ArcGIS使用DEM数据划定汇水区具体步骤过程
ArcGIS使用DEM数据划定汇水区具体步骤过程
本文详细介绍了使用ArcGIS软件进行水文分析，特别是基于DEM数据划定汇水区的具体步骤。文章内容包括前言、实验数据说明、操作步骤简要概括、具体操作步骤和总结等部分。文章结构清晰，步骤详尽，配有相关图片说明，具有较高的实用性和参考价值。
1 前言
本文主要记录了使用ArcGIS水文分析过程划分基于地形的集水区过程，主要参照了李远祥专家有关于水文分析的博客内容。经过初步的成功实验后，特记录了整个步骤流程。
在今天（2024.02.04）偶然发现了一个数据集（HydroSheds），该数据集包括了海拔、流向和流量累积等网格地图，以及由这些派生的次级矢量地图产品，如：具有属性信息的集水区、河流和湖泊。（这是官网的说明，我没有具体使用过。）
1.1 实验数据
DEM数据：等高线数据或DEM数据，本人利用的是来自地理空间数据云的30米DEM数据。对于等高线数据，也可以参照李远祥专家在ArcGIS水文分析实战教程(3)DEM数据准备中所述方法进行DEM数据预处理。
研究区边界：本文所用到的研究区边界下载自阿里云平台，并使用mapshaper生成带空间属性的区域边界。
实验设备：操作软件为 ArcGIS 10.8.1
1.2 操作步骤简要概括
- 按研究区边界裁剪DEM
- 流向初提取
- 寻找汇
- 计算Z值限制
- 精确填洼
- 流向分析
- 流量统计
- 利用条件函数进行流量划分
- 河流分级
- 河流链接
- 栅格河网矢量化
- 绘制倾泻点
- 栅格流域提取
- 栅格流域转矢量面要素
2 具体操作步骤
2.1 按研究区边界裁剪DEM
网上有诸多教程，此步骤省略
2.2 流向初提取
输入裁剪后的DEM数据，输出流向数据，并且命名为FlowDir_0
从流向提取结果中发现其栅格值是一组连续值，即不符合D8算法，因此可确定该DEM中存在汇。
2.3 寻找汇
输入流向数据FlowDir_0，输出汇栅格，并命名为Sink_FlowDir0
2.4 计算Z值限制
(1) 使用【分水岭】(即【集水区】)工具为每个汇创建汇流区域栅格
输入流向数据FlowDir_0、汇点数据Sink_FlowDir0，输出汇流区域栅格，并命名为Watersh_Sink0
(2) 使用【分区统计】在每个汇的分水岭中创建最小高程的栅格
输入汇流区域栅格Watersh_Sink0、区域字段为VALUE、裁剪后的DEM数据、统计类型为MINIMUM，输出每个汇分水岭的最小高程栅格，并命名为sink_min
(3) 使用【区域填充】在每个汇的分水岭中创建最大高程的栅格
输入汇流区域栅格Watersh_Sink0、裁剪后的DEM数据、输出每个汇分水岭的最大高程栅格，并命名为sink_max
(4) 使用【栅格计算器】计算Z值
输入“sink_max” - “sink_min”，输出Z值，并命名为Z
计算完成后可得到一组Z值如下：
其中，最小值为0，最大值为8
2.5 精确填洼
使用【填洼】工具，输入原始裁剪后的DEM，Z值取为上一步骤计算结果中的最大值(8)，并进行加1（即为9）；
输出填洼后的DEM，并命名为dem_fill
2.6 流向分析
输入填洼后的DEM数据dem_fill，输出流向数据，并且命名为FlowDir_1
如果填洼成功，则此处的流向计算结果应该是一组关于2的0到7次幂的离散值，即：
(1) 否则即填洼失败，需要再次重复步骤2~步骤5，其中DEM数据使用上一次填洼后的DEM数据即dem_fill；
(2) 本文也是进行了1次重复寻找汇以及计算Z值，最终才输出无洼DEM (dem_fill_1)
2.7 流量统计
输入流向数据FlowDir_1，输出流量栅格数据，并命名为FlowAcc
2.8 利用条件函数进行流量划分
流量划分的目的是确定地标径流能汇聚成河流的最小蓄积栅格，以R表示；其中R值的确定公式为：
R = W / ( X × Y )，其中
W，为划分的集水区的汇水面积；
X、Y为DEM的最小单元格尺寸，如我这里用的说是30米分辨率的DEM，则X、Y都为30
操作为：
使用【条件函数】工具，输入流量数据FlowAcc，表达式为VALUE>=R，条件为true时选择流量数据FlowAcc，输出筛选栅格，并命名Con_1000
在本例中，取划分的集水区的汇水面积为0.9㎞²，(即900000m²)，则取R=1000
若划分的汇水面积过小，即R，对于小研究区域来说，则提取到的河网数据少，从而使得研究意义降低，因此要选取恰当的R值
2.9 河网分级
输入流量划分后的结果Con_1000，以及流向栅格数据FlowDir_2，输出河网分级结果StreamO_1000
2.10 河流链接
输入流量划分后的结果Con_1000，以及流量栅格数据FlowDir_2，输出河流链接结果StreamL_1000
2.11 栅格河网矢量化
(1) 使用【栅格河网矢量化】工具对分级后的河网进行矢量化操作；
输入分级后和河流数据StreamO_1000、流量数据FlowDir_2，输出河网折线要素，并命名StreamT_Con_1000.shp
(2) 打开矢量化结果StreamT_Con_1000.shp的图层属性，选择符号系统——数量——分级色彩，其中字段值选项选择‘grid_code’，色带可自行选择，其他项为默认值
(3) 在标注选项卡中进行如下相应设置
(4) 生成河流的数字化方向
从目录中再次选择矢量化结果加入操作图层中，并对该线要素进行符号设置：
以上步骤操作结果如下：
2.12 绘制倾泻点
使用【要素折点转点】工具来捕捉其线段的终点，即倾泻点的位置；
该工具位于【数据管理】–【要素】–【要素折点转点】；
输入要素为矢量河网数据StreamT_Con_1000，点类型为END，数据输出记作FeatureVert_1000.shp
2.13 栅格流域提取
选择【集水区】工具，输入流向栅格数据FlowDir_2、河流链接数据StreamL_1000，倾泻点字段值VALUE，输出流域栅格watersh_1000
2.14 栅格流域转矢量面要素
使用【栅格转面】工具，（【转换工具】→【由栅格转出】→【栅格转面】），将流域栅格转矢量面要素。
输入流域栅格数据watersh_1000、字段值选择VALUE，输出流域矢量面数据，记作RasterT_1000.shp
对矢量化结果进行相关显示处理
最终结果为：
3 总结
在流量划分中，最小蓄积栅格R的确定影响着最终的集水区划分结果，本实验做了4组不同的比较，其结果如下：
(1) R值选取为100时：
(2) R值选取为500时：
(3) R值选取为1000时：
(4) 不进行流量划分，即河网分级、河流链接使用原始流量统计结果时：
由以上结果可知，是否进行流量划分，以及R值选取的大小都影响着最终结果。