ArcGIS提取斜坡单元步骤详解

斜坡单元 地质灾害危险性区划中常用的单元类型有网格单元、地域单元、均一条件单元、子流域单元、斜坡单元等。其中: 网格单元形状较规则，便于实现快速剖分，离散后得到的矩阵形式的数据有利于进一步运算，但是不能完全反映地势起伏，与地质环境条件联系不够紧密; 均一条件单元没有考虑不同区域的地质环境条件差异; 子流域单元适用于泥石流灾害危险性区划，对滑坡、崩塌等则不适用。斜坡单元是滑坡、崩塌等地质灾害发育的基本单元，并且在各类控制或影响因素中，河流和沟谷的发育阶段对滑坡、崩塌的形成具有明显的控制作用，因此采用基于幼年期沟谷划分的斜坡单元作为评价单元，可以与地质环境条件紧密联系，综合体现各类控制或影响因素的作用，使评价结果更贴近于实际。因此，在满足DEM 精度要求的前提下，斜坡单元划分较适用于地质灾害危险性区划【1】。 斜坡单元划分原理 斜坡单元划分的实质是基于DEM 的地表水文分析，包括正反地形无洼地DEM 的生成、水流方向的提取、汇流累积量的计算、河网的生成、集水流域的生成等关键步骤，其基本原理是利用正反地形分别提取山谷线和山脊线( 分别对应于汇水线和分水线)，把生成的集水流域与反向集水流域融合，再经后期处理人工修改不合理的单元，最终得到的由汇水线与分水线所组成的区域即为斜坡单元。斜坡单元划分流程见图【1】。 ArcGIS划分斜坡单元操作步骤 1、生成无洼地DEM ——原理：DEM 是一种比较光滑的地形表面模型，由于DEM 误差以及一些真实地形的存在，使DEM表面存在一些凹陷的区域，在进行水流方向计算时往往会导致不合理的甚至错误的水流方向，因此计算前应先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。基本过程是: 首先，利用水流方向数据计算出DEM 数据中的洼地区域和洼地深度;其次，依据洼地深度并参考真实地形，确定填充阈值对洼地进行填充; 再次，一次洼地填充完毕后又会产生新的洼地，因此需要重复上述过程，反复填充【1】。 ——操作：填洼 选择空间分析工具/水文分析/填挖 输入DEM，输出填挖后的DEM 注：如果要保证结果尽量精确的话，请参照【2】“11.1 无洼地DEM生成”进行操作。 2、水流方向提取 ——原理：对于每个格网，水流方向是指水流离开此格网时的指向。在ArcGIS 中，水流的流向是通过计算中心格网与邻域格网的最大距离权落差来确定的，因此可通过无洼地DEM 直接提取水流方向【1】。 ——操作：提取水流方向 选择空间分析工具/水文分析/流向 输入填洼后的DEM，输出流向 流向图 3、流量提取 ——原理：在DEM 的每个网格节点处赋予不同深度的水位，按照水流从高处流往低处的自然规律，根据区域地形和水流方向计算每个节点处流过的水量，从而得到该区域的汇流累积量【1】。 ——操作： 选择空间分析工具/水文分析/流量 输入流向栅格，输出流量栅格（注：输出数据类型要选择“INTEGER”，否则后面的河网无法生成）。 流量栅格图 4、河网生成 ——原理：河网是基于汇流累积量数据生成的。根据试验结果和地形等资料辅助检验，设定汇流累积量的阈值，其中不同级别的沟谷对应于不同的阈值，级别相同而所处区域不同的沟谷阈值也不相同，将大于阈值的栅格属性赋值为1，小于或等于阈值的栅格属性设置为无数据( 空值) ，即可获得河网的栅格文件，再通过栅矢转换生成河网图。阈值设置越小绘制的河网越精细，因此可根据不同的精度要求来设置阈值【1】。 ——操作： 选择空间分析工具/条件分析/设为空函数 输入流量栅格； 表达式为“value<阈值”（注：阈值是一个经验值，可以在流量栅格像素范围内<见下图>选择多个不同的阈值，如1000、5000、10000等，生成河网后与实际比较，河网越接近实地的阈值肯定越合适。