沟谷密度图制作流程（水蚀荒漠化信息提取）(7页).docVIP

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的确定、洼地填平、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。 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。单位km/km2，数学表达式为。式中：D指沟谷密度；∑L指A特定面积内的沟谷；A指研究区域内的特定面积。沟谷密度地面越破碎，地形越起伏多变；沟谷密度越大，地表径流形成越，对土壤冲刷越严重。沟谷密度是地形发育阶DEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插的原因以及一些真实地形（如喀斯特地貌等）的存在，使得DEM 表面存在着一些凹陷的区域。研究区域在进行水流方向计算时如果存在洼地，则会在洼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数据进行洼地填平，得到无洼地的DEM。 水流方向的确定 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，如果邻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2的开平方根，否则距离为1。水流方向编码为2的幂值，如图1 所示。如果中心栅格的水流流向左边，则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，降雨均匀．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，则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 洼地计算和填充 所谓“洼地”即某个单元的高程值小于任何其所有相邻单元的高程，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覆盖地区的平均高程，较低的河谷高度拉低了该单元的高程，往往出现在流域的上游。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。需要说明的是，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。 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，则是较高的地方。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，就是汇流网络。虽然汇流网络和沟谷网络两个概念并不相同，如沟谷发育的地方不一定就有汇流发育，但是汇流发育的地方一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进行分析。 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、合理的原则。首先应该考虑到研究的对象，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，不同的研究区域相同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进行分析，通过不断的实验和利用现有地形图等其它数据辅助检验的方法来确定能满足研究需要并且符合研究区域地形地貌条件的合适的阈值。 利用ArcMap中的Spatial Analysis分析模块下的Raster Calculator来计算出所有大于设定阈值的栅格，些栅格就是位置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