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ArcGIS Hydrology水文分析功能介绍

作者:flyingme    文章来源:flyingme    点击数:    更新时间:2009-12-21
摘要: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。

ArcGIS提供的水文分析模块主要用来建立地表水的运动模型,辅助分析地表水流从哪里产生以及要流向何处,再现水流的流动过程。同时,通过水文分析工具的应用,也可以有助于了解排水系统和地表水流过程的一些基本的概念和关键的过程,以及怎样通过ArcGIS水文分析工具从DEM数据上获取更多的水文信息。
1) Flow Direction:水流方向提取,ArcGIS中采用D8单流向法来进行水流方向分析。
2) Sink: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那些地方是洼地,然后再对洼地进行填充。有一点必须清楚的是,并不是所有的洼地区域都是由于数据的误差造成的,有很多洼地区域也是地表形态的真实反映,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洼地而哪些地区又是真实的地表形态,然后在进行洼地填充的过程中,设置合理的填充阈值。
3) Fill:洼地填充。
4) Flow Accumulation:汇流分析。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。对每一个栅格来说,其汇流累积量的大小代表着其上游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,该区域越易形成地表径流。
5) Flow Length:水流长度。水流长度通常是指在地面上一点沿水流方向到其流向起点(终点)间的最大地面距离在水平面上的投影长度。
水流长度是水土保持上的重要因子之一,当其他条件相同时,水力侵蚀的强度依据坡的长度来决定,坡面越长,汇聚的流量越大,其侵蚀力就越强,水流长度直接影响地面径流的速度,从而影响对地面土壤的侵蚀力。因此,对于水流长度的提取和分析,在水土保持工作中有很重要的作用。
目前水流长度的提取方式主要有两种,一种是顺流计算(DOWNSTREAM),一种是溯流(UPSTREAM)计算。顺流计算是计算地面上每一点沿水流方向到该点所在流域出水口最大地面距离的水平投影;溯流计算者是计算地面上每一点沿水流方向到其流向起点间的最大地面距离的水平投影。
6) Map Algebra:利用地图代数来进行河网提取。
目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算:首先是在无洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一个栅格的水流方向;然后利用水流方向栅格数据计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数,即汇流累积量,所得到的汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格;假设每一个栅格处携带一份水流,那么栅格的汇流累积量则代表着该栅格的水流量。基于上述思想,当汇流量达到一定值的时候,就会产生地表水流,那么所有那些汇流量大于那个临界数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。
7) Stream Order:河网分级。
8) Basin:流域分割工具。
9) Watershed:流域分割工具。
  

3.1 ArcHydro背景介绍
Arc Hydro数据模型是把GIS和水文地理领域知识相结合的水文地理数据模型,由ESRI联合得克萨斯大学的水资源研究中心(Center for Research in Water Resources,CRWR)从1999年开始设计 。
2000年6月,在圣地亚哥举行的第20届年度同际GIS用户大会的水文GIS预备会议上,CRWR的主管David R.Maidment 博士提出了ArcGISHydro Data Model的模型及文档的草稿,模型的整体设计于2002年完成。
在2003年ESRI公司召开的第23届年度国际GIS用户大会上,David R,Maidment博士因此被授予终身成就奖。
3.2 Arc Hydro数据模型
ArcHydro数据模型包括五个部分 :Drainage (汇流 ) 、Hydrography(水文地形) 、Channel(河道)、Network(水文网络)和TimeSeries(时间序列)。依据Arc Hydro数据模型建立的地理空间数据库的主要结构如图所示。
 
3.2.1 Drainage  汇流区
Drainage是汇流区要素数据集模型,表达南地形地貌定义的河谷线、分水线、汇流区等水文地理几何特征。
1) Basin:地理数据库数据管理的边界范围,可根据管理的需要,由几个不同的行政流域范围组成,一般用流域内的主河流来命名,例如长江流域。
2) Watershed:根据特定的水文法则得到的流域子集,通常是汇流到河网上某一点、某一河段或者水体的区域,如长江流域可分为长江上游、中下游、汉江等子流域。
3) Catchment:根据流域的河谷线、分水线等自然地形按照一定的规则来划分的汇流区。
4) DrainageLine,DrainagePoint是DEM提取划分的汇流区的出水口所在的网格单元中心点。
5) DrainageLine是DEM提取划分的流径经过的DEM网格单元的中心点连成的线。
3.2.2 Hydrography 水文地形
Hydrography是水文地形要素数据集模型,表达地表水系及其附属建筑物的底图信息。
1) HydroPoint表示井、泉等;
2) HydroLine表示水系线之外的其他线要素,如境界线等。
3) Waterbody要素指湖泊、海湾或者河口湾等。
4) HydroArea要素表示Waterbody之外的其他面要素,如沼泽地、洪水淹没区等。
5) 其他点要素有Dam(坝)、Bridge(桥)、Structure(附属建筑物)、MonitoringPoint(测量径流量、降雨量、水质等的监测站)、WaterWithdrawal(入水口)、WaterDischarge(出水口)。
6) 自定义的点(如河流与地下蓄水层的交点)。
7) HydroResponseUnit面要素类是用来计算地表水平衡的单元,一般由规则的图幅表示,用来计算单元面积内地表降水的径流量、蒸发量或渗透量。
3.2.3 Network 网络
Network是水文网络要素数据集模型,表达河流的总体信息和地表水流动的连通性。
1) HydroNetwork: Network的主要要素类是几何网络,由溪流、河流及面状水体的中心线构成,包括复杂边要素HydmEdge(水文界线)和点要素HydroJunction(水文结点)。
2) HydmEdge:由流域界线或水文边界(河流、圩区等)构成,
3) HydroJunction:由用户在网络上定义的点,如汇流点。
4) SchematicLink和SchematicNode要素类,这两个要素类没有实际的几何坐标值,用来储存网络的相关性和一些属性,是一个示意性网络,与HydroNetwork点或线关联的表格信息被存储在HydroEvents字段中。
5) 水文网络的HydroJunction与Watershed、Monitoring、point、Waterbody之间的关系由不同的关系类来表达,由HydroJunction拥有惟一的标识码HydroID来与其他要素的JunctionID字段关联建立关系。
3.2.4 Channel 河道
Channel是河道要素数据集模型,表达河流的3维形态,用于分析河流水力学特性的细部特征,研究洪水、河流生态和形态学,包括横断面、轮廓线、洪水淹没线和3维信息等。
1) ProfileLine是沿河流流向的纵剖面线,如河道深泓线、河岸线、洪水淹没线。
2) CrossSections是垂直于河流流向的剖面。河道信启、通过野外测量技术收集,或者从以TIN或DEM形式的DTM提取。
3) CrossSectionPoint对象类存储横剖面点数据。关系类CrossSectionHasPoint在CrossSection 和CrossSectionPoint间建立关联 ,当只有一个横剖面表现剖面位置时,几个横剖面点用来描述河道的几何特征。
3.2.5 TimeSeries 时间序列
水文现象随着时间、气候而改变,Arc Hydro定义了时序数据模型TimeSeries,来存储监测站和其他设施定期观测的数据,如水位、径流量和水质等。
1) TimeSeries表可以记录同一时刻一个或多个监测站的数据,监测站也可以拥有任何数量的时间序列数据。
2) TimeSeries与监测站(点要素类Monitori.gPoint)通过FeatureID/HydroID来连接,用天系类Monit0ringPointHastimeSeries实现某空间范围内监测站在某时间序列内的测量记录查询。

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Tags:ArcGIS,Hydrology,水文分析  
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