经验之谈：最好有一张配准的分辨率比较高的遥感地图，如spot5，这样可以直接将生成的河网叠加到遥感图上，逐片比较一下河网与遥感图上的冲沟和河流是否重叠的比较好）； 输入条件为false时所取的栅格数据或常量：如果要保留value>5000以上像元的原值的话，就输入流量栅格；如果要让value>5000的所有像元都取值1，请输入“1”。注：输入1时是带双引号的1，即“1”，不能直接单独输入1，否则报错。 输出河网栅格。 上述设为空函数界面输入的参数含义为： ? 所有流量值小于5000的栅格都设为空，其余流量大于等于5000的则设为值“1”。（实际含义就是大于等于5000的栅格在实际地貌中可能对应冲沟或者河流；当然可以进一步给河网分级，实际依据的也是每个栅格单元的不同流量数据）。 河网栅格 河网栅格和遥感地图叠加后确定河网划分是否合理，借此调节流量阈值的设定。 5、生成河流连接（Stream Link） ——原理：Stream link是记录着河网中的一些节点之间的连接信息，主要记录着河网的结构信息。如下图所示，Stream link的每条弧段连接着两个作为出水点或汇合点的结点，或者连接着作为出水点的结点和河网起始点。因此通过Stream link的计算，即得到每一个河网弧段的起始点和终止点。同样，也可以得到该汇水区域的出水点。这些出水点具有很重要的水文作用，对于水量、水土流失等研究具有重要意义。而且，这些出水口点的确定，也为进一步的流域分割准备了数据【2】。 ——操作： 选择空间分析工具/水文分析/河流连接 输入河流栅格；输入流向栅格；输出河流连接栅格 河流连接栅格图 6、集水流域生成（Watershed） ——原理：对于低级的集水区的生成，可以使用hydrology工具集中的watershed工具生成。其思想如下：先确定一个出水点，也就是该集水区的最低点，然后结合水流方向数据，分析搜索出该出水点上游所有流过该出水口的栅格，直到所有的该集水区的栅格都确定了位置，也就是搜索到流域的边界，分水岭的位置【2】。 ——操作： 选择空间分析工具/水文分析/分水岭 输入流向栅格，输入要素倾泻点数据（实际就是上一步生成的河流连接栅格）；选择倾泻点字段为“VALUE”；输出集水流域栅格 集水流域栅格图 7、集水流域面矢量生成 ——原理：栅矢转换功能获得集水流域的矢量文件，以便于和反向集水流域合并生成最后的斜坡单元。 ——操作： 选择转换工具/由栅格转出/栅格转面 输入集水流域栅格；选择字段“VALUE”；输出集水流域面文件。 8、反转DEM ——原理：通过对正DEM以上步骤的水文分析，实际是提取了山脊线；通过反转DEM，再经过以上相同步骤提取集水流域，实际就是提取了山谷线；将两次分析生成的山脊线和山谷线合并，就生成了我们需要的斜坡单元。反转DEM就是高的变低的，低的变高的，将DEM反过来。 ——操作： 选择空间分析工具/地图代数/栅格计算器 用正DEM的最高高程（通过正DEM的高程分布范围可知，见下图）减去DEM。 输出反转DEM。 反转后的DEM 9、依样画葫芦，获得反集水流域面文件 用反转DEM重复步骤1-7，直到最后获得反集水流域面文件。 反集水流域面文件 10、生成斜坡单元 ——原理：将正反两个集水流域面文件合并。当然，为确保与实际相吻合，有些不合理的部分肯定需要人工修改。 ——操作： 选择菜单“地理处理/合并” 输入正集水流域和反集水流域面文件；输出斜坡单元面文件。 斜坡单元面文件 OK，万事大吉，评估一下斜坡单元的精度，在满足需要的情况下，就可以进行相关单元评价了！！！ 参考资料： 【1】 尚慧, 倪万魁, 程花. 斜坡单元划分在彭阳县地质灾害危险性区划中的应用[J]. 中国水土保持SWCC, 2011年第3 期. 【2】 ArcGIS_9_教程_第11章_水文分析（百度文库里有）。