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沟谷密度图制作流程(水蚀荒漠化信息提取)

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沟谷密度图制作流程(水蚀荒漠化信息提取)_第1页
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本文格式为Word版,下载可任意编辑沟谷密度图制作流程(水蚀荒漠化信息提取) 沟谷密度图的制作 研究中使用的沟谷密度图是借助ArcGis 9 的水文分析工具(Hydrology)完成的常规沟谷网络的制作流程主要包括水流方向确实定、凹地填平、汇流累积矩阵的生成以及沟谷网络的生成,沟谷密度的计算 1. 沟谷密度的定义 沟谷密度(gully density) 是指在一个特定的区域内,地表单位面积内沟谷的总长单位为km/km2,数学表达式为:D??L式中:D指沟谷密度;∑L指A特定面积内的沟谷总长 A度;A指研究区域内的特定面积沟谷密度是描述地面切割破碎程度的一个术语一般地面越破碎,地形越起伏多变的地方沟谷密度越大;沟谷密度越大的地方也越轻易形成地表径流,地表径流形成越快,对土壤冲刷越严重因此沟谷密度是地形发育阶段、降水量、地势高差、土壤渗透才能和地表抗蚀才能的重要特征值因此在沟谷根基上提取沟谷密度对水蚀荒漠化的提取有重要的意义 2. 沟谷密度图制作的原理及一般流程 2.1 无凹地DEM的生成 DEM被认为是对比光滑的地形外观的模拟,但是由于内插的理由以及一些真实地形(如喀斯特地貌等)的存在,使得DEM 外观存在着一些凹陷的区域。

研究区域在举行水流方向计算时假设存在凹地,那么会在凹地产生错误的水流方向,因此,水流方向的计算之前应对原始DEM数据举行凹地填平,得到无凹地的DEM 2.1.1 水流方向确实定 在计算水流方向之前需要了解两个概念,距离权落差和水流方向距离权落差是指中心栅格与邻域栅格的高程差除以两栅格间的距离,栅格间的距离与方向有关,假设邻域栅格对中心栅格的方向值为2、8、32、128,那么栅格间的距离为2的开平方根,否那么距离为1水流方向编码为2的幂值,如图1 所示假设中心栅格的水流流向左边,那么其水流方向编码值为16 图1 水流方向编码图 水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向在ArcGIS中水流方向采用D8算法,又称最大距离权落差法(最大坡降法)所谓最大距离权落差法的原理是假设地表不透水,降雨平匀.那么流域单元上的水流总是流向最低的地方假设单个栅格中的水流只能流入与之相邻的8 个栅格中,用最大距离权落差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,取距离权落差最大的栅格为中心栅格的流出栅格,然后将中心栅格的8个邻域栅格编码,那么中心栅格的水流方向便可以其中的某一值来确定。

图2 所示为水流方向的分析示意图 图2 流向分析示意图 2.1.2 凹地计算和填充 所谓“凹地”即某个单元的高程值小于任何其全体相邻单元的高程,也是水流方向不合理的地方,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笼罩地区的平均高程,较低的河谷高度拉低了该单元的高程,往往展现在流域的上游可以通过水流方向来判断那些地方是凹地,然后再对凹地举行填充需要说明的是,并不是全体的凹地区域都是由于数据的误差造成的,有好多凹地区域也是地表形态的真实反映,因此,在举行凹地填充之前,务必计算凹地深度,判断哪些地区是由于数据误差造成的凹地而哪些地区又是真实的地表形态,然后在举行凹地填充的过程中,设置合理的填充阈值 2.2 汇流累积值计算 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由水流方向数据到汇流累积量计算的过程如图3 所示汇流分析的主要目的是确定流路汇流累积值较大者,可视为河谷;汇流累计值较小者,那么是较高的地方。

图3 汇流分析示意图 2.3 栅格沟谷网络的提取 目前常用的汇流网络提取方法是采用地表径流漫流模型:首先是在无凹地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那么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那么代表 着该栅格的水流量基于上述思想,当汇流量达成确定值的时候,就会产生地表水流,那么全体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,就是汇流网络虽然汇流网络和沟谷网络两个概念并不一致,如沟谷发育的地方不确定就有汇流发育,但是汇流发育的地方确定也是沟谷发育的地方,从这个意义上讲,可以使用汇流网络代替沟谷网络举行分析 阈值的设定在沟谷网络的提取过程是很重要的,并且直接影响到沟谷的提取结果阈值的设定应遵循科学、合理的原那么首先理应考虑到研究的对象,研究对象中的沟谷的最小级别,不同级别的沟谷所对应的不同的阈值;其次考虑到研究区域的状况,不同的研究区域一致级别的沟谷需要的阈值也是不同的。

