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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

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

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

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）

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

模拟结果：

【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

【思考2】降雨带从南向北移动
【结果】

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