ArcGIS水文分析实战教程（6）河流提取与河网分级

本章导读：ArcGIS水文分析模块提供了3个工具用作河网提取。GIS和测绘专业人员无法理解，用作水文分析连DEM数据都能拿到了（精度较高的DEM数据在我国都属于涉密数据），难道就没法拿到精度较低的线状河流数据？利用DEM数据来生成河流网络，除了一定的工作量之外，结果还可能不如实测的河流精度高，这样做有点多此一举了。笔者认为这恰好反映出行业的差距。水文分析更多的是关心河流的链接关系，河流与流域之间的关系，而非精确的图形和空间位置。本章内容在操作上属于简单类型，笔者会更多的从水文分析角度去解释分析结果。 BY 李远祥

ArcGIS水文分析工具箱提供了【河流链接】、【河网分级】、【栅格河流矢量化】3个工具用作河流提取和分级定义。如下图所示

河流提取的全过程为 创建无凹陷点DEM–>流向分析–>流量统计–>定义地表最小的地表径流–>河流链接–>栅格河流矢量化 。

在上一章中讲到的针对流量栅格进行了条件函数的定义，河网的形状大概就出来了。但这个数据表达的只是一系列大于一定蓄积栅格的像元点，原则上它也只是离散点，尽管看起来像连续的河流。如下图

可以从图例中看到这个结果的像元值范围从10000-309111 . 【河网链接】工具就是利用统计后的栅格数据与流向数据，连接一个像元点，利用流向判断出不同的河流，并把像元点连接成线。说白了就是将像元点串起来并做了不同线段的划分。下图是河流链接的示意图

这个示意图是从ArcGIS软件中截取出来的，一般的水文从业都能看懂，但这个图不够专业，显然是出自于程序员之手。笔者在第二章《ArcGIS水文分析实战教程（2）ArcGIS水文分析工具的基本原理》曾经引用过相关的示意图，下图就是水文学上常见的河流链

从两张图对比可见，水文学上的分类要比ArcGIS上的更加细致，光是链接便分为外链和内链，没有河流汇入的链接是外链，有其他水系汇入的河流为内链；交互点也分为河源、节点和出口，分别对应外链的起点、内链的起点、树状河网的最低点。

这么说来，是不是说ArcGIS软件的河网链接就不够专业呢？其实并不是这样的！因为在水文学上链接是为了反映出河流之间的关系，最终是为河流分级服务的。而ArcGIS还提供了河流分级工具，很好的对应水文分析的要求。
【河流链接】分析需要的是执行过条件函数后的流量统计栅格，也就是说筛选过流量的栅格数据，并且需要流向栅格进行参考。如下图

从分析结果可以看到，链接之后离散的像元会被串联起来，形成独立的河流。如下图所示，河网已经被串联成27条河流，但仍然使用栅格的形式表示。

如果不关注河流的分级，只用作河流线体的提取（测绘专业的人就喜欢这么干），直接使用【栅格河网矢量化】工具进行矢量河流数据的生成。如下图

这里要求的【河流栅格数据】，最低限度就是执行过河流链接的结果，当然也可以是【河流分级】之后的结果。

下图是生成的矢量河流结果

矢量河流会生成一些特殊的字段作为标记，例如arcid字段，记录的是元素网格的id，grid_code记录的是河流的唯一Id，因为在河网链接的时候已经对蓄积像元进行了计算，并确定了栅格河流，而from_node和to_node就是记录河段从哪个流量栅格流向下一个流量栅格。所以，如果将grid_code相同的河段全部选择，那它就是一个完整的链接（有可能是外链也有可能是内链）

如果不考虑分级的情况生成唯一的河流，那么可以使用【融合】工具对上面的矢量河流线要素进行融合，如下图设置

最终结果就是合并为原来的27条河流，如下图

GIS对栅格计算的支持远没有对矢量数据的多，所以大多数情况下都需要将栅格数据转换为矢量数据进行分析。虽然ArcGIS提供了栅格转矢量的工具，如【栅格转线】、【栅格转面】等。但作为水文分析的话，在栅格河流转换为矢量河流时，远没有使用【栅格河流矢量化】效果那么好。
从下面这张图可以看出【栅格河流矢量化】的特点

利用分级后的河网可以做什么？最直接的方式就是绘制河流的分级显示图。利用grid_code作为标注显示等级，使用【唯一值渲染】用不同大小的符号显示河流，这样就可以很直观的反应出河网关系。下图是使用斯持拉勒分级的河网分级图

如果还需要特殊的表达和分析，后期还可以制作河网的逻辑示意图，笔者会在后续的章节中介绍河网的逻辑示意图。
除此之外，还可以通过河网生成河口出水口。这个非常简单，因为矢量河流已经生成好了，而且是带数字化方向的。

数字化方向指的是线图形在生成的时候从起点到终点的方向。
河网中的每一条河流其流向都是与数字化方向相同的。如果使用箭头符号去表示其流向，可以很直观的看出来。如下图设置

然后将河网叠加两次，进行观察，通过其树状结构可以对比数字化方向与流向的关系

正式因为有这一规则，那么就可以使用【要素折点转点】工具来捕捉其线段的终点，那这个终点就是河口的位置了。这个工具在【数据管理】–【要素】–【要素折点转点】，执行时点类型选择【end】，如下图所示

这样提取出来的就是河口的位置。这个点在水文分析中又称之为“出水口”或“倾泻点”。如下图所示：

这就是提取流域面的时候一个非常重的参数了。

河流提取与河网分级就软件操作层面是相对简答的，结合ArcGIS其他的一些分析工具，可以计算出更多的水文因子。本章还没有涉及到河网分级后如何进行更多的水文分析，河网分级属于水文分析的前提准备。只有涉及到流量监测（水文学上的流量监测）和洪峰计算时，通过其分级结合数学模型可以去推算洪峰来临时间。