所以,在设定阈值时,应充分对研究区域和研究对象举行分析,通过不断的测验和利用现有地形图等其它数据辅佐检验的方法来确定能得志研究需要并且符合研究区域地形地貌条件的适合的阈值 利用ArcMap中的Spatial Analysis分析模块下的Raster Calculator来计算出全体大于设定阈值的栅格,那么些栅格就是沟谷网络的潜在位置至此完成了沟谷网络的提取,总的流程如图4 所示 图4 沟谷网络提取流程图 2.4 沟谷密度的计算 在计算沟谷密度之前首先需要将栅格沟谷网络举行矢量化在ArcGIS的hydrology工具集中通过stream to feature或者是Spatial Analyst工具集中的Raster Calulate就可以得到矢量形式的沟谷网络图接着使用Spatial Analyst工具集中的Density计算就可以得到沟谷密度分布图 3. 黄土高原沟谷密度图的制作流程 黄土高原研究区的地理坐标范围为38°15′N~39°17′N,110°37′E~112°13′E,研究区总面积为21 882.49 km2海拔最高约为2 781m,最低为730m,平均海拔为1 370m。

研究区的西部为黄土高原丘陵沟壑区,其侵蚀切割严重,沟谷系统分外发育制作沟谷密度图使用的DEM数据为3秒90m辨识率的SRTM数据,得志1:250 000水蚀荒漠化信息提取精度的要求为了将此处生成的沟谷密度数据作为一个特征波段参与到以后的水蚀荒漠化信息的分级过程中,此处将DEM数据的辨识率重采样成28.5m,同样沟谷密度数据的辨识率也为28.5m 黄土高原研究区沟谷密度图的制作同样包括凹地填平、水流方向确实定、汇流累积矩阵的生成以及沟谷网络的生成,沟谷密度的计算等过程,概括流程如下: 3.1. 无凹地DEM的快速生成 在无凹地DEM的快速生成过程中,凹地的填平使用系统默认处境不设阈值,也就是全体的凹地区域都将被填平 启动ArcGIS的ArcToolbox,开展Spatial Analyst Tools工具箱,开启Hydrology工具集开启Fill计算对话框,选择原始DEM数据作为Input surface raster,指定输出数据名称Output surface raster为demfill 3.2. 栅格沟谷网络的提取 基于无凹地DEM的水流方向的计算:双击Hydrology工具集中的Flow Direction工具,开启Flow Direction计算对话框。

选择经过凹地填平的DEM数据作为Input surface raster,指定输出数据Output Flow Direction raster名称为flowdir 基于无凹地DEM的汇流累积数据的计算:双击Hydrology工具集中的Flow Accumulation工具,开启Flow Accumulation计算对话框选择上一步生成的水流方向数据flowdir作为Input flow direction raster,指定输出数据Output accumulation raster名称为flowacc 栅格沟谷网络的生成:双击Hydrology工具集中的Raster Calculate(工具栏右键——> spatial analyst里)工具,设置汇流累积阈值以便生成栅格沟谷网络由于黄土高原地区侵蚀切割猛烈,沟谷系统分外发育;另外根据汇流发育的地方确定也是沟谷发育的地方,但沟谷发育的地方不确定就有汇流发育,可知沟谷数据的分布确定比汇流数据更为密集所以在这里将Flowacc > 20的赋值为1,即潜在沟谷数据,这样就得到了栅格汇流网络数据输入公式Flowacc > 20即可)。

3.3. 栅格沟谷网络矢量化 双击Conversion Tools工具集中的From Raster/Raster to Polyline工具,开启raster to polyline对话框选择上一步生成的gullynet数据作为input raster,指定矢量输出数据Output polyline features名称为gullynet(此为.shp文件) 3.4. 沟谷密度计算 双击Density工具集中的Line Density工具,开启line density对话框选择上一步生成的矢量文件gullynet作为Input polyline features,指定输出数据Output raster名称为linedensity,指定输出数据辨识率Output cell size为28.5m,计算半径Search radius为800m 3.5. 使用掩模技术删除伪沟谷 由于基于DEM的汇流网络的提取是基于最大坡降的方法,在平地区域(如谷底,湖泊等地方)的水流方向是随机的,轻易生成平行状汇流,这种由平行状汇流生成的沟谷即是伪沟谷,需要剔除掉本次研究在使用decision tree 提取水蚀荒漠化信息时已经将非水蚀信息(河流、湖泊、耕地等)包括伪沟谷信息去除掉,所以在结果对沟谷密度图举行一个掩模运算便可以把伪沟谷信息去除掉,而剩余区域的沟谷密度是可以作为一个指标参与到后面的水蚀荒漠化信息分类中。

至此黄土高原研究区的沟谷密度图制作完成整个流程生成的结果如图5 所示 无凹地DEM水流方向数据Flowdir汇流累积数据Flowacc 掩模去除伪沟谷后的沟谷密度数据沟谷密度数据gullynet图5 黄土高原研究区沟谷密度图制作流程图 沟谷网络数据gullynet — 8 —。

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