确定输出文件的名称及路径并确定,如下图所示: 流向计算水流方向的计算是水文分析的关键步骤,用它来进一步确定汇水面积、水流长度、汇水流域等重要的水文参数。水流方向编码如下图所示。 32 64 128 161 842 水流的流向是通过计算中心栅格和领域栅格的最大距离权落差来确定的。距离权落差是指中心栅格和领域栅格的高程差除以两栅格间距离,栅格间的距离与方向有关, 如果领域栅格对中心栅格的方向值为 2、8、 32、 128 , 则栅格间的距离为 ,否则距离为 1。如果高程差为正值,则为流出;为负值则为流入。流向计算,即无洼地的流向分析。利用 ArcToolbox\Spatial Analysis Tools\ Hydrology \ Flow Direction 工具箱对 Fill_ dem 进行处理, 得到无洼地的水流方向的栅格文件 f low d ir_ fi ll,如下图所示: 汇流累积量的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而来的。对每一栅格来说,其汇流累积量的大小代表着其上流有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格,汇流累积的数值越大,该区域越容易形成地表径流。汇水面积为汇流累积量乘以每一个像元的面积。利用 ArcToolbox\Spatial Analysis Tools\ Hydrology \Flow Accumulation 工具箱对 flow dir_ fill 进行处理,得到汇流积累量文件 flow acc_f low 。如下图所示: 河网的生成基于地表径流漫流模型,当汇流累积量达到一定值的时候,就会产生地表